摘 要

摘 要

目前非破壞檢測技術評估無樁帽基樁長度已接近成熟，但應用於 具有樁帽或是上部結構物之基樁系統仍無有效之方法以判斷其長 度。因此本文使用商用有限元素分析軟體ANSYS 之三維實體元素，

利用各種參數變化設定來做分析，期望能夠有效判斷出含樁帽基樁之 長度或是其完整性並且比較群樁系統對檢測反應之影響。此外，本研 究中亦探討應力波在基樁中心軸線上隨距離而衰減之情形，以了解為 何無法在樁頂面接收清晰之反射波訊號。最後，有鑑於本研究室非破 壞檢測儀器無法輸出現地檢測資料數據之缺點，因此本研究亦利用擷 取卡以及現有之速度規，配合LabVIEW 圖控式程式設計之環境，而 自行開發出一套現地基樁之檢測系統，並能將現地檢測所得之數據輸 出且進行分析，以作為檢測技術開發與改良之重要參考。

目 錄

摘 要... I 目 錄...II 圖 目 錄... IV

第一章 緒論...1

1.1 研究動機...1

1.2 研究目標...3

1.3 文獻回顧...4

第二章 理論背景...6

2.1 基礎波傳理論...6

2.2 音波回音法...8

2.3 衝擊反應法...9

第三章 有限元素數值模式之收斂分析...11

3.1 單柱之收斂分析...11

3.2 土壤半徑之收斂分析...15

第四章 群樁效應下檢測斷樁之數值模擬反應...18

4.1 模擬問題之幾何組態...18

4.1.1 荷重模擬 ...18

4.1.2 現地環境之模擬 ...21

4.2 含斷樁之無樁帽群樁的受測反應...24

4.2.1 斷樁為受測樁之案例...26

4.2.2 斷樁不為受測樁之案例...27

4.2.3 無斷樁下受不同延時之衝擊力作用之反應比較...32

4.3 含斷樁之含樁帽群樁的受測反應...34

4.3.1 斷樁為受測樁之案例...36

4.3.2 斷樁不為受測樁之案例...36

4.3.3 含樁帽群樁受不同延時之衝擊力作用之反應比較...38

4.3.4 以均佈施力之反應結果...39

第五章 含樁帽基樁之應力波傳衰減分析...44

5.1 參數變化研究項目...44

5.2 樁長固定但樁帽厚變化下之分析結果...46

5.3 樁帽與基樁之總長固定但樁帽厚變化下之分析結果 ...49

第六章 現地基樁檢測系統之開發...53

6.1 硬體元件...53

6.2 檢測系統軟體之開發...57

第七章 結論與建議...62

參考文獻...64

圖 目 錄

圖2.1 音波回音法示意圖 ...8

圖2.2 力學導納曲線示意圖 ...9

圖3.1 四面體立體元素 SOLID92 圖...12

圖3.2 以單柱之動力位移反應進行有限元素網格大小之收斂分析圖 ...13

圖3.3 不同動力分析之時間步幅下之單柱位移反應 ...14

圖3.4 單柱動力反應之有限元素解與數值解之比較 ...14

圖3.5 土壤半徑為 4m 下之無樁帽單樁收斂分析之網格圖 ...16

圖3.6 土壤半徑為 30m 下之無樁帽單樁收斂分析之網格圖 ...16

圖3.7 土壤半徑為 4、10、13 與 30m 下之無樁帽單樁之收斂分析的 位移比較圖...17

圖4.1 數值模擬衝擊外力所使用之半個正弦波平方函數圖 ...20

圖4.2 數值模擬衝擊力與實際衝擊力量曲線之比較圖 ...20

圖4.3 模擬群樁系統之平面示意圖 ...21

圖4.4 模擬群樁系統之側面示意圖 ...22

圖4.5 無樁帽群樁之三維有限元素網格圖 ...25

圖4.6 無樁帽群樁與卵礫石層之三維有限元素網格圖 ...25

圖4.7 無樁帽群樁完整模型之網格圖 ...26

圖4.8 斷樁深度 2m 之無樁帽群樁示意圖 ...28

圖4.9 受測樁為深 2m 之斷樁基礎與完整群樁之位移反應比較圖 ...28

圖4.10 無樁帽群樁孔洞深 8m 位置示意圖 ...29

圖4.11 受測樁為深 8m 之斷樁基礎與完整群樁之位移反應比較圖 .29 圖4.12 受測樁非斷樁之基礎與完整群樁之位移反應比較圖(斷樁深 2m) ...30

圖4.13 受測樁非斷樁之基礎與完整群樁之力學導納比較圖(斷樁深 2m) ...30

圖4.14 受測樁非斷樁之基礎與完整群樁之位移反應比較圖(斷樁深 8m) ...31

圖4.15 受測樁非斷樁之基礎與完整群樁之力學導納比較圖(斷樁深 8m) ...31

圖4.16 無樁帽群樁受不同接觸時間之衝擊力作用下之位移反應比較 圖...33

圖4.17 含樁帽群樁在不含土壤時之有限元素網格圖 ...34

圖4.18 含樁帽群樁系統之完整有限元素網格圖 ...35

圖4.19 衝擊力作用與接收器擺放位置圖 ...35

圖4.20 含樁帽群樁孔洞深 10m 位置示意圖 ...37 圖4.21 受測樁為深 10m 之斷樁基礎與完整含樁帽群樁之位移反應比

圖4.22 受測樁非斷樁之基礎與完整含樁帽群樁之位移反應比較圖

(斷裂深度 10m) ...38

圖4.23 含樁帽群樁受不同延時之衝擊力作用下之位移反應比較圖 39 圖4.24 以各單點敲擊，同一點接收來模擬均佈施力之示意圖 ...40

圖4.25 接觸時間為 0.5ms 之集中力與均佈力位移比較圖 ...41

圖4.26 接觸時間為 1.4ms 之集中力與均佈力位移比較圖 ...41

圖4.27 單點敲擊，同一點接收且未疊加前之位移反應曲線 ...42

圖4.28 單點敲擊，同一點接收且疊加後之位移反應曲線 ...43

圖5.1 樁長 16m 且樁帽厚 0、1、2 與 4m 之示意圖 ...45

圖5.2 樁帽與基樁總長 16m 且樁帽厚 1、2 與 4m 之示意圖...45

圖5.3 樁長 16m 且樁帽厚 0m 下在樁頂與樁底之位移反應曲線...47

圖5.4 樁長 16m 且樁帽厚 1m 下在樁頂與樁底之位移反應曲線...47

圖5.5 樁長 16m 且樁帽厚 2m 下在樁頂與樁底之位移反應曲線...48

圖5.6 樁長 16m 且樁帽厚 4m 下在樁頂與樁底之位移反應曲線...48

圖5.7 樁帽與基樁總長 16m 且樁帽厚 1m 下沿基樁軸線之位移反應衰 減圖...50

圖5.8 樁帽與基樁總長 16m 且樁帽厚 2m 下沿基樁軸線之位移反應衰 減圖...50 圖5.9 樁帽與基樁總長 16m 且樁帽厚 4m 下沿基樁軸線之位移反應衰

減圖...51

圖5.10 樁帽與基樁總長 16m 且樁帽厚 1m 下沿基樁軸線較小區間內 之位移反應衰減圖...51

圖5.11 樁帽與基樁總長 16m 且樁帽厚 2m 下沿基樁軸線較小區間內 之位移反應衰減圖...52

圖5.12 樁帽與基樁總長 16m 且樁帽厚 4m 下沿基樁軸線較小區間內 之位移反應衰減圖...52

圖6.1 由 NI 公司所製造之 DAQ-700 擷取卡 ...54

圖6.2 由 PCB 公司所製造之 086D20 衝擊鎚...55

圖6.3 由 PCB 公司所製造之 VO625A01 速度規 ...55

圖6.4 自行組裝開發之基樁非破壞檢測儀器組 ...56

圖6.5 控制軟體介面程式之流程圖 ...58

圖6.6 力量及速度之顯示畫面 ...59

圖6.7 力量及位移之顯示畫面 ...60

圖6.8 力學導納曲線之顯示畫面 ...60

圖6.9 力量與速度曲線之頻率成份的顯示畫面 ...61

第一章 緒論

1.1 研究動機

由於台灣位於環太平洋地震帶上，導致地震發生頻繁，造成許 多支撐橋樑或是各種結構物之基樁等基礎結構物有可能產生嚴重的 損毀或是斷樁，使得基礎失去原本功能。而在這方面之損壞判定，即 可藉由非破壞檢測來進行長度的判讀。因此，此類研究應用之發展應 是相當重要的。

然而近年來的研究成果顯示，常用之應力波非破壞檢測方法雖可 針對無樁帽單樁檢測出相當有效及精確之反射訊號，但應用於含樁帽 基樁系統時卻有相當高之困難度。主要原因可能在於應力波之傳播能 量被侷限於樁帽之內，只有少部分應力波能夠傳遞至基樁底部。因 此，樁底反射之微弱訊號便被埋沒在樁帽內部來回之強烈訊號之中，

造成訊號判讀上之難度大增。過去幾年來已有部份之文獻利用二維平 面應力有限元素模式來模擬群樁系統之檢測反應[1,2]。然而實際之基 礎系統常是由數根基樁共同支撐一個矩形樁帽而成。此結構系統與平 面應力模式應仍存在不少差異。因此本研究採用商用套裝有限元素分 析軟體ANSYS 所提供之三維實體元素來模擬無樁帽群樁系統與含樁 帽群樁系統之暫態動力反應，利用此方法更加逼近現實結構系統的動

力反應，並藉此進行大量的參數變化研究，以了解群樁系統受非破壞 檢測之反應特性。

另一方面，目前本研究室所擁有之基樁非破壞檢測儀器無法將現 地所測得之數據輸出以便進行後續分析研究之用。因此本研究擬利用 LabVIEW 圖控式程式設計環境來設計出一套具備現有儀器之功能的 檢測分析系統。將擷取卡、筆記型電腦、衝擊鎚及速度規整合成一完 整之現地檢測儀器系統。

1.2 研究目標

本研究目標，擬首先使用有限元素數值模擬來研究「音波回音」

(Sonic Echo, SE)法與「衝擊反應」(Impulse Response, IR)法在檢測群 樁系統上之可行性。首先將改變施力條件以及施力方式來試圖判讀出 反射波到達之時刻。並將沿著基樁之中心軸線上監視應力波傳之經 過，以探討應力波於基樁內部傳遞時所產生的變化，進而了解為何在 含樁帽情況下無明顯的反射波訊號可在樁帽頂面被清楚地辨識出。

同時，本研究亦將利用 LabVIEW 軟體來撰寫出一套適合本實驗 室使用之視窗操作介面。此介面將整合筆記型電腦等現有裝置，組成 ㄧ方便簡單之檢測儀器。將經常判讀之位移曲線、速度曲線及力學導 納曲線顯示於螢幕上，以利後續分析之用，並改善原有儀器無法將檢 測數據輸出之缺點，為日後能進一步處理檢測資料作準備。

1.3 文獻回顧

近年來，利用非破壞檢測技術來檢測評估結構物之現況，已隨著 公共工程品質要求之提升而日趨重要。在基樁之非破壞檢測上，Lin 等[3]曾在 1991 年使用敲擊回音法(Impact-Echo method)來初步研究如 何檢測柱及樁之缺陷等。1994 年，Liao[4]使用有限元素模式對基樁 在土壤中的應力波的波傳行為做初步系統化的理論研究，其後並於 1997 年後針對衝擊反應法在理論上對於檢測基樁及其缺陷之能力作 深入探討[5-6]。然而，這些研究主要應用於檢測新建之單樁，因此，

大多未考慮樁帽的影響。對於檢測已存在之既有結構系統中基樁，則 其結果是否成功可能取決於這些結構元件之複雜度，其影響因素包括 所 用 之 應 力 波 長 與 樁 帽 厚 度 之 關 係 等 。 而 近 年 來 位 於 西 北 大 學 (Northwesten University) 的 美 國 國 家 大 地 工 程 研 究 中 心 (National Geotechnical Experimentation Site)亦進行了現場全尺寸基樁的衝擊反 應法與平行震測(Parallel Seismic, PS)法之檢測實驗。其研究的成果甚 具實務價值，一部分已發表在期刊上[7]，而許多初步的成果報告亦都 已送上網路公佈[8-9]。但由於是初步研究成果，因此對樁帽之影響效 應最多僅考慮樁頂由樁帽相連結之情況。且因美國之現場實驗樁組有 限，故其結論只提供非常粗略之參考，因此，尚有極大的研究空間留

對於含樁帽之基樁，檢測其長度之代表性方法包含衝擊反應法 [6-8,10]、音波回音法[11,12]、超震測法[13]與平行震測法[13-15]。故 在本論文中，即操作商用套裝有限元素分析軟體ANSYS 來分析各種 施力條件下之檢測反應。本文亦將嘗試在基樁頂部、樁中心軸線上與 樁底來佈設接收器以監視應力波傳之經過情形，藉此確認應力波是否 能確實深入基樁底部，期許能進一步了解含樁帽基樁之複雜波傳現象 並試圖突破其檢測困境。

第二章 理論背景

2.1 基礎波傳理論

應力在物質中以動態方式傳遞時，會造成質點以波動形式產生運 動，而此種因應力所引發的質點波動現象稱為應力波(stress waves)。

應 力 波 的 形 式 很 多 ， 如 縱 波(longitudinal waves)、橫波 (transverse waves)、雷利波(Rayleigh wave)以及拉甫波(Love wave)等，其中在基 樁系統中最主要之應力波為縱波、橫波與雷利波。以下即對縱波、橫 波與雷利波，做簡單的介紹：

（1） 縱波：其特徵為質點運動方向與應力波傳播方向平行，其波速 是所有應力波中最快的，因此簡稱P 波(Primary wave)。

（2） 橫波：其特徵為質點運動方向與應力波傳播方向垂直，一般稱 為剪力波(shear wave)，或簡稱 S 波(Secondary wave)。

（3） 雷利波：主要存在介質的自由表面，故又稱為表面波(surface wave)。

在一等向性(isotropic)之介質中，其縱波波速 V

p

、剪力波波速

V s

與雷利波波速

V R

分別為：

( ) ( ν )( ν ) ρ

ν 2 1 1

1

− +

= − E

V

_p

=

ρ

=

(

+

ν ) ρ

1 2

E V

_s

G

V

_R =

α

×

V

_s

其中：E 為材料之楊氏係數(Young’s modulus) G 為材料之剪力模數(shear modulus) ρ 為材料之密度(mass density)

ν 為材料之波松比(Poisson’s ratio)

α 為表面波波速與剪力波波速之轉換因數(factor)，其關係滿足 下列方程式：

2 ( 1 ) ⁰

2 1 1

1 16 2 3 1 8

8

^{4 2}

6

⎥ =

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡

−

− −

⎟ −

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

−

− −

−

− ν

α ν ν α ν

α

2.2 音波回音法

音波回音法(Sonic Echo method，簡稱 SE 法)[10,11]，其所需之主 要儀器如圖2.1 所示。一般而言，其接收器擺放位置為樁頂面，依現 場狀況調節其與頂面中心之距離。其檢測原理為使用衝擊鎚在樁頂敲 擊以產生應力波，當應力波接觸樁底或缺陷時，會產生反射波回傳至 接收器。藉由後續對這些波型資料作處理與分析而判讀出所需資訊。

此項檢測工作所需之設備輕便易帶，因此常做為大量檢測基樁之第一 線非破壞檢測方法。而接收器所接收的訊號，一般是其所在質點之位 移(displacement)、速度(velocity)與加速度(acceleration)，本文研究的 對象主要為位移及速度之歷時曲線。

圖2.1 音波回音法示意圖

2.3 衝擊反應法

衝擊反應法(Impluse Response method, 簡稱 IR 法)與音波回音法 之不同處是衝擊反應法須接收施力的歷時曲線，且須將速度與施力歷 時曲線轉換至頻率域進行處理後得出力學導納曲線。

反應曲線的處理方法是分別將質點的速度以及施力的歷時曲線 以快速傅立葉(Fast Fourier Transform, FFT)轉換至頻率域。並將速度除 以 施 力 ， 即 得 此 基 樁 相 對 於 各 頻 率 下 之 力 學 導 納 值(mechanical admittance value)。對一個典型的完整基樁而言，若將其力學導納值在 頻率域上作圖，則將可得如圖2.2 所示之力學導納曲線(或為機動曲線, Mobility curve)。

圖2.2 力學導納曲線示意圖

一般而言，曲線會包含在低頻區的直線部分、中間的過渡曲線以 及在高頻區的穩態區域等三部份。在穩態區域會有大小級數(order of magnitude)相當之重複波峰(或波谷)出現。若以 P 表波峰值、Q 表波 谷值、∆f 為同一週期內之波峰至下一個波峰間的頻率差，如圖 2.2 所 示，則根據推導可得以下之關係式：

f L V

^bar

= Δ 2

其中

^V

^bar

^{= E} ρ

為一維應力縱波在基樁內之傳播速度，而

L

即為基 樁之長度。

第三章 有限元素數值模式之收斂分析

由於本研究主要是利用套裝有限元素商用軟體

ANSYS

做參數變 化之研究，為了確定所得之數值解已收斂至所要求之精度內，本文即 在此先進行一些數值結果之收斂分析研究。以下即分別針對

(1)

單柱與

(2)

無樁帽單樁之動力分析參數進行收斂分析研究。在此，所考量之參 數包括有限元素網格之大小、動力分析步幅之大小與周圍土壤半徑之 大小等。以求得有效率而又夠精度之模擬結果。因此，在本研究初期 先做初步的三維實體元素之模擬，使本研究能夠在三維實體元素的參 數設定上能得到較佳設定。

3.1 單柱之收斂分析

首先考量不含土壤效應之單柱動力反應，藉此得到本研究中所需 用到之網格大小及分析時間步幅。本研究所使用之元素為

ANSYS

分 析軟體所提供的

SOLID92

四面體立體元素，如圖

3.1

所示。首先考 慮某單柱受到衝擊荷重下之動力反應。此柱之長度為

14

公尺，半徑 為

0.6

公尺，所使用之混凝土材料性質如下：

楊氏係數

3 . 31 10

¹⁰ ₂

N m E = ×

波松比

ν = 0 . 2

密度

2300

₃

m

= kg

ρ

所受之衝擊荷重曲線以半個正弦函數來模擬，衝擊作用之時間為

10

3

5 . 1 ×

⁻

d

=

T

秒

(

或

1 . 5 ms )

。此衝擊力均勻分佈於柱頂面，接收器置於柱 頂面之中心點，柱底面為固定端。首先進行網格元素的細分，將網格 分別切割為

0.4

公尺及

0.2

公尺，每一步的分析時間步幅為

Δt = 0 . 5 × 10

⁻⁴ 秒，則所得位移歷時曲線如圖

3.2

所示，可發現在網格元素邊長為

0.4

及

0.2

公尺時，所得到之位移曲線已幾乎重疊。因此，在本研究中便 固定將網格元素邊長分割為

0.4

公尺。

圖

3.1

四面體立體元素

SOLID92

圖

-1.5E-06 -1.0E-06 -5.0E-07 0.0E+00 5.0E-07 1.0E-06 1.5E-06

0.0E+00 5.0E-03 1.0E-02 1.5E-02 2.0E-02 2.5E-02 3.0E-02 3.5E-02 4.0E-02 4.5E-02 5.0E-02 時間 (s)

位移

(m

)

mesh=0.4 mesh=0.2

圖

3.2

以單柱之動力位移反應進行有限元素網格大小之收斂分析圖

接著進行分析時間步幅之收斂分析。首先分別將時間步幅細分成

10

4

0 . 1 ×

⁻

=

Δt

、

Δt = 0 . 5 × 10

⁻⁴、

Δt = 0 . 1 × 10

⁻⁴及

Δt = 0 . 05 × 10

⁻⁴，則所得之位 移曲線如圖

3.3

所示。由圖中曲線可以發現除了

Δt = 1 . 0 × 10

⁻⁴時，曲線 有較大之起伏振盪之外，其餘三個較小時間步幅之曲線已幾乎完全重 疊。在考量分析所需時間之效益後，本文以下即採用

Δt = 0 . 5 × 10

⁻⁴秒作 為動力分析之時間步幅。為了作比較，圖

3.4

所示即為此時間步幅下 所求得之動力反應與解析解之比較結果。由圖中可看出有限元素之數 值解已非常接近解析解。

-2.00E-06 -1.50E-06 -1.00E-06 -5.00E-07 0.00E+00 5.00E-07 1.00E-06 1.50E-06 2.00E-06

0.00E+00 5.00E-03 1.00E-02 1.50E-02 2.00E-02 2.50E-02 3.00E-02 3.50E-02 4.00E-02 4.50E-02 5.00E-02 時間 (s)

位移

(m

)

∆t=1.0E-4

∆t=0.5E-4

∆t=0.1E-4

∆t=0.05E-4

圖

3.3

不同動力分析之時間步幅下之單柱位移反應

-1.5E-06 -1.0E-06 -5.0E-07 0.0E+00 5.0E-07 1.0E-06 1.5E-06

0.0E+00 5.0E-03 1.0E-02 1.5E-02 2.0E-02 2.5E-02 3.0E-02 3.5E-02 4.0E-02 4.5E-02 5.0E-02 時間 (s)

位移

(m)

三維實體元素 解析解

圖

3.4

單柱動力反應之有限元素解與數值解之比較

3.2 土壤半徑之收斂分析

由於在現地檢測時，土壤為一半無窮域之空間。然而在進行有限 元素數值模擬時，並無法將定義域取為半無窮域，僅能取為有限範 圍，如此則分析結果之有效範圍就有了限制。過去在進行數值分析時 發現將土壤半徑設定過大時，會造成分析耗時過於冗長；但若土壤半 徑設定過小時，則會造成所得之有效時間範圍太小等問題。本文以下 即針對此有效範圍作一探討。

本研究首先將土壤半徑範圍設定為

4

公尺、

10

公尺、

13

公尺與

30

公尺。其中，土壤半徑為

4

公尺及

30

公尺網格示意圖分別如圖

3.5

及圖

3.6

所示。所得之位移歷時曲線則如圖

3.7

所示。從此圖發現當 土壤半徑在

4

公尺及

10

公尺時，因其表面波之邊界反射影響相當的 明顯，而產生不小之震盪反應；當土壤半徑為

13

公尺跟

30

公尺時，

位移曲線已有較大的相似度。但如將土壤設定為

30

公尺時，分析所 需的時間也相對地延長許多，因此在本論文所做的數值模擬中，土壤 的半徑範圍設定為

13

公尺。

圖

3.5

土壤半徑為

4m

下之無樁帽單樁收斂分析之網格圖

-2.5E-06 -2.0E-06 -1.5E-06 -1.0E-06 -5.0E-07 0.0E+00 5.0E-07

0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03 8.0E-03 1.0E-02 1.2E-02 1.4E-02

時間 (s)

位移

(m

)

半徑4公尺 半徑10公尺 半徑13公尺 半徑30公尺

圖

3.7

土壤半徑為

4

、

10

、

13

與

30m

下之無樁帽單樁之收斂分析的 位移比較圖

第四章 群樁效應下檢測斷樁之數值模擬反應

本章主要在探討以衝擊反應法來檢測

(1)

不含樁帽群樁與

(2)

含樁 帽群樁之斷樁情況的可行性。在未知斷樁之真確標的之下，當衝擊反 應法施加在該斷樁之正上方或施加在其他完整樁之正上方時的反應 訊號差異，亦是本文欲釐清之ㄧ點。本文將持續使用

ANSYS

分析軟 體中之三維實體元素來模擬群樁系統的受測反應。文中將依照檢測難 易度來分別對含樁帽與不含樁帽兩類進行分析研究。最後一節則將針 對含樁帽群樁來研究使用均佈衝擊荷重是否有助於提高檢測分析之 成功性。

4.1 模擬問題之幾何組態

4.1.1 荷重模擬

模擬群樁結構系統受衝擊反應檢測實驗時，其衝擊鎚敲擊樁頂或 樁帽頂面之外加荷重

P ( ) t

在數值模式中是以半個正弦波之平方函數來 模擬，其曲線圖如圖

4.1

所示，其定義如下：

p ( ) t = 0

當

t < t

₁

p ( ) t = − p

₀

sin

²

ϖ ( t − t

₁

)

當

t

₁

≤ t ≤ t

₂

p ( ) t = 0

當

t < t

₂

其中，

1

2

t

t −

= π ϖ

而

T

_d

= ( t

₂

− t

₁

)

為外加動力荷重

^p ( ) ^t

之作用時間或延時

(duration)

，

P

₀為此 動力荷重之尖峰值。本研究採用衝擊反應所對應之

P

₀、

T

_d、

t

₁與

t

₂如 下之數值：

P

₀

= 37100 N

t

₁

= 0 . 5 × 10

⁻³

sec

t

₂

= 1 . 9 × 10

⁻³

sec

T

_d

= 1 . 4 × 10

⁻³

sec

以此模擬出之力量曲線與實際衝擊鎚敲擊所產生之波型相比較，如圖

4.2

所示，圖中可看出模擬出之力量曲線波型與實測所得出之力量曲 線波型相似。

-40000 -35000 -30000 -25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0 5000

0.00E+00 1.00E-03 2.00E-03 3.00E-03 4.00E-03 5.00E-03 6.00E-03

時間 (sec)

力量

(N

)

圖

4.1

數值模擬衝擊外力所使用之半個正弦波平方函數圖

0.00E+00 1.00E-03 2.00E-03 3.00E-03 4.00E-03 5.00E-03 6.00E-03

時間 (sec)

模擬衝擊力

實際衝擊力

圖

4.2

數值模擬衝擊力與實際衝擊力量曲線之比較圖

4.1.2 現地環境之模擬

本研究所模擬之現地案例為苗栗縣後龍鎮的新建公路橋樑

[16]

， 水尾橋。該橋樑跨越北勢溪支流，跨越總長為

50

公尺。模擬選定之 基礎為

P1

橋墩。本文首先模擬無樁帽群樁若發生斷樁時之受測反 應。接著當該基礎以樁帽連結成墩柱之基礎後，再進行含樁帽群樁若 發生斷樁時之受測反應。此群樁基礎係由七根基樁與一座樁帽所連結 而構成，群樁上之樁帽長寬分別為

11

公尺與

5

公尺，厚度為

2.5

公 尺，其下之基樁半徑均為

0.6

公尺，設計基樁長度為

14

公尺。圖

4.3

與圖

4.4

即分別為此群樁系統的平面配置圖與側面示意圖。此工址之 土壤分布情形為：

0

至

7

公尺屬卵礫石層；

7

至

18

公尺屬黃灰色沉泥 質細砂層；

18

至

23.4

公尺屬卵礫石層。

圖

4.3

模擬群樁系統之平面示意圖

圖

4.4

模擬群樁系統之側面示意圖

本研究利用半徑

13

公尺之土壤模擬半無窮域之現地土壤環境，

土壤表面與基樁頂面切齊，而土壤與基樁混凝土的參數設定如下：

混凝土材料性質：

楊氏係數

3 . 31 10

¹⁰ ₂

N m E = ×

波松比

ν = 0 . 2

密度

2300

₃

m

= kg

ρ

卵礫石層材料性質：

楊氏係數

6 . 12 10

⁸ ₂

N m E = ×

波松比

ν = 0 . 3

密度

2200

₃

m

= kg ρ

細砂層材料性質：

楊氏係數

5 . 18 10

⁷ ₂

N m E = ×

波松比

ν = 0 . 4

密度

2040

₃

m

= kg ρ

利用上述混凝土的材料性質求出所對應之縱波波速約為

4000 ^m _sec

， 剪力波波速約為

2450 ^m _sec

，表面波波速約為

2100 ^m _sec

。

4.2 含斷樁之無樁帽群樁的受測反應

本研究利用

ANSYS

所提供之

SOLID92

四面體立體元素，建出 無樁帽群樁系統。首先建立出七根基樁，如圖

4.5

所示；接著分別建 立出第一層的礫石層，如圖

4.6

所示，最後加上第二層的細砂層與第 三層礫石層，如圖

4.7

所示。網格的切割，在混凝土部分選定將網格 元素的邊長分割為

0.4

公尺，而在土壤的部份，則將網格元素邊長分 割為

4

公尺，在圖

4.7

中央可看出網格較為密集處即為群樁所在位置。

接著在施力方面，以半個正弦波之平方函數將衝擊力以集中荷重

的方式施加於受測基樁之頂面中心點與其邊緣之距離中點上，並在受 測樁頂面之中心點處接收。以下即分別討論

(1)

當受測樁即為斷樁時與

(2)

受測樁為其他完整基樁時的衝擊反應結果。

圖

4.5

無樁帽群樁之三維有限元素網格圖

圖

4.6

無樁帽群樁與卵礫石層之三維有限元素網格圖

圖

4.7

無樁帽群樁完整模型之網格圖

4.2.1 斷樁為受測樁之案例

首先考慮受測樁在土壤以下

2

公尺處發生斷樁情況，如圖

4.8

所 示。該斷樁之厚度為

2

公尺。其受到前述之衝擊作用力後之位移反應 曲線顯示於圖

4.9

中，為了作清楚之比較，本文亦將全無斷樁之反應 曲線同繪於圖中。由圖中可清楚看出反應曲線中有巨大之差異。換言 之，斷樁之情況是相當可能被偵測出來的。由圖中曲線開始分開之時 間點可反算出斷樁發生之深度為

( 0 . 00165 − 0 . 0007 ) s × 4000 m s ÷ 2 = 1 . 9 m

其與真實深度

2

公尺之誤差僅為

5%

。為了更進一步證明斷樁深度能

處，如圖

4.10

所示。則受測樁同時為斷樁之位移反應曲線將如圖

4.11

所示。本文亦將全無斷樁之反應曲線同繪於圖中。與圖

4.9

之結論一 樣，具斷樁之群樁的反應與完整群樁有相當大之差異。由圖中明顯之 反射波波抵時刻

0.0049

秒可反算出斷樁之深度為

8.4

公尺，其誤差僅 為

5%

。

4.2.2 斷樁不為受測樁之案例

接著同樣考慮圖

4.8

之無樁帽群樁系統，此時，若受測樁為斷樁 相鄰之完整基樁，則其位移反應曲線將如圖

4.12

所示。為了清楚的 比較起見，本文亦將全無斷樁之反應曲線同繪於圖中。由圖中可清楚 看出兩反應曲線幾乎沒有任何差異，因此將此圖利用

FFT

轉換為力 學導納曲線作比較如圖

4.13

所示，結果並無明顯較大的不同。換言 之，該檢測無法偵測出有斷樁存在。由圖中亦可清楚標示出樁底反射 波之波抵時刻為

0.0081

秒，如此可反算出基樁之長度為：

( 0 . 0081 − 0 . 0007 ) s × 4000 m s ÷ 2 = 14 . 8 m

其與真實長度

14

公尺之誤差僅為

5.7%

。接著若把斷樁位置下移至深

8

公尺處，如圖

4.10

所示。且受測樁為相鄰之完整樁，而非該斷樁時，

其受測位移反應將如圖

4.14

所示。同樣的，本文亦將完整之群樁反 應繪於圖中，並且轉換為力學導納曲線圖

4.15

所示，由圖中曲線之 比較可以發現這種檢測配置方式是無法偵測出斷樁之存在的。

圖

4.8

斷樁深度

2m

之無樁帽群樁示意圖

-4.00E-06 -3.50E-06 -3.00E-06 -2.50E-06 -2.00E-06 -1.50E-06 -1.00E-06 -5.00E-07 0.00E+00 5.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (s)

位移

(m

)

受測樁斷樁 完整群樁

圖

4.9

受測樁為深

2m

之斷樁基礎與完整群樁之位移反應比較圖

0.0007

0.0016

圖

4.10

無樁帽群樁孔洞深

8m

位置示意圖

-2.50E-06 -2.00E-06 -1.50E-06 -1.00E-06 -5.00E-07 0.00E+00 5.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (s)

位移

(m

)

受測樁斷樁 完整群樁

圖

4.11

受測樁為深

8m

之斷樁基礎與完整群樁之位移反應比較圖

0.0007

0.0049

-2.50E-06 -2.00E-06 -1.50E-06 -1.00E-06 -5.00E-07 0.00E+00 5.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (s)

位移

(m

)

受測樁非斷樁 完整群樁

圖

4.12

受測樁非斷樁之基礎與完整群樁之位移反應比較圖

(斷樁深

2m

)

0.00E+00 5.00E-08 1.00E-07 1.50E-07 2.00E-07 2.50E-07 3.00E-07

0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00

頻率 (Hz)

力學導納值

受測樁非斷樁 完整群樁

圖

4.13

受測樁非斷樁之基礎與完整群樁之力學導納比較圖

0.0007

0.0081

-2.50E-06 -2.00E-06 -1.50E-06 -1.00E-06 -5.00E-07 0.00E+00 5.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (s)

位移

(m

)

受測樁非斷樁 完整群樁

圖

4.14

受測樁非斷樁之基礎與完整群樁之位移反應比較圖

(斷樁深

8m

)

0.00E+00 5.00E-08 1.00E-07 1.50E-07 2.00E-07 2.50E-07 3.00E-07

0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00

頻率 (Hz)

力學導納值

受測樁非斷樁 完整群樁

圖

4.15

受測樁非斷樁之基礎與完整群樁之力學導納比較圖

(

斷樁深

8m)

0.0007

0.0081

4.2.3 無斷樁下受不同延時之衝擊力作用之反應比較

一般來說，接觸時間越長，所產生之波長也越長，反之則越短。

為了研究應力波長或施力延時對檢測反應之利弊影響，本節即改變施 力延時(亦即改變所導入應力波之波長)來研究其對檢測反應之影 響。本文中，混凝土的波速約為

4000 m s

，將接觸時間乘上縱波波速 即可得到所導入之應力波波長。本節設定了

6

種之衝擊力作用時間，

分別為

0 . 5 ms

(波長為

2

公尺)、

0 . 8 ms

(波長為

3.2

公尺)、

1 ms

(波長為

4

公尺)、

1 . 4 ms

(波長為

5.6

公尺)、

2 ms

(波長為

8

公尺)以及

2 . 5 ms

(波 長為

10

公尺)。當這些衝擊力作用在上節所述之群樁基礎，且無任何 斷樁之情形時，則位移反應曲線將如圖

4.16

所示。從圖中可發現當 波長越短時，所產生的震盪也相對的明顯，曲線也較為銳利，可非常 清楚的發現反射波抵達位置；當波長越長時，產生的位移曲線相當的 平緩，但是反射波之波抵反應也相當的圓滑，較無法精準地決定其長 度。當衝擊力的接觸時間逐漸加長時，反射波所到達時間也往後延，

反算出的基樁長度從接觸時間

0 . 5 ms

的

14.6

公尺到接觸時間

2 . 5 ms

的

15.8

公尺，如此評估樁長之誤差亦提高了。

-3.5E-06 -3.0E-06 -2.5E-06 -2.0E-06 -1.5E-06 -1.0E-06 -5.0E-07 0.0E+00 5.0E-07

0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03 8.0E-03 1.0E-02 1.2E-02 1.4E-02

時間 (s)

位移

(m

)

接觸時間0.5ms 接觸時間0.8ms 接觸時間1ms 接觸時間1.4ms 接觸時間2ms 接觸時間2.5ms

圖

4.16

無樁帽群樁受不同接觸時間之衝擊力作用下之位移反應比較

圖

4.3 含斷樁之含樁帽群樁的受測反應

假如前一節之無樁帽群樁系統加上一厚為

2.5

公尺之樁帽，則其 有限元素之網格系統將如圖

4.17

與圖

4.18

所示。其接收之位置則位 於樁帽頂面上對應於基樁中心軸線的節點，而施力點則大約距敲擊點 約

0.3

公尺，如圖

4.19

所示。以下即分別討論當

(1)

受測樁即為斷樁與

(2)

受測樁為其他完整基樁時的衝擊反應結果分析。

圖

4.17

含樁帽群樁在不含土壤時之有限元素網格圖

圖

4.18

含樁帽群樁系統之完整有限元素網格圖

圖

4.19

衝擊力作用與接收器擺放位置圖

接受位置

施力位置

4.3.1 斷樁為受測樁之案例

首先考慮受測樁在土壤以下

10

公尺處發生斷樁之情形，如圖

4.20

所示。該斷樁之厚度加上樁帽厚為

12.5

公尺。其受到前述之衝擊作 用力後之位移反應曲線顯示於圖

4.21

中，為了做清楚之比較，本文 亦將全無斷樁之反應曲線同繪於圖中。由圖中可清楚看出反應曲線並 無太大之差異。換言之，斷樁之差異只能利用無斷樁之曲線比較而得 出結果，若由圖中曲線發生較明顯的差異反算出斷樁發生之深度為

( 0 . 0072 − 0 . 0007 ) s × 4000 m s ÷ 2 = 13 m

其與真實深度

12.5

公尺之誤差為

4%

，然而這些差異性是靠比較所得 出，因此並無法從單一曲線判定反射波波抵時刻。

4.3.2 斷樁不為受測樁之案例

接著同樣考慮如圖

4.20

之含樁帽群樁系統，此時若受測樁為斷 樁相鄰之完整基樁，則其位移曲線將如圖

4.22

所示。同樣地，為了 清楚的比較起見，本文亦將全無斷樁之反應曲線同繪於圖中。由圖中 可發現兩反應曲線並無多大差異。換言之，該檢測無法偵測出斷樁的 存在，亦無法判斷出反射波波抵時刻。經由反推反射波波抵時刻應為

0 . 0007 s + ( 16 . 5 m × 2 ) ÷ 4000 m s = 0 . 00895 s

但是由圖中並無法清楚看出反射波波抵時刻，因此在含樁帽之群樁系 統，仍舊無法檢測出基樁長度或是斷樁所在的位置。

10公尺 14公尺

基樁 土壤

樁帽 2.5公尺

圖

4.20

含樁帽群樁孔洞深

10m

位置示意圖

-1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (s)

位移

(m

)

受測樁斷樁 完整群樁

圖

4.21

受測樁為深

10m

之斷樁基礎與完整含樁帽群樁之位移反應比

較圖

0.0007

0.0072

-1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (s)

位移

(m

)

受測樁非斷樁 完整群樁

圖

4.22

受測樁非斷樁之基礎與完整含樁帽群樁之位移反應比較圖

(斷裂深度

10m

)

4.3.3 含樁帽群樁受不同延時之衝擊力作用之反應比較

由於在含樁帽群樁中仍無法有效檢測出基樁長度，因此嘗試利用 波長的不同，使應力波能有效穿透樁帽厚度。在本節的模擬設定上基 樁長度為

14

公尺，樁帽厚

2.5

公尺，因此總長度為

16

公尺。本節所 使用之接觸時間與在

4.2.3

節所測試之接觸時間相同，分為六種接觸 時間。這些衝擊力作用在含樁帽群樁基礎，且無任何斷樁之情形時，

則位移反應曲線將如圖

4.23

所示。同樣地，從圖中發現反應曲線也 呈現出短波長時曲線震幅較為劇烈，而長波長時曲線也趨近於平緩。

0.00895

0.0007

波訊號，但並不是非常明顯，因此仍有待進一步的討論分析。

-1.4E-06 -1.2E-06 -1.0E-06 -8.0E-07 -6.0E-07 -4.0E-07 -2.0E-07 0.0E+00 2.0E-07

0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03 8.0E-03 1.0E-02 1.2E-02 1.4E-02

時間 (s)

位移

(m)

接觸時間0.5ms 接觸時間0.8ms 接觸時間1ms 接觸時間1.4ms 接觸時間2ms 接觸時間2.5ms

圖

4.23

含樁帽群樁受不同延時之衝擊力作用下之位移反應比較圖

4.3.4 以均佈施力之反應結果

由於在改變衝擊力接觸時間之結果並不是很明顯，且在過往之研 究中，均利用集中力敲擊基樁頂面，因此考慮將施力方式改變為均佈 力的作用方式，以研究其影響結果。然而考量到實際操作上之困難 度，因此，本文以分開單點敲擊，同一點接收之方式，最後將反應疊 加而模擬均佈之整體效果，如圖

4.24

所示。

反推反射波可

能所在位置

圖

4.24

以各單點敲擊，同一點接收來模擬均佈施力之示意圖

模擬的群樁仍然是基樁長度

14

公尺，樁帽厚

2.5

公尺，總長度 為

16.5

公尺。首先使用均佈力模擬衝擊反應，在此均佈力的接觸時 間分為

0 . 5 ms

及

1 . 4 ms

兩種接觸時間，圖

4.25

及圖

4.26

分別為均佈力 與相對應接觸時間之集中力作比較。比較這兩張圖可發現，集中力跟 均佈力所產生出之位移訊號並無太大之不同。在接觸時間為

0 . 5 ms

時，大致上的位移訊號趨勢相當類似；而在接觸時間為

1 . 4 ms

時，訊 號之波型也極為類似，因此也無法判斷反射波所在位置。

11m

測試樁 5m

疊加

接收位置

敲擊位置

均佈力

接收位置

NO.1

NO.2

NO.6

-1.20E-06 -1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移 (m)

集中敲擊 均佈敲擊

圖

4.25

接觸時間為

0.5ms

之集中力與均佈力位移比較圖

-1.4E-06 -1.2E-06 -1.0E-06 -8.0E-07 -6.0E-07 -4.0E-07 -2.0E-07 0.0E+00 2.0E-07

0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03 8.0E-03 1.0E-02 1.2E-02 1.4E-02

時間 (s)

位移

(m

)

集中敲擊 均佈敲擊

圖

4.26

接觸時間為

1.4ms

之集中力與均佈力位移比較圖

接下來所做的是利用在接收器周圍敲擊，將各個數據接收，並進 行疊加，看是否能將反射波訊號展現出來，在這裡所使用的接觸時間 為

1 . 4 ms

。圖

4.27

為未進行疊加前之訊號，圖

4.28

為疊加後訊號並與 集中力及均佈力作比較。圖中所顯示出之波型均相當類似，而在疊加 之後與均佈力以及集中力作比較，發現主要波型與集中力大致上吻 合，也同樣無法發現相當明顯之反射波訊號。

-1.2E-06 -1.0E-06 -8.0E-07 -6.0E-07 -4.0E-07 -2.0E-07 0.0E+00 2.0E-07

0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03 8.0E-03 1.0E-02 1.2E-02 1.4E-02

時間 (s)

位移

(m)

NO.1敲擊，中心收 NO.2敲擊，中心收 NO.3敲擊，中心收 NO.4敲擊，中心收 NO.5敲擊，中心收 NO.6敲擊，中心收

圖

4.27

單點敲擊，同一點接收且未疊加前之位移反應曲線

-1.4E-06 -1.2E-06 -1.0E-06 -8.0E-07 -6.0E-07 -4.0E-07 -2.0E-07 0.0E+00 2.0E-07

0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03 8.0E-03 1.0E-02 1.2E-02 1.4E-02

時間 (s)

位移

(m

)

集中敲擊 均佈敲擊 疊加

圖

4.28

單點敲擊，同一點接收且疊加後之位移反應曲線

第五章 含樁帽基樁之應力波傳衰減分析

由在前一章之研究中發現當基樁結構系統具有樁帽時，某根基樁 受測之樁底反射波訊號便難以被分離而辨識之。為了要了解應力波在 此含樁帽之基樁內的應力波傳情形以及其隨距離而衰減的情形，本章

即使用

ANSYS

三維實體元素來模擬基樁系統之檢測反應，並且除了

在樁頂及樁底佈設接收器以外，亦在基樁之中心軸線上沿途佈設接收 器，以觀察應力波傳之變化情形，並藉此釐清含樁帽基樁之檢測訊號 複雜之問題所在。

5.1 參數變化研究項目

為了探討樁帽效應對分析檢測結果之影響，本章特別進行二項

參數變化之研究，即

(1)

將基樁長度固定為

16

公尺，而變化樁帽厚度 為

0

、

1

、

2

與

4

公尺，如圖

5.1

所示，並在樁帽頂面與基樁底面放置 接收器。

(2)

將樁帽與基樁之總長度固定為

16

公尺，而變化樁帽之厚 度為

1

、

2

與

4

公尺，如圖

5.2

所示。並沿著基樁之中心軸線上等距 佈設

5

個接收器，以觀察應力波傳之變化與衰減情形。圖

5.2

所示即 為此幾何配置圖。以下即分別以此兩大類參數變化之分析結果提出討 論。

16公尺 16公尺 16公尺

1公尺 2公尺

1.2公尺 1.2公尺 1.2公尺

接收

接收

接收

接收 接收 接收

16公尺 4公尺

1.2公尺 接收 接收

16公尺 16公尺 16公尺

1公尺 2公尺

1.2公尺 1.2公尺 1.2公尺

接收

接收

接收

接收 接收 接收

16公尺 4公尺

1.2公尺 接收 接收

16公尺 16公尺 16公尺

1公尺 2公尺

1.2公尺 1.2公尺 1.2公尺

接收

接收

接收

接收 接收 接收

16公尺 4公尺

1.2公尺 接收 接收

圖

5.1

樁長

16m

且樁帽厚

0

、

1

、

2

與

4m

之示意圖

15公尺 1公尺

4公尺 2公尺

14公尺

12公尺 接收

接收 接收

3.75公尺 3.5公尺 3公尺

圖

5.2

樁帽與基樁總長

16m

且樁帽厚

1

、

2

與

4m

之示意圖

5.2 樁長固定但樁帽厚變化下之分析結果

為了要確認應力波是否有穿透樁帽而達到基樁底面，本節除了將 接收器擺放於樁帽頂面之外，亦在基樁底層增加一接收點如圖

5.1

所 示，以了解應力波傳衰減的情形是否明顯。此研究中，各基樁之長度 皆固定為

16

公尺而樁帽之厚度分別為

0

、

1

與

2

公尺。圖

5.3

即為無 樁帽之位移反應曲線，圖

5.4

、圖

5.5

與圖

5.6

則分別為為樁帽厚

1

公 尺、

2

公尺與

4

公尺之位移反應曲線。由這些圖可以發現，應力波確 實有抵達基樁之底部，且其振幅比例亦不低，並非原本所推測應力波 之大部分被侷限在樁帽內來回反射而無法深入基樁底部。並且發現當 應力波到達樁底時，所造成之最大位移量亦約有初始樁頂最大位移量 的一半，無論是無樁帽或是樁帽厚度為

4

公尺。可見應力波確實有相 當的部份經過樁帽而進入基樁內。

-2.50E-06 -2.00E-06 -1.50E-06 -1.00E-06 -5.00E-07 0.00E+00 5.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移

(m

)

樁頂收 樁底收

圖

5.3

樁長

16m

且樁帽厚

0m

下在樁頂與樁底之位移反應曲線

-1.40E-06 -1.20E-06 -1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移 (m)

樁頂收 樁底收

圖

5.4

樁長

16m

且樁帽厚

1m

下在樁頂與樁底之位移反應曲線

-1.40E-06 -1.20E-06 -1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移 (m)

樁頂收 樁底收

圖

5.5

樁長

16m

且樁帽厚

2m

下在樁頂與樁底之位移反應曲線

-1.20E-06 -1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移 (m)

樁頂收 樁底收

圖

5.6

樁長

16m

且樁帽厚

4m

下在樁頂與樁底之位移反應曲線

5.3 樁帽與基樁之總長固定但樁帽厚變化下之分析結

果

為了能更清楚地比較應力波衰減與樁帽厚度之關係，本節將樁帽 與基樁之總長度固定為

16

公尺，而單獨變化樁帽厚度為

1

、

2

與

4

公 尺，如圖

5.2

所示。另外，亦在基樁沿其中心軸線上等距設置了

5

個 接收器。圖

5.7

、圖

5.8

及圖

5.9

分別為樁帽厚

1

公尺、

2

公尺及

4

公 尺時之位移反應曲線。為了更清楚地觀察到應力波之衰減情形，圖

5.10

、圖

5.11

及圖

5.12

即為對應於圖

5.7

、圖

5.8

與圖

5.9

之曲線在 移除樁頂與樁底之位移反應後之結果。由圖

5.10

可發現在距土壤以

下

3.75

公尺、

7.5

公尺及

11.25

公尺處接收，均可看到從樁底反射之

訊號，如圖中箭頭處，但是同樣也發現反射訊號逐漸不明顯。而在圖

5.11

中，由於樁帽厚度由

1

公尺增大為

2

公尺，使得反射訊號在基樁 內部已無法清晰辨識出。從這幾張圖可大致了解，樁帽厚度雖然會影 響到應力波傳遞到樁底之強度，但在整個基樁內應力波波傳之能量也 逐漸散失。因此，對於含樁帽之基樁檢測上之困難度，一方面跟樁帽 的厚度有關係，另一方面也跟應力波能否確實在基樁內部來回傳遞有 密切的關係。

-1.40E-06 -1.20E-06 -1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移

(m

)

樁帽頂接收 基樁與樁帽間接收 距土壤以下3.75公尺 距土壤以下7.5公尺 距土壤以下11.25公尺 基樁底部接收

圖

5.7

樁帽與基樁總長

16m

且樁帽厚

1m

下沿基樁軸線之位移反應衰 減圖

-1.40E-06 -1.20E-06 -1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移

(m

)

樁帽頂接收 基樁與樁帽間接收 距土壤以下3.5公尺 距土壤以下7公尺 距土壤以下10.5公尺 基樁底部接收

圖

5.8

樁帽與基樁總長

16m

且樁帽厚

2m

下沿基樁軸線之位移反應衰

-1.20E-06 -1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移

(m

)

樁帽頂部接收 基樁與樁帽間接收 距土壤以下3公尺 距土壤以下6公尺 距土壤以下9公尺 基樁底部接收

圖

5.9

樁帽與基樁總長

16m

且樁帽厚

4m

下沿基樁軸線之位移反應衰 減圖

-1.40E-06 -1.20E-06 -1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移

(m

)

基樁與樁帽間接收 距土壤以下3.75公尺 距土壤以下7.5公尺 距土壤以下11.25公尺

圖

5.10

樁帽與基樁總長

16m

且樁帽厚

1m

下沿基樁軸線較小區間內

之位移反應衰減圖

-1.20E-06 -1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移

(m

)

基樁與樁帽間接收 距土壤以下3.5公尺 距土壤以下7公尺 距土壤以下10.5公尺

圖

5.11

樁帽與基樁總長

16m

且樁帽厚

2m

下沿基樁軸線較小區間內

之位移反應衰減圖

-1.20E-06 -1.00E-06 -8.00E-07 -6.00E-07 -4.00E-07 -2.00E-07 0.00E+00 2.00E-07

0.00E+00 2.00E-03 4.00E-03 6.00E-03 8.00E-03 1.00E-02 1.20E-02 1.40E-02

時間 (sec)

位移

(m

)

基樁與樁帽間接收 距土壤以下3公尺 距土壤以下6公尺 距土壤以下9公尺

圖

5.12

樁帽與基樁總長

16m

且樁帽厚

4m

下沿基樁軸線較小區間內

第六章 現地基樁檢測系統之開發

由於商用套裝基樁檢測儀器組通常已將各種硬體元件與軟體完 全組裝封包，以使得檢測工作能在最簡易的情形下進行。然而另一方 面而言，卻也代表了其在創新研發上的沒彈性。本研究室多年前所購 入之基樁非破壞檢測儀器組即有此項限制，對於檢測數據之處理，僅 能在其提供之功能範圍內操作，無法獲得其最原始之檢測歷時反應而 配搭以新的後續處理分析。為了解決此一困境，本研究決定購置各項 硬體元件來自行組裝，並利用

LabVIEW

圖控式程式語言來自行開發 適合之軟體程式，以自行建立出一套可應用於現地基樁非破壞檢測之 儀器組。

6.1 硬體元件

本系統所使用之硬體主要有訊號擷取卡、衝擊鎚以及速度規，並 配合筆記型電腦與線材，組合成一套可應用於檢測基樁之現地非破壞 檢 測 儀 器 組 。 本 套 儀 器 之 訊 號 擷 取 卡 是 使 用 美 商

NI(National

Instruments)

所生產之

DAQ-700

，如圖

6.1

所示。此擷取卡的最大取樣 頻率

(Maximum sample rate)

為

100 KS s

，但為了防止儲存檔案過大，且 考量一般現地檢測時所測之訊號都在數百

Hz

左右，因此取樣頻率設 定為

20 KS s

。而彈性波源則採用

PCB

公司所製造之

086D20

衝擊鎚，

如圖

6.2

所示，此組衝擊鎚有不同材質的接觸面可供選擇更換，以產 生適當的彈性波源，從不同硬度之接觸面所產生之接觸時間最長到最 短分別約為 ms8 、 ms6 、 ms4 及 ms2 可供更換。彈性波訊號接收部 分則是使用

PCB

公司所生產之

VO625A01

速度規，如圖

6.3

所示。

將各樣硬體元件組合起來，即成一套基本的動力反應檢測儀器組，如 圖

6.4

所示。

圖

6.1

由

NI

公司所製造之

DAQ-700

擷取卡

圖

6.2

由

PCB

公司所製造之

086D20

衝擊鎚

圖

6.3

由

PCB

公司所製造之

VO625A01

速度規

圖

6.4

自行組裝開發之基樁非破壞檢測儀器組

6.2 檢測系統軟體之開發

當硬體組裝完畢，接著就須開發控制軟體，以統合各項元件而發 揮其功能。本研究使用

LabVIEW

圖控式程式語言來開發出此控制軟 體之視窗介面。整個程式之基本架構如圖

6.5

所示。首先設定適合之 採樣頻率

(sample rate)

以及緩衝區大小

(buffer size)

。接著決定出觸發時 間的位置以及觸發的大小。當設定完成後即可進行試驗。在每一次觸 發完成後，即讀取力量及速度反應之歷時資料，並可經過快速傅立葉 轉換

(Fast Fourier Transform, FFT)

之處理，而得到力學導納曲線，並同 時進行存檔的動作，將力量、速度歷時曲線以及力學導納曲線皆儲存 起來，以供後續之分析或是與數值模擬數據比較等進一步處理之用。

開始

設定取樣頻率 與緩衝區大小

設定觸發時間

觸發與擷取訊號

速度曲線 力量曲線

FFT

轉換 力學導納曲線

儲存數據

結束

經由擷取卡所接收的訊號，經程式處理後可顯示於電腦的螢幕 上，本設計可供選擇顯示的結果有力量與速度圖、力量與位移圖、力 學導納曲線圖以及力量與速度的頻率成份圖，如圖

6.6

、圖

6.7

、圖

6.8

與圖

6.9

所示。這些圖表均可調整其刻度之大小，因此可輕易的 從這些圖形上，分析而獲得檢測所欲得到之資訊。

圖

6.6

力量及速度之顯示畫面

圖

6.7

力量及位移之顯示畫面

圖

6.9

力量與速度曲線之頻率成份的顯示畫面

第七章 結論與建議

在基樁非破壞檢測與評估的工作上，含樁帽基樁之案例一直是無 法突破的項目。即使是最基本的長度評估工作，仍是困難重重。本研 究之目的即是更深入地來探討此一問題的核心。文中利用三維實體有 限元素來模擬不含樁帽群樁與含樁帽群樁的長度評估或斷樁評估工 作，以確認其應用的可行性與困難之所在。此外本研究亦探討了應力 波沿著基樁中心軸線上之隨距離而衰減之情況，以了解樁底反射波為 何難以從樁帽頂面之反應中辨識出來。最後，本研究還利用

LabVIEW

圖控程式軟體而自行開發出一套基樁之非破壞檢測儀器組，可配合現 地之檢測而即時顯示施力、速度反應與力學導納曲線以作進一步分析 評估之用。從各項研究中，本文提出如下幾點結論：

（

1

） 無樁帽群樁之斷樁檢測，只要受測樁即為斷樁，則成功檢測之 可行性相當高，當然此成功率仍受其他因素(如徑長比)之影響。

（

2

） 無樁帽群樁之斷樁檢測，若受測樁並非斷樁，則基本上無法偵 測出斷樁之存在。換言之，群樁中之每一根基樁皆應受測，以 確定是否有斷樁存在。

（

3

） 含樁帽群樁之斷樁檢測，不管受測樁是否為斷樁，皆難以評估

（

4

） 改變衝擊力之接觸時間分別對無樁帽與含樁帽群樁系統做數值 模擬可發現，接觸時間的增長會使反應趨於平緩，反射波的位 置判定也較易延後。然而針對含樁帽群樁系統，則仍然難以標 示出樁底反射波之波抵時刻。

（

5

） 由觀察基樁內部之質點振動反應可發現，由基樁頂部所傳遞下 來之應力波，確實亦明顯地抵達基樁底部。但是由於隨距離的 衰減使得訊號相對地在樁帽之邊界內來回反射所產生之波動較 為微弱，易湮沒在整體訊號中。此為真正問題之所在。

（

6

） 利用

LabVIEW

圖控程式軟體所開發之現地基樁非破壞檢測儀

器 組 之 功 能 已 逐 漸 完 善 。 未 來 可 考 慮 將 阻 抗 縱 剖 分 析

(Impedance Log, IL)

法以及指數放大處理加入此系統中，使之成

為一套更完整之檢測系統。

參考文獻

1.

余文裕，

2000

，「在樁帽與群樁效應下檢測基樁長度之理論與實 驗研究」，中華大學土木系碩士論文。

2.

林明勳，

2003

，「無樁帽單樁與含樁帽群樁完整性之現地檢測」， 中華大學土木系碩士論文。

3. Lin, Y., Sansalone, M., Carino, N.J., 1997, “Impact-Echo Response of Concrete Shafts,” Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, 14, No.

2, Jun., pp.121-137.

4. Liao, S. T., 1994, “Nondestructive Testing of Piles,” Ph. D.

Dissertation, The University of Texas at Austin.

5. Liao, S.T., Roesset, J.M., 1997, “Dynamic Response of Intact Piles to Impulse Loads,” International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 21, No.4, pp.225-275.

6. Liao, S.T., Roesset, J.M., 1997, “Identification of Defects in Piles through Dynamic Testing,” International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 21, No.4, pp.277-291.

7. Finno, R.J. & Gassman, S.L., 1998, “Impluse Response Evaluation of Drilled shafts,” J. of Geotechnical and Enviromental Engineering, ASCE, Vol.124, NO. 10, Oct., pp.965-975.

8. Finno, R.J., Gassman, S.L., & Kmhanifah, A., 1998, “Parallel

Seismic Evaluation of the NDE Test Section at the National

Geotechnical Experimentation Site at Northwestern University,”

9. Finno, R.J., Gassman, S.L., & Osborn, P.W., 1997, “Non-Destructive Evalution of a Deep Foundation Test Section at the Northwestern University National Geotechnical Experimentation Site,” a report submitted to the Federal highway Administration and presented at http://iti.acns.nwu.edu/projects/found/dft.html.

10.

廖述濤，

1996

，「基樁的脈波反應測試及力學導納分析」，檢測科 技，

14

卷

2

期（

3-4

），

94-103

頁。

11.

倪勝火，「基樁的非破壞檢測與案例」，地工技術雜誌，

52

期，中 華民國八十四年

12

月，

49-62

頁。

12.

廖述濤、倪勝火、傅國倫，

1999

，「基樁非破壞性之檢測與評估」，

檢測科技，

17

卷

3

期，財團法人中華民國非破壞檢測協會，

5-6

月，

97-119

頁。

13.

陳政豪，

1998

，「基樁之平行震測法與超震測法之研究」，中華大 學土木系碩士論文。

14. Liao, S.T., Roesset, J.M., & Chen, C.-H., 1998, “Numerical Simulation of Nondestructive Parallel Seismic Test for Piles,” The Sixth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction, Taipei, Taiwan, pp. 1997-2003.

15.

陳政豪、廖述濤，

1998

， 「以平行震測法檢測基樁完整性之研 究」 ，

1998

建築物防災檢測與補強技術研討會論文集，土木工 程與防災科技研討會，國立台北科技大學土木與防災研究所，

9

月

3-4

日，

155-168

頁。

16.

周芃逸，

2005

， 「無樁帽與含樁帽群樁之三維實體數值模擬與 現地非破壞檢測結果之比較研究」，中華大學土木系碩士論文。