土木領域學生研習生態工法實作課程之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

土木領域學生研習生態工法實作課程之研究

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2516-S-151-007- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學土木工程系 計畫主持人： 蕭達鴻 計畫參與人員： 蔡敏男 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 9 月 18 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

█ 成 果 報 告

□期中進度報告

土木領域學生研習生態工法實作課程之研究

計畫類別：█ 個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號：NSC 94－2516－S－151－007－

執行期間：

94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日

計畫主持人：蕭達鴻博士

共同主持人：

計畫參與人員：蔡敏男

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：█精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立高雄應用科技大學

中 華 民 國 九十五 年 七 月 三十一 日

摘要

921 集集大地震重建以來，政府以生態工法進行各項工程之改建，已收實質之效果。 然而台灣地區環境特殊，除地震颱風頻傳外，地質破碎且地形陡峭，使用生態工法確實令 人擔憂，唯有同時結合生態和工程安全二者，方能使工程建設永續使用。而近年來生態工 法教材如雨後春筍編撰而成，對於國內工程教育之養成有莫大幫助，然而相關實習課程則 較少研發，如能兼顧學生學習興趣，以及藉由動手做更確切瞭解生態工法，定能收事半功 倍之效。本計畫藉由模型製作(擋土牆和邊坡)、振動台試驗、以及簡易模式分析，和量測技 術之學習，並與實例相互驗證，可使學生對於土木工程、生態工法、振動台試驗、量測數 據擷取、和分析方法等更為熟悉和了解，最後利用問卷調查作為評量結果，將使學生對此 課程印象更為深刻。

Abstract

It is not until Chi-Chi earthquake in Taiwan that the government started to rebuild and renew the public facilities in the disaster area by using the ecological way. In reality the achievements about 921, Earthquake re-establishment plan have been impressive. Yet it is necessarily noted that the uses of ecological engineering are still worried and difficult because both of the earthquakes and typhoons occur frequently in Taiwan. Meantime the bad conditions in geology are well known, and topographic steep is very high in many slope lands. Hence application of the ecological engineering must rely on the safety of the engineering. In the future it is believed that the ecological consideration will be inevitable and important for most engineering in Taiwan. In order to increase and accumulate the knowledge of the new field, all the students of civil engineering have to be trained and educated again. Recently some teaching courses for ecological engineering were presented in many universities, but the practical training courses are still not found. Iterative practices in the course will increase the interests of the students in the period of learning and training. Consequently the objective of the project will develop an experimental program about the training course in the class for ecological engineering. By means of operating the shaking table accompanied with a simply mathematical model for green retaining walls and the green slopes, the students may observe the findings in the laboratory and compare the results between in the laboratory and calculated ones. Through the delicate design stated above, the students will be easily acquainted with new courses and related techniques. Finally the questionnaire examination will be helpful to the learning and understanding of the students.

前言 1990 年代在美、歐、日等先進國家掀起一股生態工程的熱潮，由於地球資源有限、 高度工業化、環境污染嚴重、過度開發使城鄉景觀破壞殆遺，故 1992 年於巴西里約舉行 地球高峰會議發表「里約環境與發展宣言」，主張人類除自身發展更應正視環境之日益惡 化，以及未來子孫和其他生物之發展，故萬物之永續發展人類責無旁貸(郭清江；2003[1])。 Odum、Mitsch、Jorgensen、Straskraba 和 Todd [2-8]等生態學家於 1970-1990 年代之努力， 生態工法已逐漸為人所接受並予以落實。生態觀念之建立對於研習工程的學生極為重要， 而生態技術和工法之學習對於土木工程學生更是迫切必須學習。目前相關教材很多，也能 提供學生良好資訊，但實作教材和課程則較少，而學生如能在實習過程學習，效果較為理 想，而從動手做過程中了解生態工程之意義。但國內目前許多生態工法並無實際施工規 範，常使學生萌生困擾，修課同學不斷質疑生態工程之可行性，如能藉由實驗之進行與驗 證，將可協助解惑，並提高教學效果。 研究目的 本研究計畫主要目的，係研究現有大專院校生態工法教學實習課程，為使教法更為活

潑性，課程更具實用性，本計畫希望能將現有實驗室資源予以延伸，以供研習生態工法課 程的學生使用。本研究計畫將選擇擋土結構物和邊坡，考慮其承受地震動載時其工程行為 和結構之安全。本研究計畫亦將研究出一套試驗方法以提高學生學習興趣，並藉由「動手 做」反覆進行試驗，從中瞭解生態工法真正意義，以及生態工法和工程安全之關係。本研 究計畫亦將結合較高階試驗方法，例如振動台和資料擷取系統，以及土壓計、水壓計、加 速度規、變位計等埋設儀器和擷取資料軟體之使用，以培養學生實驗和試算能力，監測基 本能力亦可加強。本研究計畫亦將結合高科技產品，除利用電腦EXCEL 和 FORTRAN 軟 體進行監測數據整理、分析、演算等，另試驗過程藉攝影機記錄，並以影像處理軟體予以

分析，藉由畫面瞭解牆體或邊坡位移情形，並利用Newmark 所提出 Block Slide Analysis 理

論相互比較。 研究成果 1. 生態邊坡與生態牆 本研究成果已撰寫一本教材，詳見參考文獻[9]。本教材第 10 章詳細說明生態邊坡與生態 牆利用本研究報告進行室內試驗方法、流程、注意事項等。 2. 小型振動台 地震具有無法預測且破壞力強之特性，因此每每發生地震，皆會帶給人類重大的傷亡 及損失，以目前人類的科技尚無法預測地震發生的時間、地點及強度，因此在結構物設計 與施工時，應將地震力視為重要考量因素之一。而地工結構物的尺寸往往很大且影響範圍 通常大於自身尺寸，而導致無法進行全尺寸試驗，因此在研究時常以模型試驗方式移至實 驗室中進行。目前實驗室中常被用來進行動態模擬的方法，主要有振動台和離心機二種， 而 現 階 段 進 行 振 動 台 試 驗 時 ， 通 常 必 須 搭 配 量 測 系 統 進 行 變 位 或 應 力 量 測 ， 其 中 Ghalansarzadeh et al. [10] 利用相機相片和試驗槽外側玻璃方格(mesh)研究岸邊碼頭地震後 壁體變位情形，而相類似方法亦有應用在邊坡和土堤液化變形之研究 [11-12]，但此方法最 主要的問題仍在於邊界之處理 [13]，尤其壁體當承受動載時往往最大變形量並非在兩側即 試驗槽外側玻璃，而是在中央處，如此進行試驗可能會產生結果之偏差。為避免上述問題， Dewoolkar et al. [14] 以振動台研究撓性壁承動載時壁體變形和後方土壓力時，則直接在壁 體前方設有LVDT 以及後方裝設有土壓計進行研究，而此量測方法通常需經由繁雜的實驗 步驟或昂貴的儀器搭配進行，但是傳統的量測方法通常以位移計進行變位量測，往往可能 由於變形太大導致位移量超過額定量測量而造成儀器損壞，且目前位移計僅能進行單方向 的量度，因此在試驗量測上造成限制。而近年來數位產品物美價廉，且數位影像也因解析 度的提高已可應用於變位量測，目前已有學者使用影像處理方式進行材料靜態變位量測、 膨脹性土壤膨脹量之量測和試驗過程剪力帶之量測等〔15-17〕。由於以傳統量測方法進行 振動台試驗量測時，必須搭配量測感應器及自動記錄系統才可進行動態模擬試驗〔18〕。本 研究將利用影像處理技術量測所得之試驗結果與傳統方法所得之試驗結果進行比較，用以 探討利用影像處理進行動態量測之可行性與適用性，其流程為同時使用傳統量測方法及數 位攝影機記錄小型振動台試驗中試體之動態行為，再將數位攝影機所拍攝之試驗過程，經 由影像處理軟體依設定之取樣頻率將動態影片轉換成靜態影像，再透過自動化影像讀取程 式得到點位座標，經由座標算之後即可得到試驗結果，最後將此試驗結果與傳統量測方法 所得之結果進行比較，即可得知影像處理方法之適用性與準確性。

3. 影像處理

數位影像是由有限個元素組成，這些元素即是數位影像最基本的單位，一般來說，這 些元素可稱為照片元素（picture element）、影像元素（image element）、點（pel）或像素 （pixel），而像素則是最常被用來表示數位影像元素的術語〔19〕。一般來說，為了以某種 標準或一般可接受的方式來指定色彩，所以建立了所謂色彩模型亦叫作色彩空間（color space）或色彩系統（color system），其為座標系統內的一個子空間，其中每個色彩用一個 點表示，在本研究中，使用的為 RGB 模型。RGB 模型是指每種色彩以紅、綠、藍的主要 頻譜成分來顯現，在顯示時，以三幅影像組合起來，便產生一幅複合的彩色影像，而用來 表示在RGB 空間每個像素所用的位元數稱為像素深度（pixel depth）。數位影像擷取係透過 光二極體感應器來進行，本研究所採用的是SONY DCR-DVD803 數位攝影機，其使用 CCD 感光原件，此解析度已相當足夠。本研究討論的數位影像處理和一般數位影像處理並不完 全相同，由於本研究在影像處理部分為二部份，首先是動態影像轉換成靜態影像，即利用 數位攝影機所拍攝的試驗過程之動態影像，將其依照所需之格率轉換成靜態圖檔，並選用 Tiff 檔作為儲存檔案之格式，由於 Tiff 檔為非破壞型之檔案格式，可保有不失真的 24 位元 彩色影像，所以此圖檔格式的影像品質相當高，但缺點是 Tiff 檔的檔案大小通常較其他類 型之檔案大。而矩陣的邏輯運算的原理係利用RGB 之值進行判別，由於試驗之標記點為全 黑格點，即RGB 值均為零，因此與其他部位之 RGB 值差異相較則會產生一定的差異值， 而該邏輯運算即是由此差異值來進行判別，其配合除去雜訊干擾的方法，將其流程利用電 腦語言編寫，再透過編譯即可得自動化程式，最後利用此自動化程式對數位影像進行判讀 即可得到試驗所需之點位資料〔15〕。 4. 數據量測方法 本研究所使用的量測系統分為二組，一組為影像處理部份，主要使用數位攝影機進行 拍攝，再以影像處理軟體進行分析，而另一組則是由感測器、工業電腦及擷取軟體等組成 的接觸式量測系統，用來進行與影像處理量測值比較及量測無法透過影像處理所進行量測 的部份。影像處理部份主要設備為數位攝影機，其他設備為記錄媒體、三腳架等，本研究 使用之數位攝影機為SONY DCR-DVD803，其使用 DVD-R 或 DVD-RW 作為記錄媒體，可 進行動態攝影並將其影像儲存在DVD-RW 空白片中，以下針對影像量測步驟進行說明。標 記點最主要是用來記錄試驗中要討論的點位在動態行為下，在不同時間的變化，藉由絕對 位置和相對位置的轉換，透過平面座標和簡單幾何學的計算便可得到試驗結果。參考點的 規格為5mm×5mm 之方形點，二點之間相距 50mm，利用黑白雷射印表機以 600dpi 之解析 度列印在一張 A4 大小之紙張上，再裁剪成試驗所需形式，並將其黏貼於壁體及砂箱玻璃 外側上。本研究使用SONY DCR-DVD803 數位攝影機記錄動態試驗過程，其記錄影像為電 子檔，因此相較於傳統攝影機，在拍攝完成之後，還必須透過影像擷取卡或其他擷取設備 來 進 行 影 像 擷 取 的 動 作 ， 顯 得 更 方 便 省 時 。 圖 1 為 小 型 振 動 台 示 意 圖 ， 圖2 為小型振動台實體，振動台尺寸為長 65cm、寬為 55cm 而高為 70cm，而試驗砂箱長為 50cm、寬為 30cm 而高為 40cm。圖 3 試驗砂箱實體，圖 4 則為數位攝影機拍攝情況，圖 5 為飽和砂擋土壁體試體試驗完成情形，圖6 為邊坡試體準備完成圖。 試驗完成後，數位攝影機所拍攝的動態影像因為拍攝時間與試驗開始與結束時間並非 同一時間點，因此必須先將動態影像進行剪輯，使其成為和試驗過程具有相同開始與結束 的影像，在此部分本研究使用威力導演 5.0 版〔20〕來進行此一動作。將影像剪輯成僅記

錄試驗部份的檔案後，其仍為動態影像，意即仍然無法進行影像判讀，因此必須將動態的 影像轉換成固時間間隔的靜態影像才能進行判讀，因此在決定分析時所要使用的時間間隔 後，即可依照換算出的格率（每秒幾張圖；fps），使用影像軟體輸出圖檔，本研究在此階

段使用麥金塔電腦上最常被用來作序列影像輸出的影像軟體Quick time7〔21〕來完成此工

作，本研究選擇輸出圖檔為解析度640×480 之 Tiff（tagged image file format）檔之檔案格式，

此格式為各點陣式影像處理軟體、排版軟體或不同作業平台之間圖形交換率最高的圖檔類 型，且適用於不同解析度、不同色彩模式和不同的壓縮方式，是一個不失真的24 位元彩色 影像格式，且Tiff 檔為非破壞性壓縮格式，所以能詳細記錄每個像素之 RGB 值，而本研究 使用的自動化程式是讀取每個像素之RGB 值再加上其他判斷條件來完成判讀。經過上述的 處理步驟後，巳經得到不同時間點的圖檔且均為靜態影像，下一步所需進行的工作，便是 將其圖檔上的標記點座標讀出，再透過平面幾何原理進行換算，即可得到該試驗之試驗結 果，因此讀取標記點座標為第一步驟，目前市面上有很多的靜態影像處理軟體，如： Photoshop、Photoimpact、Corel Draw…等均可進行影像編輯等工作，亦可用來讀取點位座 標，由於使用人工方式讀取點位，在時間上和人力消耗上均相當可觀，因此利用電腦自動 化判讀，故本研究是利用FORTRAN 95 語言撰寫此自動化程式，透過 RGB 值的讀取，再 利用條件式判別的方法，以迴圈方式反覆計算，最後得到標記點座標，此即自動化程式之 流程，由於標記點為純黑色點（R=0、G=0、B=0），因此點位範圍內像素之 RGB 值會與其 他部位差異很大，故利用此特性進行點位判定，最後程式將會輸出每個檔案之標記點座標 至同一檔案，完成後便可進行下一階段座標換算的工作。當取得每個時間點之所有標記點 座標後，經過簡單的幾何運算即可換算出試驗結果，再搭配接觸式量測系統之資料，即可 進行動態行為分析，而標記點座標計算出的試驗結果，須透過圖面尺寸和實際尺寸換算才 是真正在試驗中所得之量測值，以下將各個量測值的計算原理說明如下。而各參數之定義 可參見蔡敏男[22]論文。 (1) 水平位移量

(

) (

)

{

(

) (

)

}

(

) (

2

)

2 c a b d a b d b a c y c a x b d D − + − − − − + − + − = (1) 其中D 即為壁體上參考點到此直線之水平距離，再扣除初始值即為該時間點之水平位移量。 (2) 瞬時速度

(

)

∆t d d t ∆t t d d v 2 1 1 1 1 2 ₌ − − + − = (2) 其中v 為瞬時速度，因此每個時間點的瞬時速度可透過此方式求得。 (3) 瞬時加速度

(

)

∆t v v t ∆t t v v a 2 1 1 1 1 2 ₌ − − + − = (3) 其中a 為瞬時加速度，因此每個時間點的瞬時加速度可透過此方式求得。 (4) 沈陷量

(

) (

2

)

2 d b c a z= − + − (4)

因此經由上式可得到每一時間點的z 值，再和最初的 z 值相減即可得到每一時間點之沈陷 量。 (5) 剪應力-剪應變 a ρ A a ρ A A ma A F τ = = = ⋅l⋅ ⋅ =_l⋅ ⋅ (5) 其中F：水平力；A 為面積；m 為重量；_l為高度；a 為加速度；ρ 為密度。 l ∆ γ= (6) 其中∆ 為受力後之側向變位；_l為高度。 (6) 坡角 ) e g f h tan c a d b (tan 90 β 1 1 − − − − − − ° = − − ₍₇₎ 5. 壁體承受振動分析理論 郭尚勳[23]針對擋土壁體在承受動載作用下之壁體變位量進行探討，圖 7 為模式示意 圖。文中取壁體一單位寬度進行分析，利用樑本身材料之彎曲特性，嘗試對位移量進行理 論性推導，而對於樑因彎曲而產生垂直於其軸向之變化位移量將以一偏微分方程式來描述 其行為改變，如式(8)所示。現針對式(8)之解可分成三部分解析，如式(9)所示，其詳解可參 見郭尚勳[23]論文。 0 t) p(x, t y g γV(x) x y EI(x) x 2 2 2 2 2 2 = + ∂ ∂ +       ∂ ∂ ∂ ∂ (8) t) (0, y t) (x, y t) (x, y t) y(x, = _c + _p + _b (9) 式中y_c(x,t)為樑本身慣性力所產生之位移量，y_p(x,t)為樑承受外力所生之位移量， t) (0,

y_b 為樑底端roller 承受外力所生之位移量。至於 Newmark 所提出 Block Slide Analysis

方法則可參見Kramer[24]一書，其原理如圖 8 所示。 6. 結果與討論 利用壁體承受振動之彎曲變形理論配合試驗中量測之加速度值進行計算，並將計算結 果與試驗結果進行比較，進而應用討論此方法預測壁體變位預測之適用性與準確性，其結 果如圖 9 加速度計量測值和理論值比較圖，由圖可知理論值在試驗過程中與試驗值相當吻 合，因此該變位理論用在此組試驗有相當好之準確度。圖10 不同飽和度下壁體水平變位與 時間之關係圖。圖11 為試驗 1 之試驗值與理論值與時間之關係圖。圖 12 為試驗 3 土壤剪 應變和剪應力之關係圖。

圖1 小型振動台示意圖 圖 2 小型振動台實體 圖3 試驗砂箱 圖 4 數位攝影機拍攝情況 圖5 飽和砂擋土壁體試體試驗完成 圖 6 邊坡試體準備完成圖 ON 振動桌面 電源開關 速度調整開關 鋼軌 試驗桌面 鋼珠軸承 緊急停止按鈕 65cm 55cm 70 cm 55 cm 42 cm

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 5 10 15 20 25 30 時間（s） 加速度 （g ） 加速度計量測值 加速度理論值 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20 25 30 時間（s） 水平 位移量 （m m ） 試驗 1( 乾 砂 ) 試驗37(飽和砂) 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20 25 30 時間（s） 水平位移量（m m ） 試驗值 理論值 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 -5.00 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 剪應變（%） 剪應 力（ kg/ m 2） 圖7 樑振動彎曲示意圖(摘自郭尚勳[23]) 圖 8 Newmark 塊體滑動理論示意圖(摘自 Newmark（1965）) 圖9 加速度計量測值和理論值比較圖 圖 10 不同飽和度下壁體水平變位與時間之關係圖 圖11 試驗 1 之試驗值與理論值與時間之關係圖 圖 12 試驗 3 土壤剪應變和剪應力之關係圖

7. 問卷調查 表1為問卷調查結果，共分有九項，其中第3、4、7和9題為複選，由於樣本數較偏於大 地組，其結果應僅供參考。整體而言，實務專題滿意度(含非常滿意和滿意)佔72％，實務專 題投入時間(以18週計算)每週4小時以上達60％，故就本課程實際上每週僅2小時，故學生算 是相當投入，至於執行困難度有52％學生覺得有困難，成果滿意度(含非常滿意和滿意)佔65 ％，至於表中顯示40名學生有33人建議未來高應大土木系，實務專題題目之選擇應盡量以 現場工程問題為主，而其原因可能是實務專題題目太難，因此研發一較適合科技大學學生 之實務專題教材實有其必要性。 表1 問券結果分析 實務專題題目方向 結構 11 人 大地 21 人 材料 4 人 營建管理 4 人 共 40 人 實務專題著作方式 現場試驗 10 人 實驗室試驗 23 人 理論 分析 22 人 電腦程式應用 23 人 教具教材著作 3 人 其他(問卷分析) 3 人 實務專題收穫 成就感 26 人 有助升學 23 人 有助就業 7 人 有助技師考試 3 人 有助其他課程學習 12 人 操作儀器 15 人 文書處理能力的提昇 28 人 增進與老師的互動關係 22 人 實務專題成果展示 筆試 1 人 投稿 12 人 口頭報告 19 人 口試 2 人 書面報告 38 人 建議土木系未來實務專題題目應該朝向 現場試驗 33 人 實驗室試驗 13 人 理論分析 8 人 電腦程式應用 5 人 教具教材著作 3 人 結論 除撰寫一生態工程教材和進行問卷調查外，本研究亦針對振動台試驗在試驗過程中， 以影像處理技術作為量測方法，並觀察撓性擋土璧和邊坡二案例，其成果有：1.由試驗中 得知利用影像處理方法進行振動台動態量測是可行的，且更接近真實情況，此外在實用性 上比傳統方法更好。由於其在量測距離不若傳統方式有其固定之額定量測範圍，且不僅限 於單一方向之量測，只要在試驗過程中拍攝，經處理後即可取代多組位移計及加速度計， 因此利用影像處理來進行振動台動態量測會較傳統方法來得簡單且多樣化。2.在邊坡方 面，可知在未達臨界加速度時，僅上邊坡有沖蝕破壞，但坡角並不改變，然而在達到臨界 加速度後，坡角開始明顯改變，並在最後達到該加速度下之穩定坡角。3.擋土壁體之水平 位移量以壁體承受振動之彎曲變形理論進行研究，試驗結果和理論值比較可知，預測值和 試驗結果將會相當接近，因此此方法相當適合用於本研究之振動台試驗之壁體變位預測。

參考文獻

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