國立交通大學
土木工程學系
碩士論文
夯實土壤異向性行為室內試驗探討
Laboratory study of anisotropic behavior of compacted soil
研 究 生:王瀅郁
指導教授:林志平 博士
夯實土壤異向性行為室內試驗探討
Laboratory study of anisotropic behavior of compacted soil
研 究 生:王瀅郁
指導教授:林志平 博士
Student:Ying-Yu Wang
Advisor:Dr. Chih-Ping Lin
國立交通大學
土木工程學系
碩士論文
A Thesis
Submitted to Department of Civil Engineering College of Engineering
National Chiao Tung University
In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master
in
Civil Engineering
July 2013
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
夯實土壤異向性行為室內試驗探討 學生:王瀅郁 指導教授:林志平 博士 國立交通大學土木工程學系碩士班 中文摘要 為提升碾壓土壤品質檢測的效率,近年來有各種應用物理量量測之非 核子式檢測技術發展。柳儒錚(2010)將剪力波應用於碾壓土壤檢測,發現採 用表面波震測量測所得之現地剪力波速與飽和度之關係與實驗室標定之結 果存有差異,不同的夯實能量與碾壓方法皆可能是造成誤差之原因,另外, 碾壓土壤之異向性亦可能為誤差原因之一。碾壓土壤之異向性程度與可能 造成的波速影響程度皆不清楚,因此,本研究將透過室內試驗的方式對夯 實土壤之異向性行為進行探討。本研究建立壓縮波速與剪力波速室內量測 系統,以 Bender-extender element 進行夯實土壤之波速量測,藉由不同量測 角度之波速來探討夯實土壤之彈性波速行為與異向性程度。由試驗結果顯 示,在夯實曲線乾側,當含水量(或飽和度)逐漸降低時,垂直於橫向等向面 的剪力波速會有升高、降低再提升之情形;在夯實曲線溼側,各量測方向 之壓縮波速與剪力波速則會明顯下降,顯示波速受含水量(或飽和度)之影響 甚大。以波速求得異向性因子來探討夯實湖山砂土之異向性程度,可觀察 到當含水量接近或大於最佳含水量時,隨含水量之上升,夯實土壤試體之 異向性越加明顯。 關鍵字:夯實土壤、異向性、壓縮波速、剪力波速、Bender-extender element
Laboratory study of anisotropic behavior of compacted soil
Student:Ying-Yu Wang Advisor:Dr. Chih-Ping Lin Department of Civil Engineering
National Chiao Tung University
ABSTRACT
In order to increase the efficiency of quality control and assurance, several non-nuclear testing technologies have been under development in recent years. Liu (2010) applied shear wave velocity measurement for such a purpose. However, his results show that there is a significant difference between the shear wave velocities obtained in-situ by the multichannel analysis of surface wave and that obtained from bender element system in the laboratory. Compaction energy and compaction techniques may play roles in the difference. The anisotropy of the compacted soil is probably another one. However, the degree of anisotropy in compacted soil and the effect of anisotropy on wave velocities are not known. Thus, the aim of this study is to investigate the anisotropic behavior of compacted soil by laboratory experiments. A bender-extender element system was established to measure both the compression and shear wave velocity in compacted soils. Several details on assembling of the testing system were discussed and optimized. A multi-angle measurement device was designed to measure the elastic wave velocity in different angle relative to the symmetric axis of the compacted soil sample. According to the experimental results, on the wet side, the shear wave velocity parallel to the symmetric axis keeps decreasing while water content increase. On the contrary, the shear wave velocity on the dry side fluctuates as water content decreases. Furthermore, observation from the anisotropy factors reveals that the anisotropy becomes more obvious (greater or smaller than one) when water content is close to or
greater than the optimum water content. Further studies worth to be conducted were suggested.
Keywords: Compacted soil; Anisotropy; Compression wave velocity; Shear wave velocity; Bender-extender element
誌謝
感謝指導教授林志平老師忙碌之中對於本論文的悉心指導,並鼓勵學 生培養獨立思考精神,啟發學生探索地球物理領域,除此之外,更教導我 許多待人處事之應對進退,獲益良多。 感謝古志生委員、葛宇甯委員、柳志錫委員、劉智超委員詳細審查本 論文,並於學位口試時提供寶貴的建議與指正,使本論文能改善疏漏之處。 研究所求學期間,感謝潘以文老師、廖志中老師、方永壽老師、單信瑜老 師、黃安斌老師以及謝旭昇老師於學業上的教導。 感謝俊宏學長對本論文提供許多想法與建議,並在研究困頓之際以專 業知識為我解惑,協助研究進行。感謝實驗室學長們的幫忙與照顧,讓我 在研究所學習到許多知識與實務經驗。感謝友誠、昶笙、志峯與大地組同 學們在研究上互相加油打氣,也感謝震紘、泊翰及學弟妹的協助。感謝朋 友們的關心和勉勵,讓我更有勇氣面對挑戰。感謝所有幫助我的人,慷慨 付出一己之力。 感謝親愛的家人,不管多麼辛苦,總是支持我朝知識殿堂邁進,並教 育我建立正確的價值觀。實驗過程遭遇許多挫折,感謝男友暉凱的陪伴與 鼓勵,讓我重拾信心繼續努力。 一路上的辛苦與困難,都因你們而微不足道。目錄
中文摘要 ... i ABSTRACT ... ii 誌謝 ... iv 目錄 ... v 表目錄 ... vii 圖目錄 ... viii 符號說明 ... xii 第一章 緒論 ... 1 1.1 研究動機 ... 1 1.2 研究目的 ... 2 第二章 文獻回顧 ... 3 2.1 彈性波種類與波傳原理 ... 3 2.1.1 實體波 ... 3 2.1.2 表面波 ... 4 2.2 土壤之剪力波速行為 ... 7 2.3 土壤異向性 ... 12 2.4 彈性波速室內量測方法 ... 18 2.4.1 剪力波速量測法 ... 18 2.4.2 壓縮波速與剪力波速聯合量測法 ... 20 2.4.3 Bender-extender element ... 23 第三章 研究方法 ... 273.1 研究流程 ... 27 3.2 異向性試驗規劃... 28 3.2.1 試驗規劃 ... 28 3.2.2 試驗土壤 ... 30 3.2.3 試驗儀器 ... 32 3.3 Bender-extender element 波速量測系統建立 ... 33 3.3.1 Bender-extender element 設計與收錄 P、S 波訊號之影響因子 .... 34 3.3.2 Bender-extender element 製作 ... 38 3.3.3 既有波速量測系統之問題 ... 40 3.3.4 室內波速量測系統之建立 ... 42 3.3.5 試驗步驟 ... 61 3.4 波速分析方法 ... 62 第四章 試驗結果與討論 ... 66 4.1 彈性波速分析 ... 66 4.2 剪力波速與飽合度 ... 68 4.3 夯實土壤異向性程度與彈性波速行為... 70 第五章 結論與建議 ... 73 5.1 結論 ... 73 5.2 建議 ... 74 參考文獻 ... 75
表目錄
表 2.1 柏松比與半無限域地層中雷利波波速對照表(Udías, 1999) ... 6 表 2.2 一般材料異向性種類與性質(阮政瑋,2010) ... 12 表 3.1 異向性試驗規劃表 ... 29 表 3.2 試驗土壤基本物理性質 ... 31 表 3.3 實驗使用之 Bender-extender element 一覽表 ... 37 表 3.4 波速量測系統之問題與改良方法 ... 60 表 4.1 不同量測角度之壓縮波速與剪力波速 ... 66 表 4.2 夯實湖山砂土之彈性常數表 ... 71 表 4.3 夯實湖山砂土之異向性因子 ... 71圖目錄
圖 2.1 實體波示意圖(修改自 Bolt(1976)) ... 4 圖 2.2 表面波示意圖(修改自 Bolt(1976)) ... 5 圖 2.3 柏松比與半無限域雷利波速關係圖(重繪自林俊宏(2005) ) ... 6 圖 2.4 雷利波頻散現象(Rix, 1988) ... 7 圖 2.5 正規化剪力波速與乾密度之關係圖(Kim et al., 2001) ... 8 圖 2.6 不同粒徑材料之剪力波速與飽和度關係圖(a)玻璃珠(b)高嶺土混合玻 璃珠(c)花崗岩粉末(d)液化湧出之砂(Cho and Santamarina, 2001) ... 9圖 2.7 不同圍壓之剪力波速與夯實含水量(Clariá and Rinaldi, 2007) ... 10
圖 2.8 剪力波速與飽和度關係:實驗資料與半經驗式(Fratta et al., 2005)... 11
圖 2.9 橫向等向性材料示意圖(林雅婷,2007) ... 13
圖 2.10 Notations for normal and shear stresses (Das and Ramana, 2011) ... 13
圖 2.11 波傳方向垂直於對稱軸之 CdS 慢度曲線(Auld, 1990) ... 16 圖 2.12 波傳方向與對稱軸夾不同角度之 CdS 慢度曲線(Auld, 1990)... 17 圖 2.13 彎曲元件示意圖(Santamarina et al., 2001) ... 19 圖 2.14 剪力波速量測設備示意圖(修改自柳儒錚(2010)) ... 19 圖 2.15 壓縮波速與剪力波速量測設備示意圖(Brignoli et al., 1996) ... 20 圖 2.16 量測壓縮波與剪力波之壓電元件示意圖(Brignoli et al., 1996) ... 21 圖 2.17 壓電元件底座設置示意圖(Brignoli et al., 1996) ... 22
圖 2.18 Bender-extender element 波速量測設備(Leong et al., 2009) ... 23
圖 2.19 壓電陶瓷片極化型式(Leong et al., 2009)... 24
圖 2.20 Bender/Extender element 震動原理示意圖(Leong et al., 2009) ... 25
圖 2.21 波傳遞距離與波長之比值Ltt /λ對剪力波速之影響(Leong et al., 2009) ... 25
圖 3.1 研究流程圖 ... 27 圖 3.2 異向性試驗影響因子 ... 29 圖 3.3 湖山砂土夯實曲線(以壓克力模夯實) ... 30 圖 3.4 湖山砂土粒徑分佈圖 ... 31 圖 3.5 試驗壓克力夯模 ... 32 圖 3.6 四十五度與三十度角度底座 ... 32 圖 3.7 既有彈性波速量測系統 ... 33 圖 3.8 不同頻率之壓縮波訊號 ... 36 圖 3.9 不同頻率之剪力波訊號 ... 36 圖 3.10 裁切壓電陶瓷片 ... 38 圖 3.11 焊接單芯線於壓電陶瓷片上 ... 39 圖 3.12 塗防水膠進行防水處理 ... 39 圖 3.13 於壓電陶瓷片塗導電漆與夾上接地線 ... 40 圖 3.14 Bender-extender element ... 40 圖 3.15 波形受串擾影響與基線飄移 ... 41 圖 3.16 夯實曲線溼側土壤試體無法量測震動訊號 ... 42 圖 3.17 原室內接地示意圖 ... 43 圖 3.18 改善室內接地示意圖 ... 43 圖 3.19 改善接地後之壓縮波波形... 44 圖 3.20 改善接地後之剪力波波形... 44 圖 3.21 函數產生器參數調整示意圖 ... 45 圖 3.22 函數產生器參數調整前之波形 ... 46 圖 3.23 函數產生器參數調整後之波形 ... 46 圖 3.24 原室內接地之波形 ... 47 圖 3.25 改善室內接地之波形 ... 48
圖 3.26 戶外草地接地之波形 ... 49
圖 3.27 焊接使用之線材(a)單芯線外包鋁箔(b)SMA 線 ... 49
圖 3.28 單芯線外包鋁箔之 Bender-extender element 所收錄波形 ... 50
圖 3.29 SMA 線之 Bender-extender element 所收錄波形 ... 51
圖 3.30 使用 BNC 鱷魚夾線收錄之波形 ... 52 圖 3.31 實驗使用之 Balun 夾線 ... 52 圖 3.32 使用 Balun 夾線收錄之波形 ... 53 圖 3.33 使用 Balun 夾線之震源波形震盪嚴重 ... 53 圖 3.34 使用 Offline UPS 供電之波形 ... 54 圖 3.35 使用 Online UPS 供電之波形 ... 55 圖 3.36 使用蓄電池直流電轉為交流電供電之波形 ... 55 圖 3.37 改良彈性波速室內量測系統 ... 56 圖 3.38 觸發電壓 10 伏收錄之波形 ... 57 圖 3.39 觸發電壓 40 伏收錄之波形 ... 57 圖 3.40 觸發電壓 10 伏之波形 ... 58 圖 3.41 觸發電壓 40 伏之波形 ... 58 圖 3.42 不同長度夯實土壤試體之量測訊號 ... 59 圖 3.43 典型之剪力波量測結果(Kawaguchi et al., 2001) ... 62 圖 3.44 波形初達點位挑選(Kawaguchi et al., 2001) ... 63 圖 3.45 剪力波波形與波傳時間挑選 ... 64 圖 3.46 壓縮波波形與波傳時間挑選 ... 64 圖 4.1 不同重量含水量之夯實湖山砂土彈性波速 ... 68 圖 4.2 夯實湖山砂土垂直向剪力波速與飽和度 ... 69
圖 4.3 無圍壓之土壤剪力波速與飽和度(重繪自 Clariá and Rinaldi(2007)) .. 69
符號說明
Vp、Vs、Vr 彈性波速 λ、μ 拉瑪彈性常數(Lamé’s constants) ρ 材料密度 ρw 水密度 Vs,n 正規化之剪力波速 Vs,m 在平均有效圍壓σ’m下所測得之剪力波速 Pa 一大氣壓下之參考應力 Gs 土顆粒比重n 孔隙率;標定參數(Kim and Park, 1999、Kim et al., 2001)
S 飽和度 G0 飽和度為 2 (1-m)/m時之土壤剪力模數 m 半經驗式之標定參數(Fratta et al., 2005);剪力波速之標 定參數(柳儒錚,2010) as、bs 飽和度與剪力波速關係式之標定參數(柳儒錚,2010) σij 表示作用在法線方向為 i 方向之平面上 j 方向的應力 σ 正向應力 τ 剪應力 ε 正向應變 γ 剪應變 66 44 33 13 12 11 C C C C C C、 、 、 、 、 彈性常數 E、E' 平行、垂直橫向等向面的楊氏係數 ν、ν' 應力平行、垂直作用於橫向等向面形成應變的柏松比 G' 垂直橫向等向面的剪力模數 A、C、F、L、N Love (1927)定義之彈性常數 φ、ξ、η 異向性因子
第一章 緒論
1.1 研究動機 碾壓土壤結構物與民生安全息息相關,如水庫之壩體、河堤或海堤之 堤岸、道路之路堤、邊坡之擋土牆以及加勁擋土牆等結構物都屬於碾壓土 壤結構物之類別,此類結構物主要特徵是採用土壤材料進行分層夯實、碾 壓後營建而成,興建時之含水量與密度控制將影響結構物本身之水密性與 強度等工程性質,當重量含水量控制不當或夯實度不足時,常造成填方塌 陷、堤防淘空及擋土結構破壞等危害民生之情事,而有造成人民生命安全 及財產損失之虞,因此重量含水量與乾密度是碾壓土壤營建過程中極為重 要之品質管理指標。 為確保碾壓土壤結構物之碾壓品質,世界各國皆訂有相關的品質控制 規範,一般國際上對於碾壓施工所訂立之規範,最重要也是最後一道品管 機制即是對已完成碾壓之土壤進行重量含水量與乾密度(或夯實度)之檢測, 以確保其符合目的之需求。傳統的含水量與乾密度檢測技術當中,砂錐法 與烘乾法為常見的方法,操作簡單、儀器容易取得,但較為耗時,通常大 壩工程有工時限制,為縮短時間與提升效率,因而發展出能夠快速獲得土 壤含水量與乾密度的核子密度儀法,但核子密度儀仰賴放射線來檢測,儀 器管理較為不便,且需要受過專業訓練的人員才能使用,因此近年來有各 種應用物理量量測之非核子式檢測技術發展,而柳儒錚(2010)欲將剪力波應 用於碾壓土壤之檢測,遂進行夯實土壤剪力波速之行為探討。 柳儒錚(2010)利用室內實驗量測所得碾壓土壤剪力波速,提出碾壓土壤 飽和度與剪力波速之關係,但至現地應用時,發現採用表面波震測法量測 所得現地剪力波速與飽和度之關係與實驗室標定之結果存有差異,剪力波速的影響因子眾多,不同的夯實能量與碾壓方法皆可能是造成誤差之原因, 另外,表面波震測法之應用亦可能為誤差來源之一,而造成誤差的可能原 因在於表面波震測法將施測材料之性質假設為均質且均向,但實際上碾壓 土壤材料具有異向性,碾壓土壤之異向性程度與可能造成的波速影響程度 皆不清楚,因此,本研究將透過室內試驗之方式對夯實土壤異向性行為進 行探討。 1.2 研究目的 根據本研究之研究動機,本研究之研究目的主要有以下兩點: 1. 建立 Bender-extender element 室內波速量測系統,兼具量測夯實土壤試體 壓縮波速與剪力波速之功能。 2. 透過室內實驗瞭解夯實土壤之壓縮波速與剪力波速行為,並藉由壓縮波 速與剪力波速量測結果,來探討夯實土壤之異向性程度。
第二章 文獻回顧
為瞭解異向性土壤之行為與波速量測方法,本章針對彈性波、夯實土 壤之剪力波速行為、土壤異向性以及彈性波速室內量測方法進行文獻回顧, 茲整理說明於下。 2.1 彈性波種類與波傳原理 在地層中傳遞的震波依據傳遞特性可分為兩類,經由物質內部傳遞者 稱為實體波(Body wave),而沿著物質表面傳遞者稱為表面波(Surface wave), 本節分別對實體波與表面波進行基本介紹。 2.1.1 實體波 實體波依據不同的質點運動方式可分為壓縮波(Compression wave)與剪 力波(Shear wave)。在震波記錄上最先抵達者為壓縮波,因此壓縮波又稱為 Primary wave (簡稱 P 波);而剪力波為震波記錄上第二抵達者,因此剪力波 又稱為 Secondary wave (簡稱 S 波)。 壓縮波在介質中傳遞時,介質顆粒的震盪方向與波傳遞方向平行,如 圖 2.1所示,當壓縮波沿著 x 軸方向傳遞時,介質顆粒會以原來位置為中心 沿著 x 軸來回震盪,使得介質顆粒排列有疏密之分,而介質顆粒在空間中 兩相鄰最緊密處(或最疏鬆處)之距離為其波長。剪力波在介質中傳遞時,介 質顆粒的震盪方向與波傳遞方向垂直,如圖 2.1所示,當剪力波沿著 x 軸方 向傳遞時,介質顆粒會以原來位置為中心沿著 z 軸(或 y 軸)來回震盪,使得 介質顆粒排列有高低之分,而介質顆粒在空間中兩相鄰等高處之距離為其 波長。圖 2.1實體波示意圖(修改自 Bolt(1976)) 在純彈性體中,壓縮波速 Vp以及剪力波速 Vs之值如式(2.1)、(2.2)所示 ρ µ λ+2 = p V (2.1) ρ µ = s V (2.2) 其中,λ、μ 為拉瑪彈性常數(Lamé’s constants),ρ 為密度。由於 λ、μ 皆為大於零之值,因此觀察兩式可知壓縮波速較剪力波速為快。 2.1.2 表面波 表面波存在於具有自由表面的介質中,沿著自由表面傳遞,且會隨著 深度增加而有能量衰減的現象。表面波依據不同的質點運動方式可分為雷 利波(Rayleigh wave)以及拉夫波(Love wave)。拉夫波在震波記錄上是繼剪力 波之後抵達者,接續其後為雷利波。
所示,當雷利波沿著正 x 軸方向傳遞時,在介質表面之顆粒會沿著 x-z 平面 形成逆時針方向橢圓旋轉之震盪,而介質顆粒在空間中兩相鄰最緊密處(或 最疏鬆處)之距離為其波長。雷利波與同在 x-z 平面上傳遞的剪力波分量(以 SV 表示)及壓縮波統稱為 P-SV 波。有別於雷利波,拉夫波雖亦在介質表面 傳遞,但介質顆粒的震盪方向與波傳遞方向垂直,如圖 2.2所示,當拉夫波 沿著 x 軸方向傳遞時,在介質表面之顆粒會以原來位置為中心沿著 y 軸來 回震盪,而介質顆粒在y方向位移相同的最短距離為其波長。 圖 2.2表面波示意圖(修改自 Bolt(1976)) 工程中所應用的表面波通常是指雷利波,在均質均向之半無限域彈性 體中,雷利波的波速與地層的柏松比(Poisson’s ratio)有關,令 2 ) (Vs Vp = α 、 2 ) (Vr Vs = β ,其中 Vr為雷利波速,則如圖 2.3及表 2.1 所示,α 與柏松比有 一對一之關係,可由已知柏松比找出相對應之 α 值,從而推論波速比。在 可能的柏松比範圍(0 ~ 0.5)內,β 會在 0.7640 至 0.9128 之間變動,由此可得 到雷利波速與剪力波速之關係。對於土壤材料而言,柏松比為 0.4,則在半
無限域空間中,雷利波與剪力波的波速比約為 0.9422 (林俊宏,2005)。
圖 2.3柏松比與半無限域雷利波速關係圖(重繪自林俊宏(2005) )
表 2.1柏松比與半無限域地層中雷利波波速對照表(Udías, 1999)
Poisson’s ratio, ν * α β Rayleigh wave velocity, Vr
0 0.5 0.7640 0.8741Vs 0.125 7 3 0.8059 0.8977Vs 0.25 3 1 0.8453 0.9194Vs 0.5 0 0.9128 0 *
(
)
α α ν − − = 1 2 2 1 如圖 2.4所示,表面波之波傳影響範圍大約侷限於一波長之深度內,因 此表面波之影響深度會因不同的頻率而有所差異,當土層之彈性模數隨著 深度而變化時,波傳速度亦隨著頻率(或波長)之不同而改變,此稱為表面波之頻散現象,表面波速與頻率(或波長)之關係則稱為頻散曲線,而表面波震 測即是採用表面波中之雷利波或拉夫波來探測地下土層,又因雷利波為地 表面量測法中最容易產生且振幅亦最大之震波,故通常都採用雷利波來探 測地下土層之構造,由於雷利波速與剪力波速之相關性較高,利用頻散曲 線與地層波速變化之關係,可反算得到土層之剪力波速剖面。 圖 2.4雷利波頻散現象(Rix, 1988) 2.2 土壤之剪力波速行為
Kim and Park (1999)以及 Kim et al. (2001)進行共振柱(Resonant column) 試驗,利用下列數學式對剪力波速進行正規化 n m a m s n s P V V = , ' , s (2.3) 其中,Vs,n:正規化之剪力波速
Vs,m:為在平均有效圍壓σ’m下所測得之剪力波速 Pa:一大氣壓下之參考應力 n:標定參數 該正規化後之剪力波速與乾密度之關係如圖 2.5所示,正規化後之剪力 波速與乾密度有良好的線性關係,當乾密度增加時,剪力波速亦將隨之提 升。 圖 2.5正規化剪力波速與乾密度之關係圖(Kim et al., 2001) 不過非飽和碾壓土壤之剪力波速並非僅受到乾密度所影響,Cho and Santamarina (2001)控制土壤材料的孔隙率,以四種不同粒徑分佈之土壤材 料進行試驗,得到各土壤之飽和度與剪力波速之關係(當孔隙率固定時,飽 和度與重量含水量之間僅為一常數關係,因此亦可將飽和度視為重量含水 量),試驗結果如圖 2.6所示,剪力波速會隨著飽和度(或重量含水量)的增加 而逐漸下降,當材料趨近飽和時,剪力波速之變化也不如壓縮波速般劇烈 (Stokoe et al., 2004)。 對於粒徑較大的玻璃珠(D50 = 320 μm)與液化後湧出之砂(D50 = 360 μm) 而言(如圖 2.6(a)及圖 2.6(d)所示),在飽和度為 10 %至 80 %之區間,兩者之
剪力波速下降幅度並不明顯。對於粒徑較小的花崗岩粉末(D50 = 89 μm)(如 圖 2.6(c)),飽和度之增加會使得剪力波速明顯降低。由玻璃珠與高嶺土所 組成之材料(如圖 2.6(b)),高嶺土(D50 = 5μm)雖僅佔整體之 20 %,卻在飽和 度變化過程中控制了土壤材料之剪力波速行為,由此可見,土壤材料的細 粒料含量對剪力波速之影響相當顯著。 圖 2.6 不同粒徑材料之剪力波速與飽和度關係圖(a)玻璃珠(b)高嶺土混合玻
璃珠(c)花崗岩粉末(d)液化湧出之砂(Cho and Santamarina, 2001)
Cho and Santamarina (2001)試驗所得剪力波速行為,是由單純僅有含水 量變化之土壤材料而得,並未探討土壤材料經過夯實後的剪力波速變化情 形。Clariá and Rinaldi (2007)設計了一系列的剪力波速量測試驗,針對以不 同含水量(橫跨最佳含水量兩側)夯實之土壤試體進行剪力波速量測,結果如
之土壤試體,其乾密度為 1.56 g/cm3略小於最大乾密度 1.58 g/cm3,但剪力
波速僅約最大乾密度試體的三分之一;而在夯實曲線乾側,含水量為 15.8 % 之土壤試體乾密度雖僅為 1.47 g/cm3,但所得之剪力波速為 80.8 m/s,與最
大乾密度試體之波速極為接近。此試驗結果之乾密度與剪力波速並無明顯 關係,因此應用剪力波來量測土壤密度,須納入土壤含水量此一參數,才 有機會獲得較為準確之結果(Clariá and Rinaldi, 2007)。
圖 2.7不同圍壓之剪力波速與夯實含水量(Clariá and Rinaldi, 2007)
土壤物理性質與剪力波速間之關係相當複雜,並不易由經驗式中尋找 一恰當之描述方式。Fratta et al. (2005)嘗試以半經驗式對土壤物理性質與剪 力波速進行描述,提出土壤試體之剪力波速如下式表示 : nS n G S G V w s w m m m s ρ − +ρ − = − ) 1 ( 1 1 1 0 (2.4) 其中,S:飽和度 m:標定參數
ρw:水密度 Gs:土顆粒比重 n:孔隙率
G0:飽和度為 2(1-m)/m時之剪力模數(該飽和度通常極小,可視為
土體乾燥時之剪力模數)
Fratta et al. (2005)利用式(2.4)對 Cho and Santamarina (2001)在不同粒徑 材料中所得到之飽和度與剪力波速關係進行驗證,如圖 2.8所示,在飽和度 為 10% ~ 90%時,此半經驗式可良好描述土壤之剪力波速行為。雖然在趨 近乾燥與趨近飽和時之預測行為與實驗資料有所差距,但已可滿足大部分 之情況。只是如前所述,Cho and Santamarina (2001)之試驗是針對土壤組構 不改變的情況下所得到的剪力波速變化,因此 Fratta et al. (2007)所提出之半 經驗公式亦只能適用於此情況,對於以不同含水量夯實的土壤試體並不適 用。
柳儒錚(2010)針對碾壓土壤的剪力波速行為進行探討,並提出飽和度與 剪力波速之經驗式 m s s s a b S V = + (2.5) 其中,Vs:剪力波速 S:飽和度 as、bs、m:標定參數 此經驗式對於碾壓土壤之剪力波速行為提供了良好描述,然而並未考 慮不同夯實能量之影響,亦未考慮碾壓土壤為異向性材料一事,在應用上 土壤的異向性可能會對波速造成影響。 2.3 土壤異向性 自然界中的材料可分為均向性(Isotropy)與異向性(Anisotropy),異向性 材料又可分為一般異向性(General anisotropy)、正交性(Orthogonality)以及橫 向等向性(Transversely isotropy),如表 2.2所列。 表 2.2一般材料異向性種類與性質(阮政瑋,2010) 材料種類 性質描述 一般異向性材料 指在不同方向具有不同行為之性質,亦即其行為與方向性有關。 橫向等向性材料 僅有一旋轉對稱軸,垂直於此軸的平面具有均向性之性質。 正交性材料 有三個互相垂直的彈性對稱面,沿此三軸之各點力學性質不變。 均向性材料 不具有方向性,在任何方向上的力學性質都是一致的。 一般而言,夯實土壤可視為橫向等向性材料,如圖 2.9所示,橫向等向 性材料具有一旋轉對稱軸,垂直於對稱軸的平面稱為橫向等向面,在橫向 等向面上的行為具有均向性之性質。
圖 2.9橫向等向性材料示意圖(林雅婷,2007)
依據廣義虎克定律(Generalized Hooke’s law),材料的應力-應變關係 為: kl ijkl ij c ε s = (2.6) 其中,σij:表示作用在法線方向為i方向之平面上j方向的應力(如圖2.10 所示),且sij =sji c:彈性係數 ε:應變
基於虎克定律,橫向等向性材料應力-應變行為可表示為: = xy zx yz zz yy xx xy zx yz zz yy xx C C C C C C C C C C C C
γ
γ
γ
ε
ε
ε
τ
τ
τ
s
s
s
66 44 44 33 13 13 13 11 12 13 12 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (2.7) 其中,σ:正向應力 τ:剪應力 ε:正向應變 γ:剪應變 C11、C12、C13、C33、C44、C66:彈性常數(Bekhterev, 1926) 又C12 =C11 −2C66,因此僅需要五個彈性常數 C11、C13、C33、C44、C66 即可描述此橫向等向性材料的應力-應變關係。而上述五參數可以楊氏係 數(Young’s modulus)、柏松比(Poisson’s ratio)與剪力模數(Shear modulus)來表 示: ) ' ' 2 1 )( 1 ( ) ' ' 1 ( 2 2 11 ν ν ν ν E E E E E C − − + − = (2.8) 2 13 ' ' 2 1 ' ν ν ν E E E C − − = (2.9) 2 33 ' ' 2 1 ' ν ν E E E C − − = (2.10) ' 44 G C = (2.11) ) 1 ( 2 66 = +ν E C (2.12)其中,E、E':平行、垂直橫向等向面(x–y 平面)的楊氏係數
ν、ν':應力平行、垂直作用於橫向等向面形成應變的柏松比
G':垂直橫向等向面的剪力模數
Love (1927)提出以 A、C、F、L、N 五個參數(Love notation)所組成的 矩陣式: − − = N L L C F F F A N A F N A A Cij 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 2 ) ( (2.13) 此一矩陣代表橫向等向性材料的彈性常數,且與彈性波速有以下之關 係: 水平向之 P 波波速 VPH = ρA (2.14) 垂直向之 P 波波速 VPV = Cρ (2.15) 與對稱軸夾一角度之 P 波波速 ρ F VPF = (2.16) 水平向之 S 波波速 ρ N VSH = (2.17) 垂直向之 S 波波速 ρ L VSV = (2.18)
若為均向性材料,則 A、C、F、L、N 可以拉瑪常數(Lamé’s constants)
λ、μ 表示為: µ λ+2 = = C A (2.19) λ = F (2.20) µ = = N L (2.21)
Auld (1990)整理出彈性波速與五個彈性常數之間的關係 2 11 VPH C =ρ (2.22) 2 33 VPV C =ρ (2.23) 2 44 VSV C =ρ (2.24) 2 66 VSH C =ρ (2.25) 44 2 33 11 2 44 33 11 2 13 2 ) ( ) 2 4 ( C C C C C C V C = ρ PF − − − − − − (2.26) 對於異向性材料而言,在橫向等向面上之各點具有均向性的性質,因 此在此平面上各點的波傳速度相同,例如與夯實土壤同為六方晶系
(Hexagonal crystal classes)的 CdS(硫化鎘),其壓縮波與剪力波之波傳慢度曲
線如圖 2.11 所示;而與對稱軸夾不同角度的波傳速度將隨夾角而改變,其
壓縮波與剪力波之波傳慢度曲線如圖 2.12 所示。
圖 2.12波傳方向與對稱軸夾不同角度之 CdS 慢度曲線(Auld, 1990) 與對稱軸夾某一角度傳遞的 Quasi-shear wave,其慢度為 (2.27) 與對稱軸夾某一同角度傳遞的 Quasi-longitudinal wave,其慢度為 (2.28)
[
]
1/2 2 2 44 13 2 2 33 44 2 44 11 44 2 33 2 11 2 / 1 2 sin ) ( cos ) ( sin ) ( cos sin ) 2 ( − θ + θ + − − θ + − θ + + θ ρ c c c c c c c c c[
]
1/2 2 2 44 13 2 2 33 44 2 44 11 44 2 33 2 11 2 / 1 2 sin ) ( cos ) ( sin ) ( cos sin ) 2 ( − θ + θ + + − θ+ − θ + + θ ρ c c c c c c c c c因此,利用五個彈性常數 C11、C13、C33、C44 、C66與材料密度 ρ,即 可求得橫向等向性材料任一θ 角度之壓縮波速與剪力波速解。 為探討材料之異向性,Anderson (1961)提出異向性因子(Anisotropy factors)如下: 11 33 C C = ϕ (2.29) 44 12 11 2C C C − = ξ (2.30) 13 44 11 2 C C C − = η (2.31) 又C12 =C11 −2C66,因此式(2.30)可表示為 44 66 C C = ξ (2.32) 其中φ 為垂直向、水平向壓縮波速之比值平方;ξ 為水平向、垂直向剪 力波速之比值平方;而η 則與垂直向、水平向、夾四十五度角之壓縮波速 以及垂直向剪力波速有關。均向性材料之ϕ =ξ =η =1,當異相性材料φ、ξ 與 η 之值越趨近 1 代表異向性程度越小,因此可以透過這些異向性因子來 瞭解一材料的異向性程度。 2.4 彈性波速室內量測方法 2.4.1 剪力波速量測法 目前室內量測剪力波速的方法主要有共振柱(Resonant column)法與壓 電材料(Piezoelectric material)法,其中壓電材料法又以彎曲元件(Bender element)法較受歡迎。彎曲元件法乃是根據壓電材料的壓電特性而加以利 用,當材料受一應力作用導致變形時,將會產生相對於此應力大小之電壓; 而當材料受一電壓作用時,則會產生相對於此電壓大小之變形。所謂壓電 現象即為壓電材料受到電壓作用而造成之膨脹或收縮行為。
壓電陶瓷片是由中心金屬片與兩側包覆之壓電陶瓷所構成(如圖 2.13所 示),而彎曲元件製作方法是先焊接所需之導線,之後將整片壓電陶瓷片與 焊接線路處塗上一層聚氨酯(polyurethane)進行防水,待其乾燥後,再於壓電 陶瓷片表面塗上導電漆作為屏蔽層,以避免觸發端之電磁波於接收端產生 訊號上之耦合(coupling)現象干擾,最後再次塗上聚氨酯做為防水層,並使 用環氧樹脂(epoxy)將壓電陶瓷片固定於試驗儀器上即可(柳儒錚,2010)。 圖 2.13 彎曲元件示意圖(Santamarina et al., 2001) 柳儒錚(2010)使用自製 Bender element 量測夯實土壤試體的剪力波速, 成效良好,其試驗設備如圖 2.14 所示,因此本研究將採用壓電元件來量測 夯實土壤的壓縮波速與剪力波速。 圖 2.14剪力波速量測設備示意圖(修改自柳儒錚(2010))
2.4.2 壓縮波速與剪力波速聯合量測法 Brignoli et al. (1996)提出一可量測土壤試體壓縮波速與剪力波速的方 法,而使用的試驗設備如圖 2.15 所示。 圖 2.15 壓縮波速與剪力波速量測設備示意圖(Brignoli et al., 1996) 此一方法使用了三種不同規格與震動方向的壓電元件,包含有量測壓 縮波速所使用之 Compression transducer (直徑 8mm、厚度 2mm),以及量測 剪力波速所使用之 Bender transducer (長 20 mm、寬 10 mm、厚度 0.5 mm)、 Shear-plate transducer (長 12.7 mm、寬 12.7 mm、厚度 6.3 mm),各壓電元件 之細部構造如圖 2.16所示。
圖 2.16量測壓縮波與剪力波之壓電元件示意圖(Brignoli et al., 1996) Brignoli et al. (1996)所提出之方法,量測剪力波與壓縮波的壓電元件需 分別安裝於改良的金屬底座(如圖 2.17 所示),利用環氧樹指將壓電元件固 定於金屬底座並兼具防水功能。量測時,Bender transducer 直接貫入土壤試 體中,貫入深度為試體長度的 1.5 %,而 Shear-plate transducer 與土壤試體 之間則是隔著一片耦合元件,並未直接接觸試體。依據此方法,量測時需 有一對伸縮元件與一對彎曲元件,才能量測壓縮波與剪力波。
圖 2.17 壓電元件底座設置示意圖(Brignoli et al., 1996) 在量測土壤試體之壓縮波速與剪力波速時,需將成對之壓電元件分別 安裝於試體的上、下兩端,由函數產生器從底端的 transmitter 觸發單一頻率 正弦脈衝波,因壓電元件震動而產生的震波經由試體傳遞至頂端被 receiver 接收。受限於壓電陶瓷片的極化電壓,壓電元件之驅動電壓必須小於極化 電壓以避免壓電陶瓷片去極化,且去極化電壓與壓電陶瓷片厚度有關,因 此 Bender transducer 使用 20V 的驅動電壓,而 Shear-plate 與 Compression transducer 則使用 130V。在觸發頻率方面,剪力波量測使用 1 ~ 20 kHz;壓 縮波在乾燥土壤使用 40 ~ 80 kHz,在趨近飽和的土壤則使用 100 kHz。
2.4.3 Bender-extender element Leong et al. (2009)提出一種可用來量測壓縮波速及剪力波速之方法,為 Bender-extender element 法,此方法僅使用一對壓電元件即兼具量測壓縮波 速與剪力波速之功能,可免去實驗中為了量測壓縮波與剪力波而必須將成 對之彎曲元件與伸縮元件分別安裝於金屬底座之麻煩。其試驗設備如圖 2.18 所示。
圖 2.18 Bender-extender element 波速量測設備(Leong et al., 2009) 壓電陶瓷片的極化方向可分為 x-poled 與 y-poled 兩種,兩側陶瓷片極 化方向不同者為 x-poled (如圖 2.19(a)所示),而兩側陶瓷片極化方向相同者 為 y-poled (如圖 2.19(b)所示)。依據此方法之原理,當電流流向與壓電陶瓷 片極化方向不同,會使得壓電元件向側面彎曲或向兩端伸縮藉以產生震波。 壓電陶瓷片其中一側的極化方向與電流流向不同之時,會使得元件往側向
擺動(如圖 2.20(a)、(b)),此為 Bender element;而當壓電陶瓷片兩側的極化 方向與電流流向皆不同之時,會使得元件朝兩端伸縮(如圖 2.20(c)、(d)), 此為 Extender element。 圖 2.19壓電陶瓷片極化型式(Leong et al., 2009) 壓電陶瓷片之接線方式分為並聯(parallel)與串聯(series)兩種(如圖 2.20 所示),並聯時電能轉換為機械能之功率是串聯時的兩倍;串聯時機械能轉 換為電能之功率是並聯時的兩倍。一般在使用壓電元件量測時,會採用觸 發端(transmitter)為並聯型式,接收端(receiver)為串聯型式,以效能較佳之方 式進行量測。如圖 2.20所示,將極化方向為 x-poled 之壓電陶瓷片以串聯方 式連接,即成為剪利波之 receiver (如圖 2.20(a)),改以並聯方式連接則成為 壓縮波之 transmitter (如圖 2.20(c))。相同地,將極化方向為 y-poled 之壓電 陶瓷片以並聯方式連接,即成為剪力波之 transmitter (如圖 2.20(b)),改以串 聯方式連接即成為壓縮波之 receiver (如圖 2.20(d))。Leong et al. (2009)提出 此方法,只要變換並、串聯之接線方式來改變電流流向,使觸發端轉為接 收端、接收端轉為觸發端,即可分別觸發壓縮波與剪力波進行量測。
圖 2.20 Bender/Extender element 震動原理示意圖(Leong et al., 2009) Leong et al. (2009)亦指出,當輸入的觸發頻率增加時,剪力波訊號的近 場效應將會減小。當波傳遞距離與波長之比值Ltt /λ≥3.33時,能消除近場效 應對剪力波的影響(如圖 2.21所示);而壓縮波抵達時間不受觸發頻率影響。
綜合以上文獻回顧,將以此作為室內實驗規劃的參考與依據。雖然 Brignoli et al. (1996)所提出的方法可量測壓縮波與剪力波,但因量測時需使 用不同的壓電元件以分別觸發壓縮波與剪力波,並不利於本研究多角度之 量測;而 Leong et al. ( 2009)提出之方法僅需一對壓電元件即具備量測壓縮 波與剪力波之功能,因此本研究將參考 Leong et al. ( 2009)所提出之方法, 製作室內試驗所需之 Bender-extender element 來量測壓縮波與剪力波波速, 再以實驗分析所得不同角度之彈性波速,求得 Anderson (1961)提出之異向 性因子,以探討夯實土壤之異向性對彈性波速的影響程度。
第三章 研究方法
3.1 研究流程 本研究之流程如圖 3.1所示。首先進行與研究相關的文獻回顧,藉由前 人研究成果來規劃室內之土壤異向性試驗以及彈性波速影響因子,並選擇 適合的儀器設備與分析工具,而後製做實驗所需土壤試體進行彈性波速量 測與資料分析,最後由實驗結果探討土壤之異向性程度與彈性波速行為。 圖 3.1研究流程圖 1. 彈性波種類與波傳原理 2. 土壤之剪力波速行為 3. 土壤異向性 4. 彈性波速室內量測方法 相關文獻回顧與整理 1. 試驗土壤與儀器 2. 建立 Bender-extender element 波速量測系統 3. 波速量測及分析方法 土壤異向性試驗規劃 1. 壓縮波速 2. 剪力波速 彈性波速量測 1. 彈性波速分析 2. 異向性程度與彈性波速行為 夯實土壤異向性行為分析3.2 異向性試驗規劃
3.2.1 試驗規劃
為探討不同影響因子(如圖 3.2所示)對夯實土壤彈性波速之影響,遂針 對以下兩點規劃室內試驗:
1.夯實含水量
採用至少五種含水量,以橫跨最佳含水量(Optimum Moisture Content, 簡稱 OMC)兩側,作為土壤試體夯實之含水量,試驗土壤試體規劃如表 3.1 所列。 2.量測方向 為探討夯實土壤之異向性,採用五種不同角度進行波速量測試驗,以 瞭解不同量測方向之波速差異。 (1)與夯實土壤試體之橫向等向面垂直,簡稱為 v 方向。 (2)與夯實土壤試體之橫向等向面平行,且壓電陶瓷片與橫向等向面垂直, 簡稱為 hv 方向。 (3)與夯實土壤試體之橫向等向面平行,且壓電陶瓷片與橫向等向面平行, 簡稱為 hh 方向。 (4)與對稱軸夾三十度,簡稱為 30°方向。 (5)與對稱軸夾四十五度,簡稱為 45°方向。 上述五種量測方向如圖 3.2所示。
圖 3.2異向性試驗影響因子 表 3.1異向性試驗規劃表 土壤種類 夯實能量 夯實含水量 試體編號 量測方向 湖山砂土 標準夯實 8 % H8 1. 垂直橫向等向面 2. 平行橫向等向面且 元件垂直橫向等向面 3. 平行橫向等向面且 元件平行橫向等向面 4. 與對稱軸夾 30 度 5. 與對稱軸夾 45 度 10 % H10 12 % H12 14 % H14 16 % H16
3.2.2 試驗土壤 本研究試驗所使用之土壤為湖山砂土,湖山砂土源自雲林縣湖山水庫, 將湖山壩庫區山壁開挖之岩粒,經人工以鐵鎚擊碎而成的黏土質砂土。 以湖山砂土進行基本物理性質試驗,諸如夯實、篩分析、比重、液性 限度、塑性限度等,所得試驗結果如下所描述。 以標準夯實能量(600 kN-m/m3)進行夯實試驗(ASTM D698−12)得其夯 實曲線如圖 3.3所示,可知湖山砂土最大乾密度為 1.914 g/cm3,最佳含水量 為 13.30 %。由篩分析試驗(ASTM D421−85)得其粒徑分佈如圖 3.4所示, 細粒料含量為 23.6 %,有效粒徑為 0.035 mm,均勻係數(Cu)為 19.33,級配 係數(Cc)為 0.44。由比重試驗(ASTM D854−10)求得湖山砂土比重為 2.72。 由阿太堡限度試驗(ASTM D4318−10)得其液性限度(LL)為 26、塑性限度(PL) 為 17、塑性指數(PI)為 9。綜合上述資料再依據統一土壤分類法(Unified Soil Classification System, USCS, ASTM D2487−11)分類,湖山砂土屬黏土質砂 (SC)。
圖 3.4湖山砂土粒徑分佈圖
依據上述物理性質試驗結果,茲將本研究試驗所用之土壤基本物理性
質整理於表 3.2。
表 3.2試驗土壤基本物理性質
土壤名稱 湖山砂土
Standard proctor compaction OMC (%) 13.30 γd,max (g/cm 3 ) 1.914 Specific gravity, Gs 2.72 Coefficient of uniformity, Cu 19.33 Coefficient of curvature, Cc 0.44 Liquid limit, LL 26 Plastic limit, PL 17 Plastic index, PI 9 Soil classification (USCS) SC
3.2.3 試驗儀器 柳儒錚(2010)使用金屬夯模夯實土壤並進行剪力波速量測時,發現在彎 曲元件產生震波的過程中,未被轉換為震波的電磁波會在金屬模內震盪, 致使無法收錄良好的震動訊號,因此採用壓克力夯模以利震動訊號之收錄。 本研究設計之夯模為壓克力材質,且壓克力模容納體積與標準夯模相同(如 圖 3.5所示),並保留三個活動塞孔,於夯實土壤時將塞孔蓋上,而量測四 十五度與水平向之彈性波速時取下壓克力塞,使 Bender-extender element 能 貫入夯實土壤試體。 圖 3.5試驗壓克力夯模 為配合本研究在不同角度之彈性波速量測,設計四十五度與三十度角 度底座(如圖 3.6所示),以供量測時穩固擺放土壤試體之用,並能控制土壤 試體對稱軸與 Bender-extender element 呈四十五度或三十度之夾角。 圖 3.6四十五度與三十度角度底座
本研究使用之量測程式以 LabVIEW 撰寫,能調整合適之觸發頻率使 Bender-extender element 觸發壓縮波或剪力波,並可即時觀看觸發與收錄之 波形。而收錄之波形可匯入 MATLAB 撰寫之程式進行分析以得到壓縮波速 與剪力波速。既有彈性波速量測系統如圖 3.7所示。 圖 3.7既有彈性波速量測系統 3.3 Bender-extender element 波速量測系統建立 柳儒錚(2010)所用之剪力波速量測系統(如圖 2.14 所示),硬體方面,使 用取樣率為 204.8 kS/s 之資料擷取模組 NI PXI-4461,感測元件為量測剪力 波之 Bender element,儀器箱與 Bender element 皆有接地;軟體方面,函數 產生器參數設定以二十一點來描述一正弦波波形,採用頻率 10 kHz 來觸發 剪力波,訊號取樣速率為 200 kS/s。
本研究以柳儒錚(2010)所用之剪力波速量測系統為基礎,加以改良,來 建立壓縮波與剪力波波速量測系統。
3.3.1 Bender-extender element 設計與收錄 P、S 波訊號之影響因子 良好的壓縮波與剪力波初達訊號對波速分析扮演舉足輕重的角色,訊 號品質的好壞將會影響後續波速分析的正確性。以下將針對 Bender-extender element 尺寸、線路並聯與串聯型式、觸發頻率以及壓電元件貫入土壤之深 度等四部分進行討論。 1. Bender-extender element 尺寸
依據 Leong et al. (2009)提出的建議,壓縮波之 transmitter (即剪力波之 receiver)尺寸為長 15.9 mm、寬 9.5 mm、厚度 0.51 mm,剪力波之 transmitter (即壓縮波之 receiver)尺寸為長 15.9 mm、寬 3.2 mm、厚度 0.51 mm,此種 配對型式之 Bender-extender element 能收錄到良好的壓縮波與剪力波訊號。 然而,參考 Leong et al. (2009)建議之尺寸實際製作一對 Bender-extender element (參考表 3.3中編號 PA、SA)進行試驗,發生壓縮波訊號不易收錄之 情形。其原因可能為壓縮波之 receiver (即 S-transmitter)寬度較小,貫入土壤 試體後與試體的耦合情況不佳,不易接收到壓縮波傳遞之微小震動訊號所 致。 為改善 Bender-extender element 使之能收錄到良好的壓縮波訊號,本研 究調整寬度為 9.5 mm 來製作 P-receiver (參考表 3.3中編號 SB),雖能收錄 到壓縮波訊號,但訊號品質並不穩定。因此,本研究再調整厚度為 0.8 mm、 寬度為 10 mm 來製作 P-receiver (參考表 3.3 中編號 SF),始可收錄穩定之壓 縮波訊號。 2.線路並聯與串聯型式 一般接線方式分為並聯與串聯兩種,並聯時,電能轉換為機械能之功 率是串聯時的兩倍;串聯時,機械能轉換為電能之功率是並聯時的兩倍。
因此,本研究分別採用並聯(如表 3.3編號 SC)與串聯(如表 3.3編號 SF)兩種 型式製作壓縮波之 receiver,試驗結果顯示接收端以串聯方式連接,確實能 收錄到振幅較大、波形較為明顯的壓縮波訊號。 3.觸發頻率 依據 Brignoli et al. (1996)提出的建議,當土壤試體長度約為 10 ~ 14cm 時,剪力波觸發頻率採用 1 ~ 20kHz;在趨近飽和之試體,壓縮波觸發頻率 採用 100 kHz,在乾燥試體則採用 40 ~ 80 kHz。而 Leong et al. (2009)對觸發 頻率提出的建議, 壓縮波採用 30 kHz 以上,剪力波採用 10 kHz,能降低 近場效應的影響。 當觸發頻率較低時,震波能量較不易衰減,可收錄到振幅較大的訊號; 當觸發頻率較高時能降低近場效應影響,可收錄到初達波位置較為明確的 訊號。為收錄抵達時間明確且波形明顯之初達波訊號,則必須在觸發頻率 上審慎選定。 為選擇適合本研究夯實土壤試體使用之觸發頻率,以不同頻率進行試 驗。分別以頻率 10、20、30、40 kHz 觸發之壓縮波訊號如圖 3.8所示,頻 率 10 kHz 以及 20 kHz 觸發之訊號頻率過低、波形不佳;而頻率 30 kHz 以 及 40 kHz 觸發之訊號波形較為良好。分別以頻率 10、20 kHz 觸發之剪力波 訊號如圖 3.9所示,受近場效應影響均為較小。考量試驗結果與訊號振幅大 小,壓縮波觸發頻率採用 30 kHz,剪力波觸發頻率採用 20 kHz,較能收錄 到明確的初達波訊號且減少近場效應影響。
圖 3.8不同頻率之壓縮波訊號 圖 3.9不同頻率之剪力波訊號 3 4 5 6 7 8 9 10 x 10-4 -5 0 5 x 10-3 Time (s) V o lt ag e ( V ) P wave (10kHz) 3 4 5 6 7 8 9 10 x 10-4 -5 0 5 x 10-3 Time (s) V o lt ag e ( V ) P wave (20kHz) 3 4 5 6 7 8 9 10 x 10-4 -5 0 5 x 10-3 Time (s) V o lt ag e ( V ) P wave (30kHz) 3 4 5 6 7 8 9 10 x 10-4 -5 0 5 x 10-3 Time (s) V o lt ag e ( V ) P wave (40kHz) P wave arrival 3 4 5 6 7 8 9 10 x 10-4 -0.01 0 0.01 Time (s) V o lt ag e ( V ) S wave (10kHz) 3 4 5 6 7 8 9 10 x 10-4 -0.01 0 0.01 Time (s) V o lt ag e ( V ) S wave (20kHz) S wave arrival
4.壓電元件貫入深度 Bender-extender element 貫入土壤試體的深度將影響收錄訊號之品質, 貫入深度不足將使得土壤試體與壓電元件接觸不良,無法良好傳遞與接收 微小震波。針對土壤試體進行不同貫入深度之試驗,當壓電元件貫入深度 在 3 ~ 6 mm 間,能良好傳遞與接收震波,若貫入深度小於 3 mm 將導致壓 電元件與土壤接觸不良,無法收錄良好的初達波訊號。 基於上述討論與試驗,從不同製作規格之 P-transmitter 與 S-transmitter 間選擇最佳配對,以編號 PA 與編號 SF 做為 Bender-extender element (參考 表 3.3)來進行本研究之試驗。 表 3.3實驗使用之 Bender-extender element 一覽表 種類 編號 極化方向 壓電片型號 自由端 (mm) 寬度 (mm) 厚度 (mm) 線材 P-transmitter (S-receiver) PA x-poled PZT5A T220-A4-303X 12 9.5 0.51 單芯線 PS x-poled PZT5A T220-A4-303X 12 9.5 0.51 同軸線 (三極) S- transmitter (P-receiver) SA y-poled PZT5A T220-A4-103Y 12 3.2 0.51 單芯線 SB y-poled PZT5A T220-A4-303Y 10 9.5 0.51 單芯線 SC y-poled SB4010008 12 10 0.8 同軸線 (兩極) SF y-poled SB4010008 12 10 0.8 單芯線 SS y-poled SB4010008 10 10 0.8 同軸線 (三極)
3.3.2 Bender-extender element 製作
本研究使用之 Bender-extender element 乃參考 Leong et al. (2009)與柳儒 錚(2010)之做法,加以改良製作而成。 首先,依據實驗需求挑選 x-poled 與 y-poled 兩種極化方向之壓電陶瓷 片,並將 x-poled 壓電陶瓷片裁切為長 15.9 mm、寬 9.5 mm、厚度 0.51 mm 之尺寸,y-poled 壓電陶瓷片裁切為長 12 mm (此長度不含末端金屬部分)、 寬 10 mm、厚度 0.8 mm 之尺寸(如圖 3.10 所示)。 圖 3.10 裁切壓電陶瓷片 在 x-poled 壓電陶瓷片之一面尾端刮除小部分陶瓷,使中心金屬層露出, 以利焊接導線;y-poled 壓電陶瓷片末端有保留中心金屬層,因此不必刮除 陶瓷。 分別使用紅、黑、綠三條不同顏色之單芯線焊接於 x-poled 與 y-poled 兩壓電陶瓷片末端上(如圖 3.11 所示)。紅色單芯線焊接於正極,黑色單芯線 焊接於負極,綠色單芯線焊接於更換並、串聯之一極。(參考圖 2.20 進行焊 接)
圖 3.11焊接單芯線於壓電陶瓷片上 於焊接完成的壓電陶瓷片塗上第一層導電漆作為隔絕電磁波干擾之屏 蔽。壓電陶瓷片兩側邊界與中心金屬焊接處不塗,以避免短路。 待導電漆乾燥後,於整個壓電陶瓷片(包含焊接處)塗上工業用膠,再滴 少許催化劑使其快速凝固,以作為第一層防水處理(如圖 3.12所示)。 圖 3.12 塗防水膠進行防水處理 待防水膠乾燥後,於整個壓電陶瓷片塗上第二層導電漆以防止電磁波 干擾,之後將白色單芯線夾上壓電陶瓷片並塗導電漆,以作為壓電元件之 接地線(如圖 3.13 所示)。
圖 3.13 於壓電陶瓷片塗導電漆與夾上接地線 將整個壓電陶瓷片塗上第二層防水膠,並使用鋁箔與熱縮套管包覆單 芯線以保護線材。壓電陶瓷片頂端預留 12 mm 作為自由端,並固定於金屬 螺帽中灌膠,完成後即為一對 Bender-extender element (如圖 3.14所示)。 圖 3.14 Bender-extender element 3.3.3 既有波速量測系統之問題 原有波速量測系統乃參考柳儒錚(2010)之量測設備來建立,以此套系統 進行波速量測,遭遇諸多問題而影響實驗結果之正確性,遂將實驗過程中 所遭遇之問題說明如下:
1.雜訊干擾 原有量測系統所收錄之震動訊號,受到雜訊(Noise)之影響,使訊號波 形受到干擾且有基線飄移之情況,而影響彈性波初達時間之判斷。 干擾波速量測系統的雜訊有兩者,其中之一為串擾(Crosstalk),會使得 震源波形之振幅相對大於初達波波形,且震源波形後端有小震盪(如圖 3.15 中虛線圓圈所示),將會影響震波初達時間判斷。另一雜訊則為一頻率 60 Hz 之弦波干擾,可能為資料擷取卡 input 端之 BNC 夾線接收實驗室內電磁波 而引起,會造成收錄波形基線飄移的情形(如圖 3.15 所示)。 圖 3.15 波形受串擾影響與基線飄移 2.夯實曲線溼側土壤試體無法量測震動訊號 在夯實曲線乾側之土壤試體,所量測到的震動訊號較為明確;而在夯 實曲線溼側之土壤試體,則發生含水量增加將無法量測到震動訊號的情形 (如圖 3.16 所示),可能的原因為含水量提高,導致從 transmitter 觸發之震波 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 10-3 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 Time (s) Vo lt a g e ( V)
在傳遞過程中衰減,無法有效抵達 receiver,因而無法收錄到震動訊號。
圖 3.16 夯實曲線溼側土壤試體無法量測震動訊號
3.資料擷取模組取樣速率不足
既有之資料擷取(Data acquisition, DAQ)模組 NI PXI-4461,其取樣速率 為 204.8 kS/s,符合觸發與量測 10 kHz 剪力波之需求。而為了觸發與量測頻 率至少 30 kHz 之壓縮波,則必須將取樣速率提高。 3.3.4 室內波速量測系統之建立 針對原有波速量測系統之問題(參考 3.3.3 節),提出下列方法,實際操 作測試,並評估各方法的改善成效。本節改善量測系統測試使用之土壤試 體為室內氣乾的夯實湖山砂土,使用之 Bender-extender element 為表 3.3中 編號 PA、SF 元件。 1.改善訊號串擾問題 (1)改善室內接地 原本室內接地的方式如圖 3.17所示,是將 transmitter 與 receiver 之接地 線纏繞於同一條導線上,再導入實驗室內之接地孔,而儀器箱則另外接上 一條接地線導入其他的接地孔。由於 transmitter 與 receiver 共用一條接地線 會相互干擾,因此提出改善室內接地的方法,讓 transmitter 與 receiver 使用 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 x 10-3 0 0.02 0.04 0.06 Time (s) Vo lt a g e ( V) source
各自的接地線且分別導入不同接地孔,除了 transmitter、receiver 與儀器箱 接地之外,也將鋁製試體架接上一條接地線導入其他接地孔(如圖 3.18 所 示)。 圖 3.17原室內接地示意圖 圖 3.18 改善室內接地示意圖 改善室內接地後的波形如圖 3.19 以及圖 3.20 所示,由圖 3.19與圖 3.20 可觀察到震源波形相對大於初達波波形的情況已有改善,但震源波形後端 仍有小震盪,受串擾之影響還需進一步改善。由試驗結果可知,將試體架、 transmitter、receiver 以及儀器箱各自接地能改善收錄訊號之品質。
圖 3.19改善接地後之壓縮波波形 圖 3.20改善接地後之剪力波波形 2 4 6 8 10 12 14 x 10-4 -0.015 -0.01 -0.005 Time (s) Vo lt a g e ( V)
(a) Received signal - P wave
2 4 6 8 10 12 14 x 10-4 -5 -2.5 0 2.5 5x 10
-4 (b) Processed signal - P wave
Time (s) Vo lt a g e ( V) 2 4 6 8 10 12 14 x 10-4 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 Time (s) Vo lt a g e ( V)
(a) Received signal - S wave
2 4 6 8 10 12 14 x 10-4 -5 -2.5 0 2.5 5x 10
-3 (b) Processed signal - S wave
Time (s) Vo lt a g e ( V)
(2)調整函數產生器參數 原本函數產生器中觸發波形之參數設定,為了完整描述所觸發之正弦 波波形,是以取樣頻率除以觸發頻率之值(即震源頻率之二十倍)再加上一, 來作為描述波形之點數(總共二十一點),如圖 3.21(a)所示。但上述為了波形 完整而加上一點的方式,可能會使波形最後一點產生電位差,而導致震源 波形後方之小震盪(如圖 3.15所示),並影響後續挑選初達波的抵達時間。 在夯實曲線乾側的土壤試體,受震源波形後方之小震盪的影響將更為顯著, 以速度較快的壓縮波而言,波傳遞的時間較短,使得初達波波形易遭到小 震盪干擾,而在初達波抵達時間之判斷產生誤差。 為改善震源波形後方之小震盪,因此調整了函數產生器之參數,將原 本描述觸發波形的設定(二十一點),更改為以取樣頻率除以觸發頻率之值作 為描述觸發波形之點數(總共二十點),如圖 3.21 (b)所示。 圖 3.21 函數產生器參數調整示意圖 依原本函數產生器參數之設定,實驗所得波形如圖 3.22 所示;調整參 數設定後所收錄的波形則如圖 3.23所示。比較兩者波形,可觀察到經過參
數調整後,震源後端之小震盪(圖 3.22、圖 3.23 中圓圈處)有稍加改善之情 形。 圖 3.22函數產生器參數調整前之波形 圖 3.23函數產生器參數調整後之波形 4 6 8 10 12 14 x 10-4 -1 -0.5 0 0.5 1x 10 -3 Time (s) V o lt ag e ( V ) (a) P wave 4 6 8 10 12 14 x 10-4 -4 -2 0 2 4x 10 -3 (b) S wave Time (s) V o lt ag e ( V ) 4 6 8 10 12 14 x 10-4 -1 -0.5 0 0.5 1x 10 -3 Time (s) V o lt ag e ( V ) (a) P wave 4 6 8 10 12 14 x 10-4 -4 -2 0 2 4x 10 -3 (b) S wave Time (s) V o lt ag e ( V )
2.改善弦波干擾問題 (1)改善室內接地 儀器設備採用原本室內接地之方式(參考圖 3.17),試驗所收錄之震動訊 號如圖 3.24 所示,圖 3.24(a)為收錄壓縮波時遭受到之弦波干擾,弦波振幅 約為 26 毫伏;圖 3.24(b)為收錄剪力波時遭受到之弦波干擾,弦波振幅約為 83 毫伏。 改善室內接地之後(參考圖 3.18),試驗所收錄之震動訊號如圖 3.25 所 示,圖 3.25(a)為收錄壓縮波時遭受到之弦波干擾,弦波振幅約為 12.7 毫伏; 圖 3.25(b)為收錄剪力波時遭受到之弦波干擾,弦波振幅約為 37 毫伏。 圖 3.24原室內接地之波形 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 Time (s) V o lta g e ( V ) (a) P wave 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 Time (s) V o lta g e ( V ) (b) S wave 26 mV 83 mV
圖 3.25 改善室內接地之波形 比較改善室內接地前後的弦波干擾情形,可觀察到改善接地後的弦波 振幅較小。雖然儀器箱、transmitter、receiver 以及試體架分別接地有助於改 善收錄訊號品質,但效果仍然有限。 (2)戶外草地接地 為使接地效果更佳,本研究嘗試將儀器設備移至戶外草地接地以進行 實驗。為將接地線導入草地,使用直徑 1.2 公分、長度 40 公分之鋼棒釘入 草地中約 30 公分深,並將鋼棒接上同軸線(型號 QR320)之內導體作為導線, 而儀器箱、transmitter、receiver 以及試體架則各自接上不同條之接地線與鋼 棒。 於戶外草地接地實驗所收錄的波形如圖 3.26 所示,可看到弦波振幅約 為 51.1 毫伏,大於室內接地的弦波振幅,顯示戶外草地接地無法改善弦波 干擾。 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 Time (s) V o lta g e ( V ) (a) P wave 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 Time (s) V o lta g e ( V ) (b) S wave 37 mV 12.7 mV
圖 3.26 戶外草地接地之波形 (3)以同軸線製作 Bender-extender element 原本所製作之 Bender-extender element 使用單芯線為焊接線材,並在所 有單芯線之外圍包覆鋁箔作為屏蔽電磁波干擾之用(如圖 3.27(a)所示),但使 用鋁箔包覆單芯線來屏蔽電磁波的效果有限,收錄訊號仍受空間中的電磁 波所干擾,而使得波形受弦波影響(如圖 3.28所示)。考量同軸線屏蔽電磁 波之良好效果,因此重新以同軸線來製作 Bender-extender element,即表 3.3 中編號 PS 與編號 SS 兩壓電元件。 圖 3.27焊接使用之線材(a)單芯線外包鋁箔(b)SMA 線 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.1 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Time (s) Vo lt a g e ( V) 51.1 mV
圖 3.28 單芯線外包鋁箔之 Bender-extender element 所收錄波形
製作新 Bender-extender element 所使用的同軸線材為 SMA 線(型號 RG174U),如圖 3.27(b)所示,利用 SMA 線中心的銅線作為導體,焊接於壓 電陶瓷片上,外層披覆的金屬編織網則作為屏蔽電磁波干擾之用。使用 SMA 線製作之 Bender-extender element (表 3.3中編號 PS 與 SS)實驗收錄波形如 圖 3.29 所示,由圖中可看到波形仍有弦波干擾之情形,且弦波振幅並無減 小,顯示在此波速量測系統配置中,SMA 線屏蔽空間中電磁波干擾的效果 仍然不足。 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.05 0 0.05 Time (s) V o lta g e ( V ) (a) P wave 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.05 0 0.05 Time (s) V o lta g e ( V ) (b) S wave 30 mV 18.3 mV
圖 3.29 SMA 線之 Bender-extender element 所收錄波形 (4)使用 Balun 夾線 實驗使用 BNC 鱷魚夾線連結 Bender-extender element 與資料擷取系統, 以方便更換 Bender-extender element 之接線方式,來觸發與收錄壓縮波或剪 力波,但 BNC 鱷魚夾線末端分成正、負兩極,可能導致夾線形成天線,從 而接收空間中的電磁波,對震動訊號造成弦波干擾。使用 BNC 鱷魚夾線進 行實驗所收錄之波形如圖 3.30所示,由圖中可看到波形受弦波干擾,而弦 波振幅約為 6.2 毫伏。 為改善弦波之影響,因此使用 Balun 夾線取代 BNC 鱷魚夾線,Balun 一辭是指 Balance-unbalance 轉換器(又稱為換衡器),可用來抑制電路中的雜 訊,其中磁珠為常見的一種 Balun,是將導線規則地纏繞於環形鐵氧體上, 可避免導線成為天線而接收外來的雜訊。 實驗使用之 Balun 夾線如圖 3.31所示(型號為 VB-101),將正、負極導 線鎖入 Balun 夾線中,另一端 BNC 接頭則與資料擷取系統 input 端連接。 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.05 0 0.05 Time (s) V o lta g e ( V ) (a) P wave 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.05 0 0.05 Time (s) V o lta g e ( V ) (b) S wave 11.5 mV 42.6 mV
使用 Balun 夾線取代 BNC 鱷魚夾線與資料擷取系統相連結,實驗所得波形 如圖 3.32 所示,由圖中可看到弦波干擾受到抑制,其振幅約為 1.5 毫伏, 但觸發正弦波波形震盪嚴重(如圖 3.33 虛線圓圈處所示),因此後續實驗仍 使用 BNC 鱷魚夾線來觸發與收錄 Bender-extender element 之震動訊號。 圖 3.30 使用 BNC 鱷魚夾線收錄之波形 圖 3.31實驗使用之 Balun 夾線 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8x 10 -3 Time (s) Vo lt a g e ( V) 6.2 mV
圖 3.32使用 Balun 夾線收錄之波形 圖 3.33 使用 Balun 夾線之震源波形震盪嚴重 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8x 10 -3 Time (s) Vo lt a g e ( V) 1.5 mV 2 4 6 8 10 12 14 x 10-4 5 6 7 8 9 10 11 x 10-3 Time (s) Vo lt a g e ( V)
(5)改變供電方式
原本實驗儀器使用之電源來自室內電源,考量採用不同供電方式可能 會改善雜訊干擾問題,遂使用 UPS (Uninterruptible Power Supply,不斷電系 統)作為儀器電力來源,而 UPS 可分為 Offline UPS (離線式不斷電系統)與 Online UPS (在線式不斷電系統),以上兩種 UPS 均進行測試。
使用 Offline UPS 供電所收錄之波形如圖 3.34 所示,圖中可觀察到波形 仍受弦波干擾,而弦波振幅約 6.7 毫伏;使用 Online UPS 供電所收錄之波 形如圖 3.35 所示,雖然弦波的振幅下降至約 2.9 毫伏,但仍略大於壓縮波 的振幅大小,易干擾壓縮波波形而造成初達波判斷之困擾。 圖 3.34使用 Offline UPS 供電之波形 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.01 -0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 Time (s) V o lt ag e ( V ) 6.7 mV
圖 3.35 使用 Online UPS 供電之波形 除了 UPS 之外,本研究亦嘗試採用另一種供電方式,作法為將蓄電池 接上一台直流-交流轉換器,利用此轉換器將蓄電池直流電轉為交流電輸出 並供給實驗儀器使用。以蓄電池直流電轉交流電輸出之供電方式,實驗所 收錄之波形如圖 3.36 所示,可看到所收錄的波形怪異,此方法無法改善弦 波干擾。 圖 3.36 使用蓄電池直流電轉為交流電供電之波形 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5x 10 -3 Time (s) Vo lt a g e ( V) 2.9 mV 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (s) Vo lt a g e ( V)
上述的供電方式中,使用蓄電池將直流電轉為交流電輸出之方法不但 無法改善弦波干擾,且所收錄的波形怪異;而使用 UPS 雖能使弦波振幅降 低,但弦波的振幅仍略大於收錄的震動訊號振幅,因此改善成效有限。 (6)使用功率放大器 實驗所收錄的剪力波訊號振幅相當小,約為 3 ~ 4 毫伏,而壓縮波訊號 振幅更小,僅約為 0.25 ~ 0.8 毫伏。當震動訊號與雜訊的振幅相當時,受雜 訊干擾的影響則相對明顯。 原有波速量測系統中的函數產生器僅能提供觸發電壓 10 伏,為了提升 震動訊號之能量進而突顯初達波波形,因此使用功率放大器來達到提升觸 發電壓的目的。使用的功率放大器如圖 3.37 所示,將函數產生器 output 端 與功率放大器連接,再經由放大器將電壓放大後輸出至 transmitter 觸發震動 訊號;另外,函數產生器 input 端則連接 receiver,負責收錄訊號。 圖 3.37 改良彈性波速室內量測系統
採用 10 伏觸發電壓所收錄的訊號如圖 3.38所示,可看到訊號能量相當 小,且波形受弦波影響明顯,使得基線飄移。將觸發電壓放大至 40 伏,所 收錄的訊號如圖 3.39 所示,雖訊號仍受弦波干擾,然而因初達波振幅增大, 所以弦波對整體訊號的影響相較之下顯得微小,顯示使用功率放大器提升 觸發電壓有助於改善弦波對訊號的干擾。 圖 3.38觸發電壓 10 伏收錄之波形 圖 3.39觸發電壓 40 伏收錄之波形 3.改善能量衰減問題 (1)使用功率放大器 在夯實曲線溼側之土壤試體,遭遇到能量衰減嚴重的情形,使得藉由 transmitter 所觸發的震動訊號在土壤試體中無法有效地傳遞至 receiver 來接 收,因而使用功率放大器來提高觸發電壓,以改善能量衰減問題。 原本實驗配置採用之觸發電壓為 10 伏,以室內氣乾之夯實土壤試體進 4 6 8 10 12 14 x 10-4 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 Time (s) V o lta g e ( V )
Received signal - P wave (10 volt)
4 6 8 10 12 14 x 10-4 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 Time (s) V o lta g e ( V )
Received signal - P wave (40 volt)
行試驗,接收到的訊號經過處理後之波形如圖 3.40 所示,由圖中可觀察到 初達波振幅約為 0.35 毫伏。而在新的實驗配置中,使用功率放大器將觸發 電壓提升至 40 伏,接收到的訊號經過處理後之波形如圖 3.41所示,由圖中 可觀察到初達波振幅約為 4 毫伏,提高觸發電壓後初達波之振幅有顯著增 加。 圖 3.40觸發電壓 10 伏之波形 圖 3.41觸發電壓 40 伏之波形 使用功率放大器將觸發電壓由 10 伏提升至 40 伏,對於較為乾燥之夯 實土壤試體,初達波振幅明顯增加且初達時間較為明確;然而,在較高含 水量(約為 14 %)夯實之土壤試體仍無法收錄到震動訊號。 (2)縮短土壤試體量測長度 夯實土壤試體之長度,若超過壓電元件產生之震 波所能傳遞的距離, 可能導致震波衰減而無法收錄。使用含水量約為 14 %之夯實土壤試體進行 4 6 8 10 12 14 x 10-4 -4 -2 0 2 4x 10
-4 Processed signal - P wave (10 volt)
Time (s) V o lta g e ( V ) 4 6 8 10 12 14 x 10-4 -4 -2 0 2 4x 10
-3 Processed signal - P wave (40 volt)
Time (s) V o lta g e ( V )