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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
極軟弱年輕砂、頁岩層之力學行為－子計畫（三）：
軟弱砂岩之弱化機制與力學行為之探討
The Degr adation Mechanism and Time-dependent Behavior
of Ver y Weak Sandstone
計畫編號：NSC 88-2218-E-009-039
執行期限：87 年 8 月 1 日至 88 年 7 月 31 日
主持人：潘以文 國立交通大學土木工程學系
一、中文摘要 軟弱砂岩可能受到環境條件影響而弱 化，造成強度下降或變形性增加。本研究 對極軟弱砂岩施以弱化模擬，分別利用反 覆乾溼循環以及滲流來模擬軟弱砂岩所受 之弱化環境因素，並以微觀方式量測組構 的變化，探討微觀現象與巨觀力學性質之 間的關係。本研究嘗試以微觀方法來量測 軟弱砂岩組構，探討軟弱砂岩因外在條件 引起之弱化過程，微觀組構可能之改變與 其對巨觀力學特性之影響。為控制滲流並 正確決定試體滲透性，本研究研製一微流 量幫浦，藉由伺服馬達強制控制流經試體 之微流量，透過強制流量之方式來控制滲 透試驗之進行，經量測試體兩端之水壓差 即可正確決定試體之滲透性。軟弱砂岩受 不同弱化程度之影響，其尺寸、形狀及排 列方式並無顯著變化。然就微觀組構改變 結果分析，隨著弱化程度增大，大顆粒漸 崩解變小，而其稜角也變較不明顯。比較 不同弱化試體單軸壓縮試驗結果，發現未 受弱化試體受軸壓破壞後試體具有較明顯 破壞面，而經弱化過的試體破壞時則較破 碎，且隱約呈現試體之強度、模數、與波 速皆隨弱化程度增高而有減低的趨勢。 關鍵詞：軟砂岩、微觀組構、力學模式、 依時性行為、滲透性 Abstr actVery weak sandstone may degrade when it is exposed to an unfavorable environmental condition. Its degradation usually results in a reduction in strength and stiffness. This study attempts to investigate the micro-structure change of very weak sandstone subjected to degradation. The degradation process was simulated by controlled seepage and wet-dry cycles. This study develops a permeability apparatus for determining the permeability and controlling the seepage through a specimen of soft rock. This apparatus includes a flow pump with the capability of applying back pressure to a specimen. After degradation, wave-velocity measurement and unconfined compression tests were carried out. Their microscopic features were also examined. Image process-ing enables the interpretation of the micro-features (e.g., grain-particle, void, and infill).
Comparing the microstructure and mechanical properties of specimens, it was found that the strength of the very weak sandstone decreases significantly after degradation, probably due to an increase in micro-fissures. It was noted that large particles tend to break into smaller ones, and the particles’ angularity tends to decrease. These changes may contribute to the decrease in material’s strength.
Keywor ds: very weak sandstone,
microstructure, constitutive model, time-dependent mechanical behavior,
2 permeability 二、緣由與目的 台灣西部地區的土木工程建設有不少 是在丘陵山麓地帶，而中北部地區的山地 地層大部份都是以年輕的軟弱砂岩分佈。 本省中北部(桃園至台中)麓山帶出露的地 層，除未固結的紅土礫石層、台地堆積層 與河床沖積層以外，係以上新世之卓蘭層 及上新-更新世之頭嵙山層為主，地質年代 上均屬年輕岩層。此等岩層普遍具有固結 差、膠結不良、強度不高、孔隙率大、透 水性高、遇水極易軟化的特性，在此等岩 層上開發建設，若未考慮此等岩層特殊之 工程特性，可能忽略可能造成之工程問 題，甚至將遭遇潛在的工程危險。 砂岩一般均須經過沉積、緩和成岩作用 及長時間的固化作用才能形成，而上述岩 層中之軟弱砂岩層一般都相當年輕，由於 受固化時間極短，膠結相當鬆散，其性質 可視為凝聚性的砂土。當其受環境條件或 外力條件影響，材料內之膠結可能逐漸喪 失或破壞，當膠結完全破壞後，性質則跟 砂土一樣。對砂土等無凝聚性的顆粒材料 而言，雖然工程上常以相對密度概略區分 其工程特性，但試驗証實，即使具有相同 相對密度之顆粒亦可能具有不同的力學行 為，意即憑籍巨觀力學性質的量測未必能 明確解釋此等顆粒材料之力學特性。而沉 積岩的基本性質與組成顆粒之成份、大 小、形狀、排列方向和堆積及膠結的強弱 均有極密切的關係，在材料受環境條件而 弱化的過程中，其力學性質極可能與微觀 的組構變化關係密切。本研究即嘗試以微 觀方法量測組構的方式，探討軟弱砂岩因 為外在條件可能引起之弱化過程，微觀組 構可能之改變與其對巨觀力學特性之影 響。 因為軟弱砂岩的力學行為受其結構特 性，如孔隙比、顆粒粒徑分佈、堆積構造、 顆粒本身性質(大小、形狀、糙度)及膠結 種類與含量之影響，為了觀察顆粒組構如 何影響巨觀的力學性質，本研究乃嘗試透 過材料切片直接觀測軟弱砂岩的微組構特 性，並配合力學試驗與波速量測以得岩石 材料的巨觀性質，試圖解釋及尋找兩者之 間的相關性。為探討弱化影響，分別利用 反覆乾溼循環以及滲流來模擬軟弱砂岩之 自然弱化環境因素。又因此等材料滲透係 數不高，且深受試體飽和度之影響，為求 正確控制滲流並確確決定材料滲透性，乃 研製一微流量幫浦，藉由伺服馬達強制控 制流經試體之微流量，以強制流量之方式 來控制滲透試驗之進行，由量測試體兩端 之水壓差即可正確決定試體之滲透性。 三、結果與討論 A. 軟弱砂岩微觀組構與巨觀性質 在軟弱砂岩微觀組構的問題上，本研究 以微觀試驗方法，探討岩樣受反覆乾溼循 環以及強制滲流的弱化模擬之下，岩樣顆 粒微觀組構的改變情況，並與巨觀試驗的 結果交叉比對，以探討微觀組構特性對巨 觀力學性質之影響。結果簡要說明如下。 A.1 影像取得與處理 攝影微觀影像時，須先將試體以壓平器 整平放置在顯微鏡台上，在切片表面塗以 立可白修正液標計距焦位置，再以一具單 眼相機或 CCD 照相獲得影像，再輸入成原 始數位圖檔。接著利用影像處理技巧將原 始圖檔成較簡化及明顯、清晰顆粒邊緣的 圖 檔 ， 灰 階 化 後 輸 出 至 UTHSCSA Image Tool3.0 上作各種運算，處理影像的流程 含：(a)輸入原始影像；(b)描繪顆粒的邊 界；(c)描繪孔隙的外形；(d)影像中的其 餘部份判定為填充物。將顆粒、孔隙及填 充物等三個圖層合并可見的部份，再進行 灰階化，儲存成 Tiff 格式影像，灰階化 8bit 後，成為可供 Image Tool 計算用的影 像。分析的流程包括顆粒的幾何運算與顆 粒、孔隙及填充物所佔百分比的等計算工 作[1]。分析微觀岩石組構的影像可以得到 岩石顆粒的面積、周長、主(次)軸長度、 主(次)軸角、長徑比、圓度、圓滑度、類 圓直徑及孔隙和填充物所佔的比例[1]。
3 A.2 微觀組構特性對巨觀性質之影響 觀察弱化過程岩樣微觀組構的變化，發 現顆粒在前幾前乾溼循環的弱化過程中， 其尺寸、形狀及排列方式並未有顯著的變 化。就微觀組構改變之結果來分析，隨著 弱化程度增加，大顆粒可漸漸的崩解為較 小顆粒，而顆粒本身的稜角也變的較不明 顯。岩樣之孔隙在前幾個乾溼循環的過程 中，呈現顯著的增大，隨著乾溼循環次數 的增加，孔隙大小會趨向較為固定，顯示 殘餘的石英顆粒及細顆粒填充物具有較佳 抵抗弱化的能力[1,2]。 由比對微觀觀測結果與巨觀性質的相 關性（圖 1），可以發現岩石單軸壓縮強度 在第一次的乾溼循環過程中就有明顯的下 降，由相對之微觀分析推測應為細顆粒填 充物被水帶走後導致裂隙增加造成的。單 軸壓縮強度值在前幾次的乾溼循環過程中 降低的原因推測是由於岩樣孔隙受弱化而 增加（圖 2）。孔隙趨向穩定後，單壓強度 繼續減少原因推測為顆粒內部漸崩解為較 小顆粒，形狀也趨向較圓，因此受壓時顆 粒間較易產生滑動造成強度減低。後幾次 乾溼循環後的單軸壓縮強度減小的比例沒 有前幾次大，推測影響軟岩強度降低的因 素，孔隙的增加比顆粒性質的改變重要。 波速在第一次乾溼循環後有明顯的下降， 推測為孔隙增加所導致，而其後的乾溼循 環過程波速都大致保持在定值，顯示顆粒 性質的改變對波速變化的影響不大[1]。 本 研 究 亦 以 強 制 滲 流 來 進 行 弱 化 模 擬，因此等材料滲透係數並不高，材料滲 透係數又深受試體飽和度之影響，若沿用 傳統定水頭或變水頭滲透試驗方法，一則 費時長，二則試體飽和度難以控制，造成 試驗結果不可靠。為能確實測定材料滲透 性質，乃研製一微流量幫浦，藉由伺服馬 達強制控制流經試體之微流量，以強制流 量之方式來控制滲透試驗之進行（圖 3 與 圖 4），由量測試體兩端之水壓差即可正確 決定試體之滲透性。微流量幫浦控制流量 之方式乃藉由控制一特別設計之軸桿之移 動速度（速度範圍介於 7.8*10-2 7.8*10-6 cm/s），此一軸桿出入端剖面積刻意令其 不同（即軸桿出入端剖面積並非相等）， 因為出入 端剖面積差額很小（ΔA=1.28 cm2 ），伺服馬達之速度又可精確控制，便 可強制流量控制於 10-1 10-5 cm3 /s 之範圍。 在固定流量的條件下，藉測定試體兩端之 水頭差，便可由達西公式計算得試體之滲 透係數（圖 5）。實驗中可控制試體之圍壓 與反水壓。即因為此一系統可以控制圍壓 與反水壓，實驗中便可藉由測控圍壓與反 水壓，來檢測孔隙水壓係數 B 值，藉以控 制試體之飽和度。 本研究嘗試用不同定流量來求得軟弱 砂岩的滲透係數，每一個定流量可得到一 個試體兩端的水頭差，經由記錄的水頭差 可計算其滲透係數。在不同流量下可以得 到大坑黃色粗顆粒砂岩的滲透係數在 6 9 ×10-5 之間。比較未經過滲流與經歷過滲流 後試體分別之微觀照片對比（圖 6），可發 現在滲流後有部分的孔隙變大，並產生許 多崩解的小顆粒[2]。 四、計畫成果自評 本計劃之目標在於探討極軟弱砂岩的 微觀組構如何影響巨觀力學性質性質。實 際執行之研究內容接近原計畫目標。本研 究中研製一特別適用於極軟弱砂岩之滲透 試驗儀器，探討極軟弱砂岩之正確滲透性 及滲透對微觀組構影響，此研發滲透試驗 儀器非常具有實用性。本研究並嘗試透過 岩樣切片來直接觀測軟弱砂岩的顆粒結構 以了解其組構特性。由比較微觀組構與巨 觀性質，對極軟弱砂岩受弱化之影響已具 初步瞭解。 五、參考文獻 [1] 林聖諭，『軟砂岩之微觀組構及其對力學性質 之影響』，國立交通大學土木工程系碩士論文。 ，民國八十七年六月。 [2] 陳恆祐，『軟岩之滲透性質及滲流對微組構之 影響』，國立交通大學土木工程系碩士論文，民國 八十八年六月。
4 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 Number of Cycles 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 C o m p re s s io n S tr e s s (M P a ) 圖 1. 乾濕弱化循環數對單軸壓縮強度圖 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Mean Void V oi d( % ) Number of Cycles 圖 2 乾濕弱化循環數對孔隙比圖 圖 3 Flow Pump 示意圖 圖 4 強制流量定水頭滲透試驗示意圖 0331-2 -15 -10 -5 0 5 10 15 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Time(min)
Head diffeence(cm H2O)
△h=13.5 cm H2O △h=13.5 cm H2O 大坑黃色粗顆粒砂岩 Cell Pressure=3.0 kg/cm2 Back Pressure=2.1 kg/cm2 Q=2.15×10-3 cm3/s k=8.28×10-5 cm/s 圖 5 強制流量所產生之水頭差 圖 6(a) 滲流前微組構 圖 6(b) 滲流後微組構
