光電雲紋干涉術耦合聲射檢測應用於類岩之斜向剪切破裂演化探討及分離元素模擬

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

光電雲紋干涉術耦合聲射檢測應用於類岩之斜向剪切破裂 演化探討及分離元素模擬

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 97-2221-E-011-101-

執 行 期 間 ： 97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學營建工程系

計 畫 主 持 人 ： 陳堯中

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：楊文欣 碩士班研究生-兼任助理人員：彭國維 博士班研究生-兼任助理人員：陳韋志 博士班研究生-兼任助理人員：劉峵瑋

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 98 年 10 月 28 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

□期中進度報告

光電雲紋干涉術耦合聲射檢測應用於類岩之 斜向剪切破裂演化探討及分離元素模擬

計畫類別：▓ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC97 － 2221 － E － 011 － 101 執行期間：2008 年 08 月 01 日至 2009 年 07 月 31 日

計畫主持人：陳堯中 共同主持人：

計畫參與人員：陳韋志、劉峵瑋、楊文欣。

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：

中 華 民 國 九十八 年 十 月 一 日

摘要

本研究針對岩石最常發生之剪力破壞模式進行一系列探討，採用純石膏及 石膏砂漿作為人造類岩材料模擬試驗岩石受剪行為，並創新研發出斜向剪切試驗 儀，經過與傳統直接剪力儀之試驗結果比對得知，純石膏在正向應力約 3.5MPa 以下，新舊兩儀器所得之巨觀強度相當接近，驗證斜向剪切儀之適用性。此項創 新使得試驗儀能搭配非破壞檢測技術的建置，研究首次結合可探求材料內部微裂 紋分怖之非破壞聲射定位技術(Acoustic Emission, AE)與檢測材料外部變位量之 非破壞電子斑紋干涉技術(Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI)，兼取兩 者之優異功能，藉以探求材料內部裂紋開衍和外部破壞之關聯性與演化行為。

純石膏及石膏砂漿試體於斜剪試驗到達尖峰強度前施以兩次解壓再壓動作 求得匝線，其平均斜率為剪應力勁度(shear stress stiffness)值 K

，經試驗得知 K

介於 0.21 MPa/mm ~0.14 MPa/mm 之間，隨著剪切角度增加加載於試體剪切面束 制之正向應力分力相對減少，K

值有降低之趨勢，且破壞時之尖峰剪應力與剪位 移也隨之下降。由加載歷程之峰後的裂衍路徑觀之，試體破壞模式與變換剪切角 度造成應力場改變有關，剪切角度越大時，破壞時之最大主應力方向與水平面之 夾角變小，使得巨觀裂縫之偏斜角 α 隨之變小，破壞行為越趨向於張力破壞。

再者將試體施作完成完整加載歷程之結果，取峰後之正向位移與剪位移關係，可 求得石膏砂漿之膨脹角為 11°約 0.38 φ ^。

經使用 ESPI 系統觀察得知，相同材料其初裂時機約略相近，石膏砂漿試體 初裂時機約為加載百分比 82％～86％之間，其初始裂縫產生位置均為邊緣端 點，初裂行為不受剪切角度改變之影響。同時結合 AE 系統可得知試體內部微裂 縫之發展趨勢，由峰前微觀行為得知，沿剪切方向某長度位置有 AE 事件之發生，

可初步斷定其初始微震裂源位於剪裂面之中央位置處，AE 微裂之叢聚產生於中 央剪裂區，其現象與裂縫延展趨勢頗為一致。

再從耦合聲光之非破壞檢測之互相比對得知，以聲學之聲射定位技術探求微 震裂源叢聚之範圍，再與光學之電子斑紋干涉技術結果比較，二者一致性頗佳，

可印証斜剪儀器之研製與相關探討之適確性。

以 PFC2D 數值軟體模擬斜向剪切試驗，模擬試體之裂縫生衍，隨著變形增 加，最終連成一道巨觀裂縫，其裂縫包含了張力裂縫及剪力裂縫，由分析結果可 看出巨觀裂縫成 α 角成長，與試驗破壞型態相近。

關鍵字：電子斑紋干涉術、聲射技術、斜向剪切試驗、叢聚、破壞演化。

There were quite a lot major engineering projects located at the mountain area in Taiwan recently. The safety and efficiency of excavation in rock becomes an important research topic. The failure modes of rock generally include shear failure and tensile failure. The failure mechanism of rock in real situation is usually a combination of the above two modes. The initiation and development of the fissures in rock is very complex. The commonly used numerical analysis generally adopts elasto-plastic constitutive law to represent the rock behavior, takes no consideration of the failure mechanism of rock under different stress paths, and can not simulate the real engineering behavior of rock. Therefore, this research will investigate the initiation and development of micro fissures and their influence on the macro crack of rock under direct shear from the micro point of view. The traditional direct shear box will be modified to become an inclined shear instrument with open space on both sides to allow visual examination of rock specimens and with variable angles of shearing. A combination of electronic speckle pattern interferometry and acoustic emission technique technique will be applied in the research to monitor the

specimens. The acoustic emission technique could measure the location and amount of micro fissures in the rock specimens. The electronic speckle pattern

interferometry technique could monitor the development of macro cracks on the surface of the specimens. The numerical code PFC

will also be used to simulate the shear tests and to calibrate the micro and macro parameters. By doing this, the complete evolution of rock failure mechanism including elastic, plastic, and crack can be established and the results can provide useful information to the rock

engineering. To achieve the above research goal, the selection of the rock specimens will include synthetic and natural rock, with variable grain size and natural

weakness.

Keywords：Electronic speckle pattern interferometry (ESPI), acoustic emission (AE), inclined shear instrument, localization, feature evolution.

1. 前言

在岩石和混凝土材料的傳統力學試驗中大都以巨觀行為及強度參數作為主 要探討的議題，以理論解或是數值分析的方法研究，對於微觀行為的研究則不多 見，主因在於以往礙於實驗技術無法檢測及記錄微裂隙初生進而繁衍之整個破壞 演化過程。事實上，材料破壞的微觀行為才是影響其工程性質的根本，而今實驗 技術之應用已突破以往之框架，因此本研究將傳統直接剪力儀把試體置於閉合式 剪力盒中，只能求得巨觀強度參數之設備，創新研發出斜向剪切試驗儀，使得能 搭配非破壞檢測技術的建置，並首次結合可探求材料內部微裂紋分布之非破壞聲 射定位技術(Acoustic Emission, AE)與檢測材料外部變位量之非破壞電子斑紋 干涉技術(Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI)，兼取兩者之 優異功能，藉以探求材料內部裂紋開衍和外部破壞行為之關聯性。試驗材料採用 純石膏和均勻級配分佈之石膏砂漿作為類岩材料，在斜向剪切試驗過程中，應用 試體側向之非對稱式的裂縫開口位移(crack mouth opening displacement, CMOD) 控制技術，避免材料在達到尖峰剪應力之後造成失穩開裂之虞，如此可求取尖峰 強度前後之加載歷程，以分判峰前主要之延性破壞(塑性破壞)與可能發生峰後之 脆性破裂特徵，俾利於將岩石受剪加載之破壞演化作一研析，進而釐清岩石開挖 時受剪破壞之工程問題。

2. 文獻回顧

2.1 岩石剪力試驗破壞行為

目前岩石剪力試驗破壞準則，以Mohr (1900)［1］及Mohr-Coulomb延性破 壞準則和Griffith（1921） ［2］所提出之脆性破壞理論最常使用。Lajtai（1969）

［3］整合了最大主應力理論（maximun principle stress theory） 、Eveling

（1964） ［4］剪力曲線及Coulomb(1776) ［5］等三大準則繪出完整岩體強度破 壞包絡線，提出岩石剪力試驗區分成張力破壞、剪力破壞及極限強度破壞三種破 壞型態。Griffith針對脆性材料的破壞進行研究，指出脆性材料的破壞係由材料 內部已存在的裂隙延伸串連發展的結果，所以當材料受力後裂隙的尖端會產生應 力集中的現象，若集中應力超過材料強度，該裂隙就會延伸最後導致材料完全破 壞，因此其破壞準則是以裂隙尖端的應力場與材料抗張強度比較，導出裂隙延伸 的臨界應力作為破壞與否之判定。

2.2 非破壞性聲射技術

聲射法(acoustic emission，AE)屬於非破壞檢測法之一種，ASTM E610-82

[6]定義聲射現象為： 「聲射為一材料內部局部能量快速釋放而產生暫態彈性應力

波(transient elastic stress wave)的一種現象」 。一般慣認 AE 技術發展之起

源為德國人 Joseph Kaiser(1953)[7]的研究，其研究內容奠定了聲射的基礎，

其認為金屬受壓力激發所產生之微震訊號事件（seismic activity）屬於不可逆

（irreversible）行為，即材料受力後下進行解壓之過程中，不產生 AE 訊號，

直到再加壓並超越過去施壓之最大載重，方又復而出現其 AE 訊號，此稱為「凱 撒效應」（Kaiser effect），由 Holcomb and Costin（1986）[8]發現於岩石材 料之反覆加載中，亦存在此不可逆之現象。經過學者 Fowler （ 1979）[9]的研 究，發現凱撒效應（Kaiser Effect）並非恆真，當材料種類不同或相同材料應 力場不同時，於應力未達從前所加之最大值前，就復以發生聲射訊號，並定義此 一現象為 Felicity effect。聲射技術之發展，譚明德(1996) [10]可偵測微震 裂源之發生(AE hits)並累計次數，探討其與材料加載歷程之間之關係，陳家豪 (2004) [11]已可初步於岩石材料中進行微震裂源之定位，視定位分析方法不 同，誤差精度約為 3mm~30mm 不等。Maji（1994）[12]以鋼筋混凝土樑進行 AE 試驗，以統計方式進行定位分析，Chen（2002）[13]採到達時間差定位方式，並 利用最佳化統計方法，求得統計殘差在 2mm 之內的微震裂源定位，蔡昇哲（2005）

[14]於國內初步建置貫切試驗，並輔以聲射技術，探討人造類岩與天然岩體之大 理岩及蛇紋岩，進行貫切刀口接近弱面距離巨微觀破壞行為。林雍勝（2006）[15]

採用人造類岩與天然岩體之大理岩，施予不同相對圍壓以聲射技術探求圍壓下彈 -塑性界面範圍。劉峵瑋（2007）[16]於人造類岩以非破壞耦合試驗研探受楔型 貫切破壞之側向自由邊界效應。

2.3 非破壞性電子斑紋干涉術

Butters and Leendertz （1971）[17]採用相機及電腦結合全像干涉技術提 出電子斑紋干涉術（Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI） ，此 技術不需經由底片沖洗及顯影，而是以相機直接擷取影像儲存於電腦內，並運用 Intelliwave 及 Labview 等軟體於螢幕上即時顯示位移干涉圖，用以觀察材料表 面之變形連續及變形不連續的變化。應用 ESPI 技術研究相關議題已日見成果，

如 Moore and Tyrer（1982）[18]藉以實施面內位移（in-plane displacement）

的全域量測；Biolzi （1999）[19]等人用於分析土木工程之樑試驗中，張力強 度之尺寸效應；Chen（2002）則應用此光學檢測系統，觀察岩石貫切作用之破壞 衍化及求算其相關破壞參數，李昶佑（2006）[20]應用探討岩石貫切過程中彈- 塑性區之變化與推求應力強度因子，胡光宇（2007）[21]應用於檢測破壞特徵長 度之求算。

3. 試驗材料和設備 3.1 試驗材料

本研究採純石膏與石膏砂漿試體等類岩作為試驗材料，製作試體之石膏採用

熟石膏，其規格為混水量 74 %～78 %、膨脹度 0.12 %；砂料採用型號 C190 均勻

級配（uniform graded）之渥太華砂，顆粒粒徑大小介於 600μm～850μm，而 拌合水係採用逆滲透處理之無雜質實驗用水。依據洪啟德（1989）[22]及應傳智

（1995）[23]對石膏之研究，石膏試體配比為石膏：水重量比為 1：0.6 ，石膏 砂漿試體之配比為標準砂：石膏：水重量比為 3：1：0.9 ，將各材料依重量比 例秤好充分拌合，再將拌合材料澆灌於 7cm×7cm×7cm 之立方體模具，作適度振動 搗實並將試體表面氣泡刮除整平靜置約 20 分鐘，待試體溫度降至室溫，再把試 體放置於恆溫恆濕箱，令溫度設定於 40

C 及濕度設定為 75% 持續養護 14 天 後拆模，即可得本研究使用之試體。

3.2 試驗設備

本研究採用之設備包含三項主要系統，有破壞性試驗之開口式斜向剪切儀和 非破壞檢測之聲射擷取暨定位及電子點紋干涉技術等兩種系統作搭配進行耦合 之試驗。

圖 1 斜向剪切儀設備之設置狀況 1. 破壞性試驗設備建置

為瞭解開挖之岩石受力作用裂縫破壞演化之行為，為了在操作剪力試驗時

可結合非破壞檢測設備，因此協同展暉科技公司共同研發製作出斜向剪切儀，藉

由設計之開盒式斜剪盒和活動式上下半部相互對稱之剪切夾具，配合試驗時可安

全的控制上下端側向滑動之滾軸設計防止失穩破壞，使成為僅需於單一垂直方向

軸向加載，即能獲得類似於傳統直接剪力試驗之正向力與側向剪力之雙軸施力效

果，並可調整變換成不同剪切角度，以獲得不同之加載分力組合，儀器亦能依照

實驗之需求裝設於不同加載系統上。本試驗採用多功能、精密及勁度高之伺服控

制油壓試驗系統 MTS 810，為求得完整之力量-位移加載歷程曲線，採用 MTS 公

司出產型號 632-02F-20 開裂伸張儀（clip gage/extensometer） ，作為開裂變位

（crack opening displacement, COD）之量測及控制之用，這些裝置即可完成 各階段加載歷程。另外，為監測試体之位移，除了 MTS 油壓缸內建有ㄧ線性位移 計之外，同時使用兩支由 Schlumberger 公司生產，型號 491213-01A 的線性變化 差異轉換計（linear variable differential transformer，LVDT） ，裝設在上 下半部剪切夾具上，用以同步量測試驗過程中垂直與側向位移之變化，設備建置 之示意如圖 1 所示。

2. 聲射技術系統設置

為求得微震裂源位置，本研究使用到達時間差法，於三維空間之聲射定位，

如圖 2 所示。

圖 2 三維空間聲射定位法則之到達時間差法示意圖

將 n 個 AE 感應器固定於已知座標上，每組 AE 感應器接收 AE 事件時間，與 第一組接收時間差 Δt

（i=2~n）為已知，則依三維空間距離計算，距離等於波 傳速度乘以時間差，可列出式（2. 18）和（2. 19） ：

2 2 2

( ) ( ) ( )

i i i i

R = x − x + y − y + − z z …………（2.18）

1

i i i

R − R = × Δ + V t ε （ i = 2 ~ n ） …………（2.19）

其中， R

= AE 事件至第 i 個感應器的距離 V = 材料中之 AE 波傳速度

ε

= 統計之殘差值 AE event (x, y, z)

#1 AE sensor (x

, y

, z

)

#7 AE sensor (x

, y

, z

)

#5 AE sensor (x

, y

, z

)

#4 AE sensor (x

, y

, z

)

#n AE sensor (x

, y

, z

)

z

x y

#2 AE sensor

(x

, y

, z

) #3 AE sensor (x

, y

, z

)

#6 AE sensor

(x

, y

, z

)

transient elastic stress wave

觀察公式可知，AE 聲源點位（x,y,z）未知，若波速 V 亦未知，則需四個時 間差值，即最少需設置五組 AE 感應器，以解得四個未知數，完成 AE 定位之統計 分析。Chen (2002)指出若欲進一步求其裂源特徵（source characterization），

則需設置至少七組 AE 感應器方可求得。系統設置使用由 Physical Acoustics Corporation 生產的八個型號 S9225 之壓電式轉換計（piezoelectric

transducer）作為 AE 感應器，貼附於試體表面上接收 AE 事件訊號，經由型號 1220C 之前置放大器（preamplifier）進行監測，篩選並放大高於門檻值

（threshold）且頻率範圍介於 100kHz ~ 1200kHz 之訊號，將微小電壓變化記錄 於二進位元（binary）之資料檔案中，以得到較精確之定位與未來能更深入研究 微裂縫之開裂模式。

本研究之聲射訊號擷取系統，由兩組每組四個頻道的設備，其接收訊號頻率 最高可達一千萬次/秒，為於系統穩定範圍內作業，擷取頻率設為八百萬次/秒，

即每次之時間間隔為 12.5μ 秒，聲射事件的記錄與否，根據 Chen （2002）之 文獻，端看設於八頻道中的觸發頻道（trigger channel）是否接收到大於 7mV 的電壓門檻值，如達該電壓差值，則視為有效之微震裂源事件，反之則為雜訊忽 略之，而一旦觸發後，同時八個頻道接收且記錄該事件。每次微裂縫事件，考量 接收後之資料檔案大小，設定適當的事件擷取訊號數。

將接收後記讀之二進位元（binary）資料，經試驗排程控制軟體 LabVIEW 8.5 ，轉換為易於處理之字元（ASCII）資料，並使用工程常用之程式語言 Fortran、C++ 以及 Matlab 7.0 繕寫應用程式，來判斷其波形之特徵，分別找出 到達各個 AE 感應器之 P 波的時間，以到達時間差之三維定位法，求得微裂縫發 生的位置。本試驗利用自行撰寫之程式語言及採用統計方法，計算統計殘差在 6mm 內之 AE 三維定位結果，並以此依據進行相關數據之分析探討。

LabVIEW（laboratory virtual instrument engineering workbench）是由 National Instrument 公司，於 1986 年所發展出的一種繪圖程式語言，又稱為 G. LabVIEW。在程式設計方面，則是以圖形方式編輯程式，於程式結構部份，又 可稱為虛擬儀表（virtual instrument）的儀器控制軟體，且 LabVIEW 為可整合 控制之通訊界面，例如：GPIB、VXI、PXI、RS-232、RS-485 等，以及支援資料 擷取 DAQ（Data Acquisition）與影像擷取（image acquisition）的功能。

本研究利用 LabVIEW 系統提供數位與類比的轉換功能，經由 PCI NI-6115 資料擷 取介面卡同步接收微震事件而觸發的類比訊號，並即時轉換為一般電腦所能接受 的數位訊號，以作為資料傳遞之用，並達到監控與量測效果。

3. 電子斑紋干涉系統儀器之架設

本試驗所架設之電子斑紋干涉術儀器包括有：a.氦-氖雷射、b.空間濾波

器、c.光纖、d.變角光纖架設桿、e.電荷耦合照相機、f.光學防震桌；儀器配置

情形，如圖 3 所示。儀器配置係以單色高同調性氦-氖雷射光束透過空間濾波器

擴散及濾波後，由光纖分為兩道光束，藉由變角光纖桿轉換其方向，使兩道光線

從不同角度投射至試體表面上，產生干涉現象後，經光學理論由變形前後斑點圖

取平方，可得一具條紋干涉圖，同時位於試體法線處設置 CCD 照相鏡頭，擷取光 纖之影像，經軟體分析後即可觀察到干涉條紋狀圖，藉由前後變形之干涉圖，即 可計算因剪切產生之表面位移。干涉條紋叢聚於裂縫尖端生成，以一黑一白為單 位，即可計算試體表面連續變形與不連續變形。Maji（1991） [24]假設 d 為試體 之表面位移，根據公式

2sin d n λ

= θ 計算，λ 為雷射光束之波長， n 為干涉條紋數，

θ 為雷射光束與試體法線之夾角，當θ 越大則干涉條紋之精度越高，就本研究而 言，兩組反射鏡與試體為等腰三角形，三角形高 110 cm，反射鏡距離 78cm，雷 射光入射角θ ＝17.56°，λ = 0.6328 μ m ，將上述參數代入公式

2sin d n λ

= θ ，可得 光學檢測系統之精度達微米尺度（10

m） 。

圖 3 ESPI 面內位移架設示意圖

3.3 試驗執行 1. 儀器校驗

為確保試驗中所得數據之正確性及精確度，於試驗前就各項試驗儀器與量測 設備分別作測試與校正。就 MTS 伺服加壓系統而言，壓力校正可由內部之校驗 法，將讀數值歸零後與內部電阻校驗值比較，確定其是否與 MTS 原機設定值相同 即可。另方面包括 MTS 油壓缸軸心及兩組之 LVDT 採用 Mitutoyo 出產之校正位移 應變計作軸向位移校正。而量測開裂變位（Crack Opening Displacement, COD）

之伸張儀（clip gage） ，則採用 MTS 之內部電壓校正方式進行校正。在聲射定位 之精確度校驗採用兩種方式校正，其一係採 ASTM E976-84 規範中建議之筆芯折 斷法，再者係利用超音波（ultrasonic pulse）量測材料內部之縱波（P-wave）

波速，配合理論公式推求橫波（S-wave）波速，並由試驗所擷取之聲射訊號中，

縱向壓力波與橫向剪力波的到達時間差作比對驗證擷取資料之正確性。

2. 試驗方法與量測方式 a. 試驗前準備階段

將準備好之試體表面清潔後，依照剪切位置以右手定則於試體表面繪製三維 座標系統及刻度，作為實驗進行中之觀測基準。由事前之初步測試可知石膏砂漿 試體約於剪切破裂面中央處可能產生初始張力裂縫，故在此處位置之兩側各設置 一不銹鋼夾片，其夾片間距為 5mm ，並以適量之環氧樹脂（epoxy）將夾片貼附 固定於試體表面，使開口位移控制夾片設置總長（gage length）約為 50 mm，

將其平放置於室溫 24 小時後，待環氧樹脂硬固達到工作強度後即可，作為試驗 時開口位移計之兩量測端夾住之固定片；夾片設置完成後，於試體表面標定聲射 感測器預定黏貼之座標位置並紀錄之；為了讓斜剪盒與試體間之摩擦力減少，放 置試體前須先將盒體表面與試體接觸面，均勻塗抹以硬酯酸與凡士林用 1：1 重 量比高溫調和所成之潤滑劑。

將上下半部剪切夾具架設於 MTS 加壓平台上，將準備完成之試體放入剪切夾 具中，開啟 MTS 伺服器及載入本研究所需排程系統，將衝程力量歸零再以手動 控制微接觸後，取適量之 hernon 123 黏膠，將正面及背面各四組聲射感測器黏 貼於劃定之座標位置後，架設開裂伸張儀（clip gage/extensometer）於不銹鋼 夾片上，並於上下半部剪切夾具各放置一支線性變化差異轉換儀（LVDT）並校正 歸零其讀數。同時確認聲射擷取系統其電源供應器電壓（28 瓦特）及電流（0.24 安培）是否穩定後開啟應用程式，執行聲射擷取應用程式，並進行筆芯折斷法波 形及定位之確認，以偵測及擷取聲射事件所產生之電壓差訊號。

b. 試驗進行階段

破壞性 MTS 伺服系統與非破壞性 AE 訊號擷取系統及 ESPI 影像擷取系統分 屬於兩台電腦主機中，因此在執行實驗程序前必須先行對兩台電腦之時間做校正 於同一時間軸上，以便讓三種試驗之時間參數為同一基準，方便作為後續分析時 間與空間、巨觀與微觀整合之比對。在執行正式試驗前需先測試試體之尖峰強 度，使試驗於尖峰強度前以便載入合理之設定，能有兩次加壓減壓曲線，並在斜 向剪切儀 X 軸與 Y 軸方向架設 LVDT，以求得試體破壞之位移，經由分析後可得 材料之膨脹角。試驗之加載排程於力量-變形行為屬彈性與部分塑性之試驗初期 階段，採用力量為控制訊號，即力量隨時間線性變化，而到超過其尖峰強度之百 分之七十時，轉換為開裂變位控制（crack opening displacement, COD） ；使用 COD 控制試驗之中後期加載歷程，可以避免裂縫於達到尖峰強度後快速開裂造成 強度突然大幅失穩下降之現象，這樣一來包含加解壓等加載排程在試驗執行中都 能完整掌握，並觀察於試驗前聲射訊號之初始、叢聚（localization）以及峰後 的試體外觀和破壞特徵，作為將來分析與比較結果的憑據。如此可如預期求得剪 切力與剪位移關係的完整加載歷程曲線，亦可繪得剪切力與 COD 之曲線，進而分 析不同剪切角度其曲線變化之特徵。

當試驗開始進行時兩種非破壞性檢測系統亦同步啟動，並即時觀測 AE 擷取

系統之訊號波形，若為雜訊所產生之事件，於進一步分析前需先刪除，把超過

7mV 電壓門檻值（threshold） ，且濾除雜訊後的每一個聲射訊號作紀錄，此訊號 即代表一個微裂縫產生，亦即感應器接收到 AE 發生（AE hits）之事件，故可 藉由 AE 訊號對材料缺陷進行預報、偵測與判斷，並評估材料內部破壞及劣化程 度，以達到安全檢測之目的。在此同時可同步記錄 ESPI 之干涉影像進而與 AE 發生事件做試驗過程中之現象比對。

當剪切試驗進行到 COD 變位達設定值或力量小於 0.2kN 時，即為本研究試驗 排程設定為結束之判別訊號，MTS 將不再擷取其排程所設定之命令，但此時 AE 訊號擷取系統及 ESPI 影像擷取系統仍然進行，且試體通常尚未全面延伸破縫，

為能求得完整的 AE 事件及 ESPI 影像隨裂縫開裂的完整發展歷程，需將 MTS 系統 調至手動控制加壓直至裂縫完全開裂，使 AE 擷取系統及 ESPI 影像仍持續紀錄，

並於最終完全破裂後完成紀錄作業。待試驗完全後取下表面之 AE 感應器，浸泡 於 hernon 14 溶劑中，溶解表面硬固之膠塊，待下回試驗再使用，而試體表面固 定 COD 之鐵片，取下並刮除其殘留的環氧樹脂，最後再將完全破裂之試體拼湊成 原來外型拍照記錄，本研究依此程序即可完成各種不同設定條件之斜剪試驗。

4. 試驗結果與分析

4.1.斜向剪切試驗之適用性與材料參數探討

本研究施作傳統直接剪力試驗採用之岩石直剪試驗機，其正向及側向油壓幫 浦均可輸出10 噸之最大輸出力。直剪盒分為上下直剪盒，尺寸內寬皆為75mm，

高度分別為 100mm 與 75mm 。試驗中所量測之數據經由訊號放大器擷取後，再 將訊號放大並傳入岩石直剪試驗機，試驗之數據可由電腦直接記錄。為配合直剪 盒尺寸，將寬 70mm 之純石膏立方試體先放入剪力盒中，剪力盒間預留約5mm之 間距，施加剪動速率為1.06mm / min下進行不同正向應力之直剪試驗。將試驗所 得之剪應力(τ)強度及正向應力(σ)強度，代入σ對應τ座標系統，求得 Mohr-Coulomb準則外視凝聚力(cohesion)（c）為3.35MPa及摩擦角(friction angle)（ψ）為24.4

。

此外施作斜向剪切試驗適用性分析之設備，是以展輝科技公司出產之小型

加載設備及其控制伺服器，油壓幫浦最大輸出荷重為10噸，試驗以預設最大荷重

為8192kg進行斜剪試驗。開盒式斜剪盒分為上下斜剪盒，尺寸內寬皆為70mm，高

度33.5mm。試驗以力量作為控制試驗之回饋訊號求得峰前之加載歷程及尖峰強

度，量測之數據經由控制伺服器擷取後顯示於電腦並直接紀錄。將寬70mm之立方

試體放入斜剪盒中，斜剪盒間預留約3mm之間距，施以加壓速率為2kg/sec進行不

同剪切角度之斜剪試驗，試驗所求得尖峰時之剪應力及正向應力，代入座標系統

求算Mohr-Coulomb準則參數，求得純石膏之外視凝聚力(cohesion)（c）為

3.53MPa，摩擦角(friction angle)（ψ）為29.1

。另外石膏砂漿試體之外視凝

聚力(cohesion)（c）為1.55MPa及摩擦角（ψ）為28.9

，其剪力強度較純石膏

試體略低。比較純石膏試體傳統直剪試驗與斜向剪切試驗結果及兩者剪力強度參 數，如圖 4 所示，可發現兩者外視凝聚力之值非常接近，外視摩擦角則略有差 異(<20%)。經比較發現由於斜剪盒間預留之間距及加載控制方式有所不同，此外 傳統直剪試驗在加載過程中正向應力為定值，而斜向剪切試驗在加載過程中正向 應力則是隨試驗進行中而逐漸變大，此種加載方式有利於裂紋閉鎖效應，造成斜 向剪切試驗剪力強度稍微偏高，由於本試驗材料採用相對屬於低強度的人造石膏 類岩，若觀察兩者於較低正向應力，於正向應力於 3.5 MPa 以下時其結果顯得 相當接近，由以上觀點印證斜向剪切試驗可適用於模擬傳統直剪試驗之剪力強度 行為。

0 2 4 6 8

0 1 2 3 4 5 6 7 8

σ（MPa）

τ （ MPa）

斜剪試驗 直剪試驗

圖4 直接剪力試驗與斜向剪切試驗剪力強度參數關係圖

為更進一步瞭解石膏及石膏砂漿材料彈塑性力學參數之基本性質，本研究 除完成斜向剪切試驗之適用性探討外，亦蒐集試驗材料之單壓試驗及巴西試驗強 度參數，整理出石膏及石膏砂漿之基本材料性質如表 1，根據 ISRM 地質材料強 度分類，本文所使用之配比石膏材料強度屬於弱岩(R2)及石膏砂漿材料強度屬甚 弱岩(R1)之範圍。

表 1 石膏及石膏砂基本材料性質 砂：石膏：水

(重量比)

楊氏模數

（MPa） 包松比 凝聚力

（MPa）

摩擦角

（°）

單位重

（t/m

）

單壓強度

（MPa）

拉力強度

（MPa）

0：1：0.6 3218.8 0.16 3.53 29.1° 1.51 10.3 2.34 3：1：0.9 - - 1.55 28.9° 2.15 4.1 0.92

c = 3.35 MPa

= 24.4

φ °

直剪試驗：

c = 3.53 MPa

= 29.1

φ °

：

斜向剪切試驗

4.2 斜剪試驗之巨觀破壞行為暨完整加載歷程

1.本文為探討斜向剪切試驗裂縫衍生之破壞型態，定義巨觀裂縫衍生方向 與剪切面夾角為 α，經試驗純石膏試體在變換不同剪切角度(θ)時 α 角之變化 情形，如圖 5 所示，當 θ＝45° 時、α ≒ 53°，θ＝60°時、α ≒ 32°，θ＝

75°時、α ≒ 28°。另一方面如圖 6 所示，石膏砂漿試體巨觀破壞裂縫衍生情形，

當 θ＝45°時、α ≒ 35°，θ＝60°時、α ≒ 25°，θ＝75°時、α ≒ 15°。

試驗結果顯示剪切角度越大時，由於加載於試體剪切面束制之正向應力分力相對 減少，破壞時之最大主應力方向與水平面之夾角變小，使得巨觀裂縫之 α 角隨 之變小，破壞行為越趨向於張力破壞，此現象與 Lajtai（1969）所證明岩石於 低正向應力時屬於張力破壞所提出之看法相符。基於此觀點，由於純石膏整體強 度明顯優於石膏砂漿試體之強度，因此純石膏斜向剪切試驗破壞時裂縫衍生角度 大於石膏砂漿試體裂縫衍生角度亦屬合理。

圖 5 純石膏試體在剪切角度分別為 a.θ＝45° b.θ＝60°c.θ＝75°時之巨觀 破壞情形

圖 6 石膏砂漿試體在剪切角度分別為 a.θ＝45° b.θ＝60°c.θ＝75°時之巨 觀破壞情形

2. 將純石膏試體在斜向剪切試驗過程中，以變換剪切角度(θ = 45°、

60° 、75°)記錄試體剪應力與剪位移之完整加載歷程關係，如圖 7 所示，由試驗

結果得知，於尖峰強度之前施作兩次解壓再壓排程求得滯後匝線，其平均斜率即

為產生單位剪力變形所需之剪應力定義為剪應力勁度(shear stress stiffness)

值 K

，介於 0.21 MPa/mm ~0.14 MPa/mm 之間，隨著剪切角度增加，破壞時之尖

峰剪應力與剪位移隨之下降，K

值也有降低之趨勢；若以加載過程之力學機制分

析其原因，加載之正向應力造成試體在剪切試驗過程中，形成束制張剪裂縫發生 與延展之圍束效應，當剪切角度 θ=45° 時為例，施加之正向應力與剪應力比為 1，在正向應力相對較大的情況下，所形成之束制效應對剪應力勁度 K

值之提昇 亦較顯著，況且本試驗隨加載時間增加正向應力亦隨之提高之情形下，此種束制 微裂縫行為將更有效增加剪應力勁度，因此造成不同剪切角度有不同之應力場，

而使得不同剪切角度有不同之剪應力勁度。

圖 7 純石膏試體於不同剪切角度之加載歷程 圖 8 石膏砂漿試體於不同剪切角度之加載歷程

圖 8 為石膏砂漿(GS) 變換剪切角度(θ = 45°、 60° 、75°)記錄試體剪應 力與剪位移之完整加載歷程關係圖，由圖可發現石膏砂漿試體勁度介於 K

＝0.20 MPa/mm ~0.15 MPa/mm，其值與純石膏試體勁度範圍大略相同。

3.本研究可求得剪應力與剪位移之完整加載歷程曲線，為求算材料之膨脹角

（ Dilatancy angle，ψ ） ，於斜向剪切儀之軸向及側向處各架設一支 LVDT，藉由三 角函數關係換算求得試體正向位移(v)及剪位移(u)，以剪切角度為 45°之石膏砂 漿試體為例，將數據繪製如圖 9 所示，依據 Yang （1998） ［25］指出

dy

= tan

ψ × dx ，

因此以正向位移與剪位移關係曲線中，峰後曲線之近似線性段斜率為膨脹角經計

算得 ψ＝ 11 ° ，或是 ψ=0.38 φ 之結果。

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

u (mm)

0 0.2 0.4 0.6 0.8

v (mm)

peak=(0.44,0.64) Ψ=11o

圖 9 石膏砂漿試體剪切角度為 45°時正向位移與剪位移之關係 4.3 加載歷程中非破壞檢測微觀裂隙衍化之耦合比對

將剪切應力 τ s 除以最大剪切應力定義為剪切加載比（Load Level ,LL）與 對應之剪位移（u）關係繪製出破壞加載歷程曲線，並將試驗中非破壞檢測微觀 之 AE 事件(AE event)發生次數累積値與相對應剪位移（u）繪製於同時間關係圖 系。如圖 10 以石膏砂漿試體剪切角度為 45°之試驗為例，圖中之實線為剪切試 驗之加載歷程，虛線為微觀之 AE 事件發生次數累積値與剪位移（u）之關係曲線，

實線上之每一圓點為一次 AE 事件之發生時點，其巨微觀曲線均採以相同剪切位 移之橫座標，左側縱座標為剪切加載比（LL） ，右側縱座標為 AE 事件累積値，由 試驗結果顯示，有部份石膏砂漿試體在尖峰強度後，會產生力量加載不穩與瞬間 解壓後再加壓之失穩現象，因此有部份試驗無法求得穩定之曲線。根據 Chen

（2002） 、林雍勝（2006） 、劉峵瑋（2007）等人所做之貫切試驗研究，定義叢聚

（localization）為 AE 事件急劇發生之現象，其發生位置與巨觀之初始裂縫衍 生有關，故監測叢聚現象之發生時機，進而對其微震裂源（seismic locations）

AE 事件作空間定位，即可得知初始裂縫可能衍生之位置。本文藉由 AE 事件發生

次數累積値與剪位移（u）關係中，將曲率明顯變化之前後近似直線段，作兩虛

擬線段相交於 L 點視為曲率變化轉折處， L 點對應至完整加載歷程之剪切加載

比約為 36%，可視為叢聚現象發生之時機，圖中亦可發現於峰前解壓再壓過程

中，AE 事件並沒有在該過程中發生，故本材料在此試驗條件下存在凱撒效應。

AE events (total)=1602

Dis - LL Dis - AE Events

AE Events

GS457

Shear displacement (mm)

Accumulation of AE event (count)

L

Load Level (%)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0 20 40 60 80 100

0 100 200 Peak 300

= 0.034 (MPa)

圖 10 石膏砂漿 θ＝45

之剪切加載歷程及對應之 AE 事件衍生累積圖 把試驗中擷取之 AE 訊號，藉由 AE 事件發生之空間位置繪製成 X-Y 平面圖，

並依各剪切加載比階段之時間序列繪製成圖 11 所示。由各階段之空間圖系觀

察，當剪切加載比 LL=0~30%之試驗初期，試體即受正向應力擠壓之束制，以力

學機制的角度而言，試體中央區域受到作用於模具上之正向應力和周圍材料圍束

效應之影響，此區域於試體內擁有相對較高之勁度條件。再加上剪切盒之剪切行

為本具有預設剪切面之設計，使得施加之剪應力作用於試體時，會往較高勁度之

中央區域分配的現象，造成 AE 事件於上方位置及沿上下剪切盒介面之中央位置

附近有明顯之 AE 事件訊號發生，隨著剪切加載比持續增加，AE 事件在該位置附

近不斷的產生，當 LL=30%~50%之間達到叢聚（LL=36%）時機之前後，於該位置

更顯著增加大量的 AE 事件。由 LL=70%~90%階段發現，除 AE 事件明顯由上方擠

壓破裂區與中央剪裂區快速增加外，此時可發現 AE 事件由剪切面之中央區域附

近逐漸往試體兩端之邊緣擴散， AE 事件於此時機形成向外散怖於整個剪切面之

狀況，此乃應力作用下試體在破壞前產生區域勁度調整的現象，並為初始開裂進

而造成裂縫衍生之前兆，另一方面從 ESPI 記錄之干涉影像結果觀察，初始裂縫

開裂亦是發生於尖峰剪力強度前之此一階段，且圖中 LL=0%~100%之 AE 事件，主

要分怖於上部剪力盒模具的邊緣與中央剪裂破壞區，此現象與巨觀裂縫延展趨勢

頗為一致，亦說明微觀裂縫造成巨觀裂衍之佐證，故由此證明裂縫開展前利用非

破壞性檢測可輔助研判岩體受剪破壞演化之機制。

圖 11 石膏砂漿剪切角度 45

於各剪切加載比階段 AE 事件之時間序列圖 圖 12 係石膏砂漿試體採剪切角度 45°，以 ESPI 記錄之結果為例，檢視干涉 條紋影像圖得知，於初始加壓 LL=0%~30%時，應力由上下剪力盒加載與傳遞於試 體上，其干涉影像如圖 12（a） ，顯示試體表面於上、下斜剪盒兩區間各呈現一 充滿盒體，且平行剪切面之均勻干涉條紋，接著 LL=30%~60%由圖 12（b）顯示於 AE 事件叢聚前後時機，由於斜剪盒之上側邊及下側邊同時施加剪切應力，造成 這組相切應力沿試體上側邊及下側邊邊緣傳遞形成些微變形之干涉影像，而試體 中央區域部份受力量傳遞路徑末端有變形遞延之效果，且此區域受圍束效應致使 相對勁度較高，因此可吸收並抵抗較高之能量，在干涉條紋影像形成上下反對稱 之＂太極＂圖像，此圖像意義與 AE 事件發展歷程所呈現現象相印，在應力持續 作用下造成變位量隨之增大，直至變形量大於試體所容忍之變形量，如圖 12（c）

所示，當 LL=82% 時於試體剪切面之上端邊緣產生第一道初始裂隙，如圖 12（d）

所示，其後於剪切面下端邊緣產生第二道裂隙，試體受剪作用後先由兩端產生初

始裂縫，繼續追蹤如圖 12（e）所示可得知，尖峰剪應力階段裂縫由邊緣處蔓延

至中央剪切面，如圖 12（f）所示，終於形成一道清晰可見之巨觀裂縫，最後將

此干涉影像，再與試體如圖 12（g）所示之破壞裂縫外觀比較，其結果相當一致 。

此破壞演化歷程在改變剪切角度後發現，初始裂縫產生位置均為試體剪切面邊

緣，初裂時機則發生在 LL=82%~86%之間，基本上初裂行為並不受剪切角度改變

之影響。因此本研究以斜向剪切試驗結合複合式非破壞檢測之設計，經驗證能充

分瞭解斜向剪切微裂隙發展趨勢。

圖 12 石膏砂漿在剪切角度為 45°時 ESPI 觀測微裂隙之時間演化

為了進一步探究剪切加載歷程中，材料弱面是否造成應力集中，並引發微震 裂源之暫發、再發、叢聚，乃至於初裂延展並逐漸擴展成脆性破壞之演化行為，

因而在石膏砂漿試體剪切面之其中一端邊緣處，施加長 10mm×寬 0.5mm×深 70mm 之人工預裂縫進行試驗，將預裂縫試體試驗之 AE 事件空間定位繪於 X-Y 平面圖 系中，如圖 13 所示，當試驗初期於預裂縫附近即發生 AE 事件，顯示弱面附近有 應力集中之初步徵兆，隨著剪切加載比的增加，AE 事件不斷地在該區域衍生，

並由預裂縫邊緣往中央位置延展，再由圖 14 觀之，其巨觀裂衍與 AE 事件微震裂

源發生位置頗為一致，亦說明微觀裂縫造成巨觀裂衍之佐證，另外造成巨觀破壞

裂縫稍有偏離剪切面中線之現象，代表試體在此受力狀態下，應是存在有張剪混

合破壞模式所致。在此同時利用 ESPI 監測演化過程，如圖 15（a）所示為初始

加壓階段，如圖 15（b）所示為試體加壓變形階段，由圖 15（c）所示條紋中斷

處得知，於預裂縫附近已產生第一道裂縫，如圖 15（d）所示為尖峰剪應力階段

情形，如圖 15（e）所示顯示裂縫持續延展，至圖 15（f）所示，可以看出試體

於變形持續增加後已造成明顯破壞之干涉影像，並將此 ESPI 最終影像結果，與 圖 15（g）所示之裂縫外觀圖比較裂縫走勢與位置幾近吻合無誤。再利用圖片處 理軟體 PhotoImpact，將 ESPI 影像及 AE 裂源與實際裂縫作一疊合，如圖 16 所 示，總體看來實際裂縫和 ESPI 影像及 AE 裂源趨勢相近，部份地方有些許差距經 分析其可能原因，乃 ESPI 影像為表面量測結果，而石膏砂漿試體表面易受力作 用後造成剝落現象，另 AE 裂源是收集內部微裂縫所產生的訊號，此面內與面外 空間的些微差異，即導致破壞後 ESPI 干涉影像與 AE 裂源繪製於平面之投影圖有 些許位置上的誤差。若要改善此現象日後可選用表面不易造成剝落之材料及改變 試體厚度著手，令 AE 內部聲源產生形成表面巨觀裂縫不受厚度影響，應可使 ESPI 與 AE 技術耦合誤差降低。

X-direction(mm)

Y-direction (mm) Y-direction (mm) Y-direction (mm) Y-direction (mm) Y-direction (mm)

Y-direction (mm) 0-100,(load level,%)

0-20,(load level,%) 20-40,(load level,%) 80-100,(load level,%)

X-direction(mm)

Y-direction (mm)

Y-direction (mm)

X-direction(mm)

PGS457 AE events

45⁰ LL,L =24%

LL at Localization ±^10%

0 20 40 60

-30 -20 -10 0 10 20 30

0 20 40 60

-30 -20 -10 0 10 20 30

0 20 40 60

-30 -20 -10 0 10 20 30

0 20 40 60

-30 -20 -10 0 10 20 30

0 20 40 60

-30 -20 -10 0 10 20 30

0 20 40 60

-30 -20 -10 0 10 20 30

0 20 40 60

-30 -20 -10 0 10 20 30

60-80,(load level,%) 40-60,(load level,%)

X-direction(mm)

圖 13 預裂縫之石膏砂漿剪切角度為 45

時各剪切加載比階段 AE 事件時間序列圖

0 10 20 30 40 50 60 70

-30 -20 -10 0 10 20 30

X-direction(mm)

Y-direction (mm)

圖 14 預裂縫之石膏砂漿 AE 事件微震裂源與巨觀裂衍之比對

圖 15 剪切角度 45°之預裂縫石膏砂漿（PGS457）之干涉條紋演化與實際裂縫

（a）實際裂縫 （b）人為辨識裂縫

（c）AE 疊合破壞試體 （d）ESPI 裂縫條紋

圖 16 非破壞檢測 ESPI 干涉條紋及 AE event 與實際裂縫之疊合圖

關於試驗值與數值解之驗證係利用 PFC2D 數值軟體模擬斜向剪切試驗，如圖 17 所示，以剪切角度 45°為例，紅色圖例為張力裂縫，黑色圖例為剪力裂縫，模 擬試驗其裂縫衍生，隨著變形增加，最終連成一道巨觀裂縫，其裂縫包含了張力 裂縫及剪力裂縫，由圖可看出巨觀裂縫成 α 角成長，與本試驗破壞型態相近。

圖 17 PFC2D 數值軟體模擬斜向剪切試驗（剪切角度 45°）

5.結論

（1）斜向剪切試驗經與直接剪力試驗比對純石膏強度結果得到驗証，直剪試驗 所得之強度參數 c＝3.35 MPa 及 φ ＝24.4°，斜剪試驗所得之強度參數為 c

＝3.53 MPa 及 φ ＝29.1°，於正向應力 3.5 MPa 以下兩者結果尤為近似，因 此覆土深度約 110 m 以下之岩材，使用斜剪試驗求取強度參數與直接剪力 試驗結果相近。

（2） 斜向剪切儀以開口式設計配搭相關非破壞檢測系統，可求得微觀破壞演化，

且能與其他加壓系統搭配施作方便，且傳統直接剪力試驗較難求得剪力試 驗峰後行為，斜向剪切儀與 MTS 系統搭配即能研究其峰後行為，進行解壓 加壓行為探討，為剪力試驗帶來新的研究方向。

（3）試體破壞模式與剪切角度有關，剪切角度越大時，由於加載於試體剪切面

束制之正向應力分力相對減少，破壞時之最大主應力方向與水平面之夾角

變小，使得巨觀裂縫之 α 角隨之變小，破壞行為越趨向於張力破壞。

（4）純石膏及石膏砂漿試體於尖峰強度前施作兩次解壓再壓動作求得匝線，其 平均斜率為剪應力勁度(shear stress stiffness)值 K

，試驗得知 K

介於 0.21 MPa/mm ~0.14 MPa/mm 之間，隨著剪切角度增加正向應力分力相對減 少，K

值有降低之趨勢，且破壞時之最大剪應力與剪位移也隨之下降。

（5）石膏砂漿試體採用剪切角度為 45°時試驗，將試體施作完成完整加載歷程，

取峰後之正向位移與剪位移關係，可求得石膏砂漿之膨脹角為 11°約 0.38 φ ^。

（6）改變不同剪切角度試驗證實，初始裂縫產生位置均為試體剪切面邊緣，再 向試體中央處延展演化直至試體破壞，初裂時機則發生在 LL=82%~86%之 間，基本上初裂行為並不受剪切角度改變之影響。

( 7）試驗初期於預裂縫附近即發生 AE 事件，隨著剪切加載比的增加，AE 事件不 斷地在該區域衍生，並由預裂縫邊緣往中央位置延展，顯示弱面附近有應 力集中造成破裂之初步徵兆。

( 8）將 ESPI 影像及 AE 裂源與實際裂縫作一疊合，總體看來實際裂縫和 ESPI 影 像及 AE 裂源趨勢相近，此為微觀裂縫造成巨觀裂衍之佐證，故由此證明裂 縫開展前利用非破壞性檢測可輔助研判岩體受剪破壞演化之機制。

(9) 利用 PFC2D 數值軟體模擬斜向剪切試驗，模擬試體裂縫衍生，隨著變形增 加，最終連成一道巨觀裂縫，其裂縫包含了張力裂縫及剪力裂縫，由分析 結果可看出巨觀裂縫成 α 角成長，與試驗破壞型態相近。

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21. 胡光宇， 「複合式非破壞檢測佐探類岩材料於單刀與雙刀貫切之破壞機制」 ， 碩士論文，國立台北科技大學土木工程所，台北（2007） 。

22.洪啟德， 「岩石之模擬材料與其直接剪力破壞模式之研究」 ，碩士論文，國立台 灣大學土木工程學系，台北 (1989)。

23.應傳智， 「人工軟弱岩石之研究」 ，碩士論文，國立台灣大學土木工程系，台北 (1995)。

24.Maji, A. K., Wang, J. L. and Lovato, J., "Electronic Speckle Pattern Interferometry for Fracture Mechanics Testing," Experimental

Techniques , Vol. 15, No. 3, p 19-23 (1991).

25. Yang, Z. Y., “ Qualitative study on the regularly stick-slip shear

behavior of ellipitical particles,＂ Tamkang Journal of Science and

Engineering , Vol 1, No. 1, pp.14-19 (1998).

出席國際學術會議心得報告

計畫編號 NSC 97-2221-E-011-101

計畫名稱

出國人員姓名

服務機關及職稱 陳堯中 國立台灣科技大學營建系 會議時間地點 2008/08/28~2008/08/30 中國大連

會議名稱 第七屆海峽兩岸隧道與地下工程學術及技術研討會 發表論文題目 卵礫石層隧道變形參數之最佳化回饋分析

第七屆海峽兩岸隧道與地下工程學術及技術研討會 會議報告

陳堯中 教授

一、前言

第七屆海峽兩岸隧道與地下工程學術及技術研討會暨海峽兩岸岩 土工程和地下工程青年科技研討會，由大陸之「中國岩石力學與工程 學會地下工程分會」主辦，由大陸之「中國土木工程學會隧道及地下 工程分會」、「中國土木工程學會土力學及岩土工程分會」、台灣之

「中華民國隧道協會」及「中華民國地工技術基金會」共同協辦，由

大連理工大學、山東大學、大連大學及東北大學共同承辦，於民國

97 年 8 月 28 日至 8 月 30 日在大陸遼寧省大連市召開，為兩岸隧

道工程界一年一度之盛會，兩次於大陸，一次於台灣，輪流主辦。台

灣代表團由國內產官學界一行共 49 人組成，大陸代表則有 160 人。

本次研討會會議分為特邀報告與專題報告二大部分：第一天上午為 開幕式、貴賓致詞及特邀報告，下午為特邀報告；第二天分成兩個會 場，進行專題報告。開幕式分別由大陸代表「中國土木工程學會隧道 及地下工程分會」理事長郭陜雲教授及台灣代表「中華民國隧道協會」

前任理事長黃燦輝教授致詞。

二、會議經過及與會心得

本次特邀報告邀請兩岸隧道工程界之專家、學者，分別有王夢恕院 士講述「大陸海底隧道發展現況和技術難題」、吳福祥教授講述「台 灣高速鐵路建設之新紀錄」 、張頂立教授講述「海底隧道難點分析」、

高宗正總工程司講述「冷凍工法之風險管理暨施工案例探討」、郭小 紅先生講述「廈門海底隧道建設關鍵技術及對我國跨海峽隧道的展 望」等共 15 位主講，本人亦受邀演講「卵礫石層隧道變形參數之最 佳化回饋分析 」 。其中王夢恕院士演講內容頗有參考價值，茲概述如 下：

大陸海底隧道發展現況和技術難題（王夢恕）

王夢恕院士首先介紹了世界四大海底隧道：(1)日本青函隧道，(2)

英法海底隧道，(3)丹麥斯多貝爾特大海峽隧道，(4)日本東京灣隧道，

其基本資料及相關數據如表 1 所示。目前修建海底隧道之方式有：

鑽炸法、沉埋管法、TBM 法、潛盾機法等四種，需視隧道長度、地 質狀況、地形條件、氣象及海象等綜合評估以選用適宜之施工方式，

各施工方式之關鍵技術說明如下：

鑽炸法施工之關鍵技術為穿越斷層破碎帶之施工，可採用強行穿越 法、灌漿法、冰凍工法或其他輔助工法；而沉埋管法較適用於海底地 形平坦、水深及跨度不大之情況，其關鍵技術為管段製作與裝配、基 礎處理、管段沉放、管段聯結、防水技術等；TBM 法之關鍵技術為 鑽掘機定制、超前地質鑽探、局部降水、定向測量、隧道襯砌等；另 潛盾機法之關鍵技術則為潛盾機的選擇、開挖面之穩定、防水技術、

隧道襯砌以及背填灌漿等。

表 1 世界四大海底隧道基本資料表

目前大陸興建中的海底隧道工程有 2 處，分別為(1)廈門翔安海底 隧道(L=8.7km)；(2)青島膠州灣海底隧道(L=6.2km)。而擬興建或規劃 中的海底隧道工程則有 5 個，分別為(1)瓊州海峽海底鐵路隧道 (L=34km)；(2)港珠澳伶仃洋大通道(L=36km)；(3)台灣海峽海底隧道 (L=120km)；(4)大連至煙台海底鐵路隧道(L=110km)；(5)大連市區海 灣海底隧道(L=9km)，詳見圖 1。

圖 1 中國大陸興建中及規劃中之海底隧道

王院士特別提到台灣海峽隧道之興建構想及可能遭遇之問題：

1. 採用鐵路隧道方案是合理的

過去所興建之數條長大海底隧道皆為鐵路隧道：

(1) 1940 日本之關門海峽隧道，長度 3.6km，採盾構法施工。

(2) 1975 日本關門海峽隧道，長度 18.7km，採鑽炸法施工。

(3) 1988 日本津輕海峽之青函隧道，長度 53.8km，採鑽炸法施工。

(4) 1994 英法海峽隧道，長度 50.5km，採 TBM 施工。

大於 20km 皆為鐵路隧道，以電力牽引，汽車坐火車通過海峽。

2. 海峽隧道斷面設計

(1) 雙洞單線：以利施工及通風，可採巷道式射流通風。

(2) 出渣用大容量電力機車牽引，或皮帶輸送機（歐美之趨勢，每 單元可長達 15km）。

(3) 鐵路運營速度採用 200km/hr，淨空斷面積 53m

。

3. 施工方法

(1) 國際間採用鑽炸法施工之隧道佔 90%，鑽炸法最便宜，TBM 及 盾構法次之，沉管法最貴。

(2) 最佳襯砌方式為複合式襯砌，其次為管片加二次襯砌。

(3) 參考青函隧道之超前疏水導坑排水方法，有利提前排水及主坑 施工。

(4) 水下最小埋深：TBM 為 1.5~2D，鑽炸法為 2~3D，盾構法為 1D。

(5) 穿越硬岩採 TBM，斷層軟弱帶採 D&B，雙盾式 TBM 僅適用於

安定、良好地質，開放式 TBM 適用於硬岩也適用於軟岩（用 於大伙房 87km 隧道施工）。

4. 有許多跨海跨河隧道正在興建或規劃中。

5. 理念更新

(1) 要留下遺產，而不是遺憾。

(2) 要少擾民、環保。

(3) 過江過海隧道比橋樑好：航運佳，佔地少，天氣影響小，抵抗 地震佳，易與兩端相接形成路網。

(4) 過江過海宜疏不宜集，多點過江。

6. 關鍵重大技術 (1) 位置選擇 (2) 地質探勘 (3) 埋深 (4) 施工法 (5) 合理規模

王院士介紹了目前大陸方面蓬勃發展的過江過海隧道興建計畫、構

想、設計理念與施工方法，反觀台灣目前僅有高雄港過港隧道(沉埋

管法)及核四龍門循環冷卻水出水道(潛盾機法)等設計及施工經驗；兩

相對照，令人唏噓，不到十年時間，大陸各項工程建設已迎頭趕上，

甚且超過台灣。值得台灣各界深思，如何提振台灣經濟，加強建設美 麗寶島。

三、特邀報告

本人受邀於大會中進行特邀報告「卵礫石層隧道變形參數之最佳化 回饋分析」，報告內容主要為：以三義一號淺覆蓋卵礫石層隧道上半 斷面開挖之監測資料為依據，利用三維數值分析程式 FLAC-3D 模擬 現場分階開挖施工情形，採用單一搜尋法進行岩體參數最佳化回饋分 析。分析結果顯示，依本文建議之最佳化回饋分析方法得到之岩體參 數再進行台階開挖分析，所得之位移數值與現場監測值相當吻合，顯 示採用的數值分析架構與模式之合理性；本文所得之三義一號卵礫石 層變形模數約為 22MP

，靜止側向土壓力係數約為 1.27。此外，數值 分析所得之變形曲線經正規化分析後顯示開挖面頂拱處之前期變形 量百分比約為 56~68%，水平內空收斂之前期變形量百分比約為

53~57%，與現場監測所得之地表沉陷前期變形量百分比 36~64%甚為 接近。

四、攜回資料

論文集及光碟片