以非破壞聲、光學耦合試驗暨數值模擬研探類岩材料於斜向剪切試驗之破壞演化與特徵參數

(1)

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

以非破壞聲、光學耦合試驗暨數值模擬研探類岩材料於斜向剪切試驗之破壞演化與特徵參數

研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 98-2221-E-011-111-

執行期間： 98 年 08 月 01 日至 99 年 10 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：林佑珊碩士班研究生-兼任助理人員：彭國維

博士班研究生-兼任助理人員：劉&amp；#23797；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 100 年 01 月 12 日

(2)

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

以非破壞聲、光學耦合試驗

研探類岩材料於斜向剪切試驗之破壞演化與特徵參數

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫計畫編號：NSC 98－2221－E－011－111－

執行期間：98 年 08 月 01 日至 99 年 10 月 31 日執行機構及系所：國立台灣科技大學營建工程所

計畫主持人：陳堯中共同主持人：

計畫參與人員：劉峵瑋、彭國維、林佑珊

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

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

□出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：除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

中華民國一百年元月一日

(3)

摘要

近年來台灣天災頻傳，每當震災與風災來臨，隧道安全與邊坡穩定性便備受考驗，此外，由於台灣岩盤多屬含弱面之岩體，難以均質、彈-塑行為之假設研析，且目前台灣隧道工程與邊坡整治之規劃，其規模與難度有日益增加之趨勢，以過去經驗應付之，實有不足。有鑑於此，本研究選擇不同應力場，針對單壓、斜向剪切破壞之應力路徑，模擬不同尺度室內破壞實驗，並從「微觀」破壞機制，探尋擬脆性岩材於不同應力場下之破壞行為與完整加載歷程關係。然而，傳統直接剪力設備，將試體置於閉合式剪力盒中，僅能得巨觀強度參數，卻難結合非破壞檢測技術去觀察材料內之微觀破壞演化，因此，本研究自行研發斜向剪切試驗儀，將其剪力盒開口，即可與聲射技術搭配使用，以利對材料巨、微觀破壞作監測。

岩石開裂之基本受力行為以張力及剪力破壞居多，本研究以斜向剪切儀改良直接剪力試驗，

藉由改變：（1）材料內部顆粒大小；（2）外部幾何之預裂有無；（3）剪切角度等變數，採裂縫開口位移控制求得完整加載歷程，結合非破壞聲射技術（AE）與電子斑紋干涉術（ESPI）之互制關係為研究主軸，研析岩石受剪作用下之「內部微觀」與「外部巨觀」破壞機制，探尋類岩材料之破壞行為與歷程關係。

關鍵字：斜向剪切試驗、聲射技術、電子斑紋干涉術、叢聚、破壞演化。

1. 前言

為了探求類岩於不同應力路徑作用下之力學行為，本研究以非破壞性檢測技術，探求材料「內部」缺陷分布之聲射定位技術藉以探求內部裂縫開衍對「外部」破壞行為之影響，探尋巨、微觀參數之合理性及正確性，如此俾能將岩石受壓、剪之加載全程破壞演化作一研析，此外，針對該岩石「破壞性試驗」，本研究更結合聲（聲射，AE）、光（電子斑紋干涉術，ESPI 與雲紋干涉術，

MI）之非破壞檢測技術，藉以研析岩石受不同應力作用下之微觀破壞機制與此三種非破壞性檢測之適切性，進而釐清隧道與邊坡開挖受壓、剪破壞之工程問題，希冀於未來透過此「微觀」科學研究可作為「巨觀」工程破壞機制行為之參佐。

2. 文獻回顧

2.1 斜剪試驗之沿革與應用

以往傳統直剪試驗大多著眼於岩石或土壤之抗剪強度與基本參數（c、），而針對其破壞形態 Lajtai（1969）於研究直剪試驗之破裂史後指出，在低應力作用下，初始裂縫與剪動面形成 θ 角，隨剪位移之增加，將產生新裂縫；前者代表張裂縫（tension gash）；後者通常是剪裂縫。剪裂縫連接張裂縫形成連續破裂面。如果正向力很大，則剪力持續增加，將消除這些不規則裂縫，

而成剪裂帶（shear zone）。而隨正向力的增加，控制破壞型態依序分別為張力破壞、剪力破壞、

極限強度破壞（failure in ultimate strength），故比較三軸試驗與直接剪力試驗，其最大差別在於破壞型態之不同。時至今日，剪切試驗方法已發展成多種類型，如單面剪力試驗、雙面剪力試驗、

扭轉剪力試驗與變角式剪力試驗等，其中又以變角剪切試驗於近年陸續有相關期刊論文發表，雖直剪試驗演變至今已有眾多之試驗方法且不乏具突破性之研究成果，但整體觀之，大部份仍停滯於在巨觀世界下探討岩石受剪行為（圖 1）；若論及材料幾何與其破壞形態之發展，對內部微裂縫開裂至影響外在破壞行為之過程，仍有其研究上待突破之處。因此，為能進一步探求新穎之領域，

欲從微觀處著眼岩石受剪之力學行為，傳統之直剪試驗勢必須輔以非破壞性檢測技術，方能達此目的。此斜向剪切試驗儀係利用齒輪絞合原理，能變換力量所施加之角度，且僅需由上方施以加載即能提供所需之正向力與剪力，相較於傳統直剪試驗儀須分別施加之限制，不但操作更為簡便，

同時也能減少因力量施加所產生之誤差。Lajtai（1969）整合了最大主應力理論（maximum principle

(4)

stress theory）、Eveling（1964）剪力曲線及 Coulomb（1776）準則，提出岩石剪力試驗破壞型態分成三種型態-張力破壞、剪力破壞及極限強度破壞。

2.2 聲射技術之發展（Acoustic Emission, AE）

依 ASTM E610-82 對聲射定義：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。聲射法主要針對為數眾多微小能量釋放的微震裂源

（microseismic sources）進行探索，其微震裂源即為微小裂縫發生處。藉由到達時間差定位法

（arrival time difference method），可對微觀裂源發生時機之研判與其空間定位之推估。

根據到達時間差定位法，於三維空間之聲射定位（圖 2），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

（i=2~n）為已知，則依三維空間距離計算，距離等於 P 波速度乘以時間差，可列出式（1）和（2）：

^R_i ^ ⁽ ^x^ ^x_i²⁾ ^⁽ ^y^ _i^y²⁾ ^⁽ ^z^_i²^z

（1）

⁾

^R _i ^ ^R ₁ ^ ^V ^{ } _i ^t ^ ^ （i = 2 ~ n）（2） _i 其中，R

i

= AE 事件至第 i 個感應器的距離

V =材料中之 AE 波傳速度 

_i

= 統計之殘差值

從公式得知，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。

圖 1 固態材料（岩石、混凝土等）

於應力場之峰後破壞行為分類（Wawersik, 1968）

圖2 聲射定位法則之到達時間差法之三維空間定位

2.4 電子斑紋干涉術（Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI）

Hopkins（1970）指出，當高同調性光源照射物體表面時，光源波長遠小於受測物之表面變

化，光即會散射形成光學粗糙面，於受測物表面互相干涉形成雜亂之光強分佈，產生相對應之暗

點與光點，此狀稱為斑點效應。電子斑紋干涉系統可分為兩大量測系統，面內位移系統為量測平

行於試體表面之位移變形量，面外位移系統為量測垂直於試體表面之位移變形量，若將兩大系統

結合建置，即可求得試體三度空間之位移變形量。本研究僅以面內位移系統量測試體表面之位移

變形量，其儀器架設示意如圖 3。電子斑紋干涉術即是根據此光學特性進行量測，因物體表面產

生位移時，其斑點會隨之變化，如圖 4 所示，A、B 點為光源，O、P 點為照射點，當試體產生面

內位移時，其 O 點位移至 P 點，光距因照射角度改變而增長，如 BO 增長至 BP，反之 AO 縮減

至AP，因光距改變，干涉條紋也隨之變化，故可利用干涉條紋因光距改變而變化之特性，計算受

測物表面之面內位移。

(5)

圖3 本研究ESPI面內位移架設示意圖圖4 試體面內一維位移示意圖 2.5 雲紋干涉術（ Moiré Interferometry, MI）

雲紋干涉技術，實源自於數百年前，法國絲綢工人發現兩塊薄絲綢疊合後，使上下兩層之經緯線交錯，在日光照射下會產生花紋，當兩絲綢相互移動時，花紋也跟著晃動、變化，時至西元 1874 年，英國人 Lord Rayleigh 提出利用此種疊紋現象可用來量測物體的變形量，其稱此干涉條紋為雲紋（Moiré Fringes）利用光柵的雲紋測量位移，需要兩個光柵，一個光柵與移動物件相連一起移動（試體柵），另一個光柵固定不動（參考柵），兩光柵因此產生相對位移，再加上物理光學的繞射（diffracted）原理與干涉現象（interference），即所稱之雲紋干涉技術（圖 5(a)），量測儀器架設如圖 5(b)所示。

(a) (b)

圖 5 (a) 雲紋干涉條紋、(b) 儀器架設示意圖（謝昌中，2001）

3. 試驗材料和設備

3.1 試驗材料

斜剪試驗材料採用水泥砂漿試體，固定水膠比為 0.35，並搭配角狀石英砂與標準砂（C190），分取粒徑為 1.5、0.9 與 0.5mm，且均使用黃氏富勒緻密配比作為本研究之試驗材料。從文獻指出，

不同材料之組構及性質會反應出其材料特徵，則材料組成之粒徑與 AE 事件之分佈相關，故不同粒徑尺寸之類岩材料，AE 事件之分佈與試體中的最大顆粒粒徑有關聯性。（Chen and Labuz, 2006）

3.2 試驗設備建置(斜剪試驗設備與壓力系統)

鑒於傳統直接剪力試驗無法結合非破壞檢測，故研發製作出斜向剪切儀（圖 6），僅需單一上方軸向加載即能獲得同於傳統直接剪力試驗之正向力與側向剪力，藉由開盒式之構思主軸，搭配不同角度變換與滾軸設計，在開口兩側可於試體上設置非破壞檢測設備（圖 7），因此可得材料受剪切之微、巨觀破壞演化。

本研究採用多功能、精密及勁度高之伺服控制油壓試驗系統 MTS 810，並藉由環狀應變計作為回饋與量測方能得到完整加載歷程曲線。

試體氦-氖雷射光空間濾波器

多模光纖受測區

電腦

θ 變角光纖架設桿

剪切角度 CCD鏡頭

(6)

3.3 試驗方法

本研究以斜剪儀（以下為斜向剪切儀之簡稱）進行斜剪破壞試驗，單，佐以同步化非破壞檢測技術（AE 與 ESPI）之耦合，類岩受剪後完整之破壞行為與演化，藉由不同剪切角度（65、70

與 80）、粒料(形狀與粒徑)與與預裂縫（扁與圓形），探討其不同之巨觀破壞行為與微觀破裂機制，

此外，於斜剪試驗藉由高精度之 ESPI 來研析雲紋干涉術之未來現場適用性。

圖6 斜向剪切儀(可變角) 圖 7 剪切夾具裝置於 MTS 試驗系統

4. 試驗結果與分析

4.1 顆粒幾何形狀與剪切角度對斜剪試驗之力學特性 4.1.1 顆粒幾何形狀對加載歷程巨觀之影響

以標準砂 C190 與矽砂 302 兩者均採均勻粒徑 0.9mm 於斜剪試驗中，利用求得之尖峰時最大剪應力與正向應力，以 Mohr-Coulomb 準則，可知標準砂 C190 與矽砂 302 （圖 8，藍線與紅線）

之凝聚力（c）約為 4.46 與 4.59 MPa，摩擦角（ψ）約為 60°與 59.9°。觀察圖 7 得知，其凝聚力與摩擦角結果極近，即印證矽砂 302 可取代標準砂 C190 之適切性。已知相同粒徑之圓球狀與角狀砂之巨觀性質，可深入探討不同粒徑大小粒料於加載歷程之影響，以矽砂 302（0.6mm）為基準，加入粗砂 301（1.2mm）與細砂 303（0.3mm），其加載歷程如圖 9，可窺知其規律，顆粒愈大與粒形越不規則其尖峰剪應力愈大，極可能為顆粒間互鎖效應之顯著。

0 5 10 15 20 25

0 2 4 6 8 10 12

剪應力

τ ( MP a )

正向應力σ (MPa)

角狀砂(302) C=4.59 ψ=59.9∘

圓球狀砂(C190) C=4.46 ψ=60∘

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

u (mm) 0

2 4 6 8 10 12 14 16

 (MPa)

IS70_A15-NC IS70_A09-NC IS70_A05-NC

0.5 mm 0.9 mm 1.5 mm

圖 8 圓球狀砂、角狀砂比對圖圖9 水泥砂漿試體於不同粒徑之完整加載曲線 4.1.2 剪切角度對加載歷程巨觀之影響

標準砂 C190 均勻粒徑 0.9mm 試體於不同剪切角度下進行剪切試驗，其尖峰剪應力隨角度增

加而降低（21~6 MPa），主要係對應之正向應力較小所致，同樣地，切向勁度（K

s

）亦有相同之

現象（43~30 MPa/mm）（圖 10）。

(7)

4.1.3 預裂縫分佈對加載歷程巨觀之影響

於相同剪切角度 70°下，標準砂 C190 均勻粒徑 0.9mm 試體預裂型態之試驗結果（圖 11），板形尖峰剪應力稍弱於圓孔形尖峰剪應力，原因為板形預裂縫試體應力較容易集中於板形兩端，而圓孔形預裂縫因形狀所致，應力不易集中於圓孔周圍，較易應力集中之試體尖峰剪應力較低。

4.1.4 斜向剪切試驗之粗糙角

依據 Barton（1971）利用正切函數，求取峰後一線性斜率即為粗糙角 i  tan

^-¹

(  y  x ) （圖 12），

試驗結果粗糙角 i （12~20）隨剪切角 β（50~75）增加，因正向應力隨之減少，正向位移（膨脹量）相對增加，則 i 才會隨著 β 的增加而增加之趨勢。

4.2 剪切角度與內部幾何形狀對類岩材料之巨、微觀破壞行為 4.2.1 以聲射技術（AE）研析材料「內部」之「微觀」破壞行為

(1). 顆粒幾何形狀對微震裂源（AE）與加載歷程之影響

叢聚時機（LL,

_L

）乃為 AE 事件即將進入劇烈發生之時機點（亦可稱為起始點），藉由 AE 事件累積與正規化剪位移百分比之曲線中（圖 13），可發現斜率較緩與斜率較陡之兩漸近線中存在一過渡區域，於此區域內對應其 AE 累積曲線之 LL（Loading level）處，並配合 AE 事件空間系列分佈圖（圖 14）兩者交互比對，即可找出叢聚之時機。

(2). 剪切角度對微震裂源（AE）與加載歷程之影響

標準砂 C190 剪角 65°叢聚為 53%，剪角 70°叢聚為 59%，剪角 80°叢聚為 64%，剪切角愈大，叢聚加載比愈大，叢聚時機愈晚發生。剪切角增加，AE 事件有降低之趨勢（圖 15、16 與 17）

(3). 預裂縫對微震裂源（AE）與加載歷程之影響

板形預裂縫兩端較易產生應力集中，叢聚時機較早，圓孔形預裂縫因形狀所致較不易產生應力集中之現象，叢聚時機較晚。AE 事件之產生，乃透過微裂源聲射訊號之傳遞，受預裂縫之影響，預裂縫另一端之訊號不易傳至 1 號 sensor（trigger），造成 AE 事件數量較少。

Ksb=43.80 (MPa/mm) Ksb=42.81

Ksb=29.84

Peak=13.41 (MPa) Peak=21.35

Peak=6.25

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 5 10 15 20

u ( m m )

(MPa)

IS65_R09-NC IS70_R09-NC IS80_R09-NC

Ks=33.64 (MPa/mm)

Ks=30.5

Ks=37.26

Peak=14.39 (MPa)

Peak=10.27 Peak=11.29

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 4 8 12 16

u(mm)

(MPa)

IS70_R09-NC IS70_R09-PCP IS70_R09-PCC

圖 10 不同角度之切向應力與位移關係圖 11 預裂縫有無之切向應力與位移關係

(8)

i=19.8∘

i=7.6∘

i=11.7∘

11.7°

7.6°

19.8°

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 1 2 3 4

Normal displacement,v (mm)

Shear displacement,u (mm)

IS65_R09-NC IS70_R09-NC IS80_R09-NC

LL=59%

0 20 40 60 80 100

0 100 200 300

Accumulation of AE events (unit)

NormalizedShear Displacement(%)

Load level(%)

IS70_R09-NC,990521

Dis - LL Dis - AE Events AE Events

AE events (total)=2920 Effective AE events=980 Prepeak AE events=339

Peak=13.41(MPa)

圖 12 正向位移與剪位移之粗糙角 i 之求算關係圖 13 剪角 70°之斜剪加載歷程之 AE 事件時間分佈 4.2.2 以電子斑紋干涉術（ESPI）研析材料「外部」之「巨觀」破壞演化

(1). 剪切角度對巨觀裂縫之空間演化

剪切試驗過程中同步化施作非破壞檢測之一，ESPI。試驗過程中，可即時記錄干涉條紋，

經由影像後處理，可得巨觀裂縫之時、空間圖系。以剪角 65°與 80°（圖 18、19 與 20）之水泥砂漿試體為例，受剪之初，斑點互相干涉並產生條紋，初始干涉條紋呈相互平行狀態，隨著時間的增加，試體受力逐漸增加，此時條紋開始變形彎曲；當力量持續加載，干涉條紋出現變形不連續處，即為初裂發生處，由 ESPI 觀察中得到剪角 65°與 80°初裂皆約略發生於試體中央處，

剪角 65°真正導致試體破壞的裂縫為第二條裂縫，剪角 80°中，剪動試體破壞之主要裂縫為第一條裂縫；觀察兩者巨觀裂縫，發現剪角 65°屬於壓-剪破壞，將 ESPI 干涉得到的裂縫發生位置與試體破壞後之試體破壞結果作比對，其結果相當一致。

0-50 (load level %)

Y direction (mm) 0 20 40 60

X direction (mm)

-30 -20 -10 0 10 20 30

50-60 (load level %)

0 20 40 60 -30 -20 -10 0 10 20 30

Y direction (mm) 0 20 40 60

X direction (mm)

-30 -20 -10 0 10 20 30

LL,^L +5 %

0 20 40 60 -30 -20 -10 0 10 20 30

IS70_R09-NC + AE events

LL,L =59%

70^O Y direction

X direction

LL,L -5 %

0 20 40 60 -30 -20 -10 0 10 20 30

圖 14 剪角 70°C190 之斜剪加載歷程之 AE 事件空間分佈

(9)

Particle size (mm)

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Effective events

2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800

Angular shape

Shear angle

68 70 72 74 76 78 80 82

Effective events

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Rounded shape Angular shape

Shear angle

64 66 68 70 72 74 76 78 80 82

Effective events

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Rounded shape

圖 15 粒徑與 AE 事件之關係圖 16 粒形與剪切角 AE 事件之關係圖 17 剪切角與 AE 事件之關係 (2). 剪角度微觀裂隙之時間演化

將完整加載歷程之橫縱座標軸正規化，並於加載百分比曲線之五個階段加入干涉條紋影像，

分別為第一、二次解壓、初始裂縫，剪應力尖峰、巨觀裂縫形成，以剪角 65°與 80°（圖 18、

19 與 20）之無裂縫試體為例，於第 1 次及第 2 次解壓再壓過程中 ESPI 條紋呈現不穩定狀態，

直至再壓超過解壓點時，條紋再次累積，初始裂縫產生後， ESPI 條紋有錯開現象，最後微裂隙貫穿，形成一道巨觀裂縫，觀察兩者初裂時機，發現剪角 65°較 80°要早初裂，但實驗組數不多，故需多些組數後，再推測原因。

(1)應力加載初期(LL=18%) (2)試體變形階段(LL=48%) （3）初裂位置(LL=62%)

(4)初衍階段一(LL=99 %) (5)初衍階段二(LL=56 %峰後) (6)實際裂縫圖18 ESPI檢測剪角65°破壞演化之裂縫生、衍歷程圖

(1)應力加載初期(LL=23%) (2)試體變形階段(LL=90%) （3）初裂位置(LL=99%)

(4)初衍階段一(LL=99 %) (5)初衍階段二(LL=77 %峰後) (6)實際裂縫

圖19 ESPI檢測剪角80°破壞演化之裂縫生、衍歷程圖

(10)

0 20 40 60 80 100 120 Normalized Shear Displacement (%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Load Level (%)

IS80_R06-NC

(1)

(1) (2)

(2)

(3)

(4)

(5)

80°

第一次解壓再壓第二次解壓

再壓

初裂時機 Peak

LL,i=99% 9

(a) 65° (b) 80°

圖20 ESPI檢測於不同剪角之微裂隙時間演化 4.4 非破壞檢測（AE、ESPI 與 MI）之適用性

本研究透過在實驗室尺度之斜剪試驗，以高精度之 ESPI 研析機械式雲紋干涉術（MI）運用到現場尺度之適切性，並耦合聲射法（AE）研析材料內、外破壞演化。於 LL≒45~60%時（圖 21(a)），

於試體外部之 MI 條紋，和受力方向約為水平，且約略開始平行集中於中央帶（1/3 試體高），表示試體受力狀況漸漸的集中到中央帶之區域，比較 ESPI 也有此現象；比較 AE 裂源訊號，當試體外部顯示力量開始終於中央帶的時候，事實上在試體內部，微裂縫已經開始集中於某一個最大應力點，稱為裂縫叢聚現象；微裂縫也分布在試體中央帶的區域。隨著力量增加來到 LL≒80~100%

時（圖 21(b)），試體外部之 MI 條紋以密集集中於試體的中央區形成一個貓眼狀，表示試體在此區域快速的大量累積變形，也代表著初始裂縫會發生在這一個區域，再比對 ESPI 影像，發現條紋已經集中在裂縫發生處，再比對 AE 裂源訊號，則微裂縫大量的集中在試體中央位置，更加確定初始裂縫確實是發生在試體中央處，由 MI、ESPI 與 AE 兩種光學一種聲學之非破壞性檢測，

都顯示從加載初期，乃至於初裂發生，最終到試體破壞，此三種非破壞檢測裡應外合、分進合擊，

均得合切之相互印證。在試體外部部分，Moiré 與 ESPI，雖 MI 為機械式光學非破壞檢測精度低於 ESPI，但比對實驗室尺度之 MI 與 ESPI 結果得相當之適切性；在 AE 與 MI、ESPI 比較，由內至外微裂縫發生的位置均與試體外部對應一致。以種 AE 與 ESPI 來印證 MI 之合切性，則 MI 未來可搭配 AE 技術於現場尺度之應用。

0 40 80 120

Normalized Shear Displacement (%) 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Load Level (%)

IS65_R06-NC

(1)

(1) (2)

(3) (2)

(3)

(4)

(5)

65°

第一次解壓再壓

第二次解壓再壓

初裂時機

Peak

LL,i=62%

9

(11)

70°

LL≒56 %

70°

LL≒58 %

LL≒40~60 % (a)

70°

LL=93%

(Moiré)

70°

LL=90%

(ESPI)

LL=80~100%

(AE) (b) 圖 21 斜剪試驗（70°）與非破壞檢測之疊合比對

5. 結論

本試驗分別以兩種應力路徑單壓試驗及斜向剪切試驗耦合聲、光非破壞檢測技術，觀察試體受到不同應力路徑下之巨觀破壞行為演化，並輔以非破壞檢測之光學檢測技術觀察材料表面之破壞特徵，及聲射法探求材料內部微裂隙之演化，由外而內耦合兩項非破壞檢測技術對材料巨微觀之破壞行為進行相關之探討驗證。

5.1 斜向剪切試驗之力學特性

1. 藉由標準砂（C190）與角狀砂（302）之巨觀結果，不論粒徑形狀變化，尖峰強度並無顯著的差別，則角狀砂可取代標準砂於實驗上運用。

2. 試體內部顆粒材粒徑越大，其尖峰剪應力 τ

s

越大，內部顆粒受互鎖效應影響。

3. 剪切角 β 越大，其尖峰剪應力 τ

s

越小，勁度 K

_s

越小，相對粗糙角 i 越大，剪切角度越小，正向應力越大，破壞模式為壓-剪破壞，因此有表面剝落（面外位移）現象產生。

4. 無預裂縫試體 τ

s

大於預裂縫試體 τ

s

，圓孔形預裂縫試體 τ

s

大於板形預裂縫試體 τ

s

。 5.2 斜向剪切試驗之巨、微觀破壞行為

1. AE 事件之叢聚皆發生於試體中央處，逐漸向兩端衍生，與巨觀裂縫相符（由 ESPI 求得）。 2. 剪切角由 65°增至 80°後，試體之叢聚加載比 LL,

L

越大，AE 事件越少。此外，初裂時機由

LL,

i

=62％變為 LL,

i

=99%，初裂時機隨剪切角增加而變晚。

3. 圓孔形預裂縫試體之叢聚加載比 LL,

_L

大於板形預裂縫試體之 LL,

_L

。

(12)

5.3 非破壞檢測（MI、ESPI 與 AE）之適用性

1. 首次將聲光三種非破壞檢測用於斜向剪切試驗中。

2. 從光學之 MI 觀察，在 LL≒45~60%間時，試體外部變形趨於均佈變形集中於試體中央帶，比對另一光學檢測（ESPI），也得到類似之結果；當試體受力不斷增加至 LL≒80~100%時，MI 條紋密集集中於試體的中央位置區域，即為初始裂縫可能發生處，並比對 ESPI 之結果，初始裂縫亦與 MI 條紋集中位置相當。

3. 藉由 AE 技術同步化 MI 與 ESPI 光學干涉術，由內而外作相對印證，得內外破壞過程均具有一致性；於 LL≒45~60%時，AE 微裂源均分布於試體中央帶，在 LL≒80~100%時，AE 微裂源更大量集中於試體中央破裂區，且向受力兩端擴張出去，均與 MI、ESPI 試體外部條紋相符，故以高精度之 ESPI 比對精度較低之 MI 技術可得到相當之適切性，並搭配 AE 技術由內至外的相互比對後，MI 技術足以應用於現場尺度之實驗，且應可得較佳之成果。

6. 參考文獻

(1). 林佑珊，「以光學干涉研探類岩粒徑大小與形狀於壓、剪過程破壞演化」，國立台灣科技大學營建工程所碩士論文（2010）。

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

(3). 彭國維，「以聲射技術研探類岩粒徑大小與形狀於壓、剪過程破壞特徵」，國立台灣科技大學營建工程所碩士論文，台北（2010）。

(4). 黃國忠，「應用聲射法與分離元素法探討脆性岩材破壞機理之研究」博士論文，國立台灣科技大學營建工程系，台北（2009）。

(5). 楊文欣，「非破壞性聲光同步技術驗證類岩斜剪試驗之剪角影響與預裂效應」碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系，台北（2010）。

(6). 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）。

(7). 魏德禎，「岩石斜向剪切試驗暨其聲光非破壞檢測之佐驗」碩士論文，國立台灣科技大學營建工程系，台北（2008）。

(8). Chen, L. H. and Labuz, J. F., “Indentation of Rock Failure by Wedge-Shaped Tools,” International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 43, pp. 1023-1033.（2006）

(9). Everling, G., “Comment upon the Definition of Shear Strength,” International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 1, pp. 145-154. (1964)

(10). Gabor, D., “A New Microscopic Principle,” Nature, Vol. 161, pp. 777-778.（1948）

(11). Hudson, J. A., Brown, E. T. and Fairhurst, C., “Optimizing the Control of Rock Failure in Servo-controlled Laboratory Tests,” Rock Mechanics, Vol. 3, pp. 217-224.（1971）

(12). Leith, E. N., and Upatnieks, J., “Reconstructed Waterfronts and Communication Theory,” Journal of the Optical Society of America. Vol. 52, pp. 1123-1130.（1962）

(13). Lajtai, E.Z., “Mechanics of Second Order Faults and Tension Gashes,” Geological Society of America Bulletin, Vol. 80, pp. 225-227.（1969）

(14). Wawersik, W. R., “Detailed Analysis of Rock Failure in Laboratory Compress Test”, Ph.D. Thesis,

University of Minnesota, U.S.A.（2002）

(13)

第九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

一、參加會議經過

「第九屆海峽兩岸隧道與地下工程學術及技術研討會」由中華民國隧道協會與大陸方面的中國土木工程學會隧道及地下工程分會、岩石力學與工程學會地下工程分會共同舉辦，於2010年8月18日至8月20日在大陸河南省洛陽市召開，台灣代表團由國內產、官、學界一行共83人組成，為兩岸隧道工程界一年一度之盛會。

本次會議主題針對 ”隧道工程的設計與施工技術發展、安全與品質” 等相關課題進行系列的研討。

本次研討會會議分為特邀報告(8/18上午)、主題報告(8/18下午)與專題報告 (8/19全日)三大部分，其中專題報告又分為設計、研究專題與施工技術專題二場次同時舉行，且本次研討會之論文集則收錄於「隧道建設」第30卷(增刊1)。另隧道協會亦安排了5天(8/16~17、8/20~23)的參訪行程，除了參加大會、發表論文和工程參訪外，也順道參訪河南省洛陽市、鄭州市、陝西省西安市等地區的高鐵車站與其它基礎建設。

本次會議對延續海峽兩岸的技術交流，推動我國隧道及地下開挖工程的設計、施工、技術、理論研究、設備製造等方面的進步都有著重要意義。十年來兩岸隧道界之產官學研人才多次開展技術交流活動，促進了海峽兩岸的相互瞭解、

學習與合作，推動了本領域的技術發展與進步。技術交流活動基本是每年年舉辦

一次，在大陸、臺灣輪流舉行。台灣參與本次大會的學者專家共約八十餘人，顯

示此活動已成為海峽兩岸同行熱情企盼的盛會（如下照片1所示）。

(14)

照片1 第九屆海峽兩岸隧道與地下工程學術及技術研討會開幕合影

二、與會心得

2.1 特邀報告

會議首日的第一篇特邀報告由中國工程院顧金才院士針對「岩土工程地質力學模型試驗技術開發與利用」作一精闢報告，大致上說明大陸各研究單位基於岩土工程研究與發展之需求，分別針對地質力學模型試驗與模型材料性能試驗開發一系列之模型試驗與儀器設備，例如：多功能模型試驗裝置、抗爆結構模型試驗裝置、真三軸儀等。上述地質力學模型試驗可進行：(1)靜載作用下不同洞形、

側壓係數、部位之隧道周圍應變分布特徵；(2)動載作用下岩栓軸應變分布；(3) 靜載作用下洞室模型破壞型態；(4)爆炸荷載作用下洞室模型破壞型態；(5)軸向壓力較大時隧道圍岩分區破壞型態等。

第二篇特邀報告由中國同濟大學土木工程學院朱合華院長講述「長大隧道數

字化火災預警疏散技術」，內容大致為：由於1996年英法海峽隧道、1999年白朗

峰公路隧道、2000年聖哥達公路隧道相繼發生火災事故，世界各國皆相當重視並

研究長大隧道之火災預警與疏散技術。長大隧道因空間較為封閉，自然排煙困

難，故火災發生後升溫速度快，易釀成災難；且因隧道結構對外出口少，導致疏

散救援工作非常困難。目前對於疏散方面之研究主要集中在人員疏散模型、疏散

時間計算以及結合外界環境的研究，惟所能得到的火災資訊比較有限，且各系統

之連結也並非十分緊密，加上疏散規劃大都是條文式描述(不夠靈活)，無法適用

(15)

於火災現場的複雜情況。同濟大學朱合華院長及其研究團隊建置一「隧道內火災預警疏散系統」，其主要架構為：先取得必要之火災資訊→模擬現場三維溫度及煙場變化→提供數字化疏散方案。此系統包含四子系統：(1)火情信息獲取；(2) 三維溫度煙氣場重構；(3)應急疏散救援決策；(4)數字化虛擬現實顯示。

第三篇特邀報告由中國工程院王夢恕院士講述「臺灣海峽海底鐵路隧道建設方案」，內容大致為：目前中國大陸在建的海底隧道有2條分別為青島膠州灣海底隧道與廈門翔安海底隧道，其中青島膠州灣海底隧道，全長6.2 km，水深42 m，

地質條件較好，最小覆蓋層厚度23 m；廈門翔安海底隧道，全長8.695 km，水深 25 m，地質條件複雜，最小覆蓋層厚度34 m，上述二座海底隧道均採用鑽炸法施工。擬建的有5條：(1)大連市區海灣海底隧道(9 km)；(2)大連至煙臺海底鐵路隧道(110 km)；(3)港珠澳伶仃洋大通道(36 km)；(4)瓊州海峽海底鐵路隧道(34 km)；

(5)臺灣海峽海底隧道(120 km)。

臺灣海峽海底隧道有北線、中線、南線3個方案，如圖1所示。北線方案：福清-平潭島-新竹，長約122 km。中線方案：莆田笏石-南日島-苗栗，長約128 km。

南線方案：廈門-金門-澎湖-嘉義，長約174 km。經上述方案的優選、評比，北線地質穩定、線路最短，為最佳方案，其造價約人民幣2,000億左右，工期約10年。

圖1 臺灣海峽海底鐵路隧道位置示意圖(王夢恕，2010)

(16)

由於臺灣海峽隧道將穿越硬岩，故王夢恕院士認為宜採用全斷面開敞式掘進機(TBM)，不宜採用雙盾掘進機。中間斷層、軟弱地帶採用淺埋暗挖法，橫通道採用鑽炸法施工。

另外由國內日勝生活科技股份有限公司林華駿先生報告「台北市大眾捷運系統土地再利用—新店機場美河市聯合開發案之規劃及施工」，內容大致為：說明藉由在軌道區上方興建人工地盤，改善並隔斷捷運機廠長久以來困擾鄰房之列車噪音問題，並大幅增加綠化休閒面積。利用人行陸橋，提供區域親水動線，擴大市民生活領域，結合水岸基地創造親水休閒區，如圖2所示。

圖2 新店『美河市』捷運聯合開發案全景

2.2 主題報告

本次主題報告邀請兩岸隧道工程界之專家、學者，分別為：李術才院長講述

「隧道不良地質超前預報及災害控制理論與技術新進展」、洪開榮總工程師講述

「水資源短缺下的城市公益性管溝工程」、蔣樹屏院長講述「城市地下道路立交

功能設計」、林坤霖計畫經理講述「潛盾隧道遭遇障礙物之修復作業」等共4位

主講。

(17)

2.3 專題報告

緊接而來的二天研討會則分別就「設計、研究專題」及「施工技術專題」兩個領域進行報告及討論。

本人所發表的論文題目為：「應用電子斑點干涉術研探類岩於雙刀貫切破壞之行為」，為近年來與北科大陳立憲教授所共同研究之課題，從微觀、巨觀、理論、實驗等各個面向，去探討岩石破壞之機制與發展過程，由博士班學生陳韋志上台發表。

三、與會心得

先前幾屆之研討會，由於台灣當時之隧道工程數量相當大，台灣方面之報告包括許多案例之研究與經驗分享，但近年來並無值得一提的重大隧道工程。而反觀目前中國大陸的鐵路建設(新建)以平均每年1,000 km(約3 km/day)的速率增加 (成長)，其建設速度之驚人，足令許多國家望塵莫及，由於市場需求驚人，有關各項關鍵或核心技術(如潛盾機之製作、高速鐵路道岔之製作等)，大陸往往直接與目前最先進國家的廠商簽約，買斷技術並進行技術移轉，故目前大陸已具有自行製作與生產潛盾機及高鐵道岔之技術與能力，甚至打算將此技術對外輸出，參與美國高鐵之設計與施工。

四、攜回資料

第九屆海峽兩岸隧道與地下工程學術及技術研討會論文集及光碟。

(18)

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2011/01/07

國科會補助計畫

計畫名稱: 以非破壞聲、光學耦合試驗暨數值模擬研探類岩材料於斜向剪切試驗之破壞演化與特徵參數

計畫主持人: 陳堯中

計畫編號: 98-2221-E-011-111- 學門領域: 大地工程

無研發成果推廣資料

(19)

98 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：陳堯中計畫編號：98-2221-E-011-111-

計畫名稱：以非破壞聲、光學耦合試驗暨數值模擬研探類岩材料於斜向剪切試驗之破壞演化與特徵參數

量化

成果項目

^{實際已達成}

數（被接受或已發表）

預期總達成數(含實際已

達成數)

本計畫實際貢獻百

分比單位

備註

（

質化說明：如數個計畫共同成果、成果列為該期刊之封面故事 ...

等

）

期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報告

1 1 100%

研討會論文 2 2 100%

論文著作篇

專書 0 0 100%

申請中件數 1 1 100%

專利已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 2 2 100%

博士生 1 1 100%

博士後研究員 0 0 100%

國內

參與計畫人力

（本國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報告

0 0 100%

研討會論文 0 0 100%

論文著作篇

專書 0 0 100% 章/本申請中件數 0 0 100%

專利已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 0 0 100%

博士生 0 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國外

參與計畫人力

（外國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

(20)

其他成果 ( 無法以量化表達之成果如辦理學術活動、獲得獎項、重要國際合作、研究成果國際影響力及其他協助產業技術發展之具體效益事項等，請以文字敘述填列。)

無

成果項目量化 名稱或內容性質簡述

測驗工具(含質性與量性)

0

課程/模組

0

電腦及網路系統或工具

0

教材

0

舉辦之活動/競賽

0

研討會/工作坊

0

電子報、網站

0

科教處計畫加填項

目計畫成果推廣之參與（閱聽）人數

0

(21)

(22)

以非破壞聲、光學耦合試驗暨數值模擬研探類岩材料於斜向剪切試驗之破壞演化與特徵參數

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

以非破壞聲、光學耦合試驗暨數值模擬研探類岩材料於斜 向剪切試驗之破壞演化與特徵參數

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 98-2221-E-011-111-

執 行 期 間 ： 98 年 08 月 01 日至 99 年 10 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：林佑珊 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：劉&amp；#23797；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 100 年 01 月 12 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

以非破壞聲、光學耦合試驗

研探類岩材料於斜向剪切試驗之破壞演化與特徵參數

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 98－2221－E－011－111－

執行期間：98 年 08 月 01 日至 99 年 10 月 31 日 執行機構及系所：國立台灣科技大學 營建工程所

計畫主持人：陳堯中 共同主持人：

計畫參與人員：劉峵瑋、彭國維、林佑珊

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

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告

□出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：除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

中 華 民 國 一 百 年 元 月 一 日

摘 要

岩石開裂之基本受力行為以張力及剪力破壞居多，本研究以斜向剪切儀改良直接剪力試驗，

關鍵字：斜向剪切試驗、聲射技術、電子斑紋干涉術、叢聚、破壞演化。

1. 前言

2. 文獻回顧

2.1 斜剪試驗之沿革與應用

而成剪裂帶（shear zone）。而隨正向力的增加，控制破壞型態依序分別為張力破壞、剪力破壞、

極限強度破壞（failure in ultimate strength） ，故比較三軸試驗與直接剪力試驗，其最大差別在於破 壞型態之不同。時至今日，剪切試驗方法已發展成多種類型，如單面剪力試驗、雙面剪力試驗、

同時也能減少因力量施加所產生之誤差。Lajtai（1969）整合了最大主應力理論（maximum principle

stress theory） 、Eveling（1964）剪力曲線及 Coulomb（1776）準則，提出岩石剪力試驗破壞型態 分成三種型態-張力破壞、剪力破壞及極限強度破壞。

2.2 聲射技術之發展（Acoustic Emission, AE）

依 ASTM E610-82 對聲射定義：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。聲射法主要針對為數眾多微小能量釋放的微震裂源

（microseismic sources）進行探索，其微震裂源即為微小裂縫發生處。藉由到達時間差定位法

（arrival time difference method），可對微觀裂源發生時機之研判與其空間定位之推估。

根據到達時間差定位法，於三維空間之聲射定位（圖 2） ，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 P 波速度乘以時間差，可列出式（1）和（2）：

（1）

R i  R 1  V   i t   （i = 2 ~ n） （2） i 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 

= 統計之殘差值

從公式得知，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。

圖 1 固態材料（岩石、混凝土等）

於應力場之峰後破壞行為分類（Wawersik, 1968）

圖2 聲射定位法則 之到達時間差法之三維空間定位

2.4 電子斑紋干涉術 （Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI）

Hopkins（1970）指出，當高同調性光源照射物體表面時，光源波長遠小於受測物之表面變

化，光即會散射形成光學粗糙面，於受測物表面互相干涉形成雜亂之光強分佈，產生相對應之暗

點與光點，此狀稱為斑點效應。電子斑紋干涉系統可分為兩大量測系統，面內位移系統為量測平

行於試體表面之位移變形量，面外位移系統為量測垂直於試體表面之位移變形量，若將兩大系統

結合建置，即可求得試體三度空間之位移變形量。本研究僅以面內位移系統量測試體表面之位移

變形量，其儀器架設示意如圖 3。電子斑紋干涉術即是根據此光學特性進行量測，因物體表面產

生位移時，其斑點會隨之變化，如圖 4 所示，A、B 點為光源，O、P 點為照射點，當試體產生面

內位移時，其 O 點位移至 P 點，光距因照射角度改變而增長，如 BO 增長至 BP，反之 AO 縮減

至AP，因光距改變，干涉條紋也隨之變化，故可利用干涉條紋因光距改變而變化之特性，計算受

測物表面之面內位移。

圖3 本研究ESPI面內位移架設示意圖 圖4 試體面內一維位移示意圖 2.5 雲紋干涉術 （ Moiré Interferometry, MI）

(a) (b)

圖 5 (a) 雲紋干涉條紋、(b) 儀器架設示意圖（謝昌中，2001）

3. 試驗材料和設備

3.1 試驗材料

斜剪試驗材料採用水泥砂漿試體，固定水膠比為 0.35，並搭配角狀石英砂與標準砂（C190） ， 分取粒徑為 1.5、0.9 與 0.5mm，且均使用黃氏富勒緻密配比作為本研究之試驗材料。從文獻指出，

不同材料之組構及性質會反應出其材料特徵，則材料組成之粒徑與 AE 事件之分佈相關，故不同 粒徑尺寸之類岩材料，AE 事件之分佈與試體中的最大顆粒粒徑有關聯性。 （Chen and Labuz, 2006）

3.2 試驗設備建置(斜剪試驗設備與壓力系統)

本研究採用多功能、精密及勁度高之伺服控制油壓試驗系統 MTS 810，並藉由環狀應變計作 為回饋與量測方能得到完整加載歷程曲線。

3.3 試驗方法

本研究以斜剪儀（以下為斜向剪切儀之簡稱）進行斜剪破壞試驗，單，佐以同步化非破壞檢 測技術（AE 與 ESPI）之耦合，類岩受剪後完整之破壞行為與演化，藉由不同剪切角度（65、70

與 80） 、粒料(形狀與粒徑)與與預裂縫（扁與圓形） ，探討其不同之巨觀破壞行為與微觀破裂機制，

此外，於斜剪試驗藉由高精度之 ESPI 來研析雲紋干涉術之未來現場適用性。

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

以非破壞聲、光學耦合試驗暨數值模擬研探類岩材料於斜向剪切試驗之破壞演化與特徵參數

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 98-2221-E-011-111-

執行期間： 98 年 08 月 01 日至 99 年 10 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：林佑珊碩士班研究生-兼任助理人員：彭國維

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 100 年 01 月 12 日

計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫計畫編號：NSC 98－2221－E－011－111－

執行期間：98 年 08 月 01 日至 99 年 10 月 31 日執行機構及系所：國立台灣科技大學營建工程所

計畫主持人：陳堯中共同主持人：

中華民國一百年元月一日

摘要

極限強度破壞（failure in ultimate strength），故比較三軸試驗與直接剪力試驗，其最大差別在於破壞型態之不同。時至今日，剪切試驗方法已發展成多種類型，如單面剪力試驗、雙面剪力試驗、

stress theory）、Eveling（1964）剪力曲線及 Coulomb（1776）準則，提出岩石剪力試驗破壞型態分成三種型態-張力破壞、剪力破壞及極限強度破壞。

根據到達時間差定位法，於三維空間之聲射定位（圖 2），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 P 波速度乘以時間差，可列出式（1）和（2）：

^R _i ^ ^R ₁ ^ ^V ^{ } _i ^t ^ ^ （i = 2 ~ n）（2） _i 其中，R

從公式得知，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。

圖2 聲射定位法則之到達時間差法之三維空間定位

2.4 電子斑紋干涉術（Electronic Speckle Pattern Interferometry, ESPI）

圖3 本研究ESPI面內位移架設示意圖圖4 試體面內一維位移示意圖 2.5 雲紋干涉術（ Moiré Interferometry, MI）

斜剪試驗材料採用水泥砂漿試體，固定水膠比為 0.35，並搭配角狀石英砂與標準砂（C190），分取粒徑為 1.5、0.9 與 0.5mm，且均使用黃氏富勒緻密配比作為本研究之試驗材料。從文獻指出，

不同材料之組構及性質會反應出其材料特徵，則材料組成之粒徑與 AE 事件之分佈相關，故不同粒徑尺寸之類岩材料，AE 事件之分佈與試體中的最大顆粒粒徑有關聯性。（Chen and Labuz, 2006）

本研究採用多功能、精密及勁度高之伺服控制油壓試驗系統 MTS 810，並藉由環狀應變計作為回饋與量測方能得到完整加載歷程曲線。

本研究以斜剪儀（以下為斜向剪切儀之簡稱）進行斜剪破壞試驗，單，佐以同步化非破壞檢測技術（AE 與 ESPI）之耦合，類岩受剪後完整之破壞行為與演化，藉由不同剪切角度（65、70

與 80）、粒料(形狀與粒徑)與與預裂縫（扁與圓形），探討其不同之巨觀破壞行為與微觀破裂機制，

以標準砂 C190 與矽砂 302 兩者均採均勻粒徑 0.9mm 於斜剪試驗中，利用求得之尖峰時最大剪應力與正向應力，以 Mohr-Coulomb 準則，可知標準砂 C190 與矽砂 302 （圖 8，藍線與紅線）

圖 8 圓球狀砂、角狀砂比對圖圖9 水泥砂漿試體於不同粒徑之完整加載曲線 4.1.2 剪切角度對加載歷程巨觀之影響

現象（43~30 MPa/mm）（圖 10）。

試驗結果粗糙角 i （12~20）隨剪切角 β（50~75）增加，因正向應力隨之減少，正向位移（膨脹量）相對增加，則 i 才會隨著 β 的增加而增加之趨勢。

標準砂 C190 剪角 65°叢聚為 53%，剪角 70°叢聚為 59%，剪角 80°叢聚為 64%，剪切角愈大，叢聚加載比愈大，叢聚時機愈晚發生。剪切角增加，AE 事件有降低之趨勢（圖 15、16 與 17）

圖 10 不同角度之切向應力與位移關係圖 11 預裂縫有無之切向應力與位移關係

圖 12 正向位移與剪位移之粗糙角 i 之求算關係圖 13 剪角 70°之斜剪加載歷程之 AE 事件時間分佈 4.2.2 以電子斑紋干涉術（ESPI）研析材料「外部」之「巨觀」破壞演化

圖 15 粒徑與 AE 事件之關係圖 16 粒形與剪切角 AE 事件之關係圖 17 剪切角與 AE 事件之關係 (2). 剪角度微觀裂隙之時間演化

直至再壓超過解壓點時，條紋再次累積，初始裂縫產生後， ESPI 條紋有錯開現象，最後微裂隙貫穿，形成一道巨觀裂縫，觀察兩者初裂時機，發現剪角 65°較 80°要早初裂，但實驗組數不多，故需多些組數後，再推測原因。

(4)初衍階段一(LL=99 %) (5)初衍階段二(LL=56 %峰後) (6)實際裂縫圖18 ESPI檢測剪角65°破壞演化之裂縫生、衍歷程圖

本研究透過在實驗室尺度之斜剪試驗，以高精度之 ESPI 研析機械式雲紋干涉術（MI）運用到現場尺度之適切性，並耦合聲射法（AE）研析材料內、外破壞演化。於 LL≒45~60%時（圖 21(a)），