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(1)

摘 要

於公路之修復、養護上需調查路基狀況,設計面層厚度需要路基 強度特性的參數,傳統上,為求得路基之相關參數有多種試驗方法,

惟各種試驗方法尚有實用面之考量,未能被普遍使用,故有必要導入 較經濟、簡易、省時且可靠之調查法。

為應用動態圓錐貫入儀(Dynamic cone penetrometer, DCP) 觀察 乾土料之承載力,本研究特自製大型夯實鋼模,並調製一種山砂及四 種道路用土樣,各將其烘乾後夯製出五種不同鬆密程度之試體,計成 功的完成了 25 個試體之試驗室 DCP 貫入試驗,並進行現地 DCP 貫 入試驗及密度試驗,同時測其衝擊加速度 ,研究發現:於不同試樣 之 DCP 貫入曲線因土類、顆粒最大粒徑、粗料含量等而異;表現試 體貫入曲線性質之參數為平均貫入比 ,愈堅硬之土其 愈小;

試體鬆密程度對 的影響性,於山砂、A-6 類土小,而於級配料、

A-3 類土、A-2-4 類土大;本研究結果可依現地 DCP 貫入曲線之特質 性及其 值,來判釋道路路基及底層土料的厚度與鬆密程度。

Ia

APR APR

APR

APR

再觀察 與 及 之關係,原則上隨 及 增大因愈難貫入致 漸減小;另在 小於 3 之狀態式(2.4)所推測之CBR會超大,因 此著者改以楊朝平研究團隊所建議適用於含粗料砂質土之式(4.5)來

APR

γ

d

APR

Ia

γ

d Ia

APR

(2)

估算CBR[吳信龍, 2002]比較合理;依現地量測 值估算之CBR於級配 料為 81.5%、於 A-3 類土為 76.5%、於 A-2-4 類土為 69.8%、於 A-6 類土為 36.1%;依 值推測之彈性模數

Ia

CBR E於級配料為 293.9 、

於 A-3 類土為 282.2 、於 A-2-4 類土為 266.0 、於 A-6 類土為 174.5 ;試樣之最大粒徑若小於錐底直徑則其貫入曲線 斜率呈定值,反之易發生顆粒錐頭阻抗效應;DCP 攜帶方便,拆卸 與操作容易且價格低,經本研究試驗結果顯示能快速求得 CBR 與回 彈模數

/ m2

MN

m2

/ m2

MN MN/

m2

/ MN

E

關鍵詞:DCP 貫入試驗、平均貫入比、衝擊加速度、加州承載比、

回彈模數

(3)

Abstract

In light of survey subgrade condition on highway’s repairs and maintenance, it parameter of subgrade strength character is necessary for surface course’s thickness design, traditionally, there have lots kind of testing method in order to seek for some relevant parameters of subgrade, but those testing methods still exist in its pragmatically consideration, so that, it isn’t utilized commonly at present, those that being conducted into a more economically, easily, time saving and reliably investigation methods are necessary.

Utilize a dynamic cone penetrometer for monitor dry soil’s bearing force. We have custom-made a huge compacting steel mold for this study, and then modulated a bind of stone crashed sand as well as four subgrade samples also, after being dried of each sample and then divided 5 various density samples, totally, 25 samples were finished for DCP penetration test at laboratory and conducted DCP’s penetration test and density test at spot, meanwhile, of that impact acceleration Ia was being tested.

We found that there were different on sample’s DCP penetration curves that conduced by its kind of soils, maximum granular diameter, coarse aggregate content, it showed up its penetration curve character’s parameters were average penetration ratio APR, the more hardened soil, the less APR, the APR effectiveness of sample density, the less on stone crashed sand and A-6, but the more its gradation on A-3 soil and A-2-4 soil. The result of this study could conduce on DCP’s penetration curve character at spot and its APR data, which it distinguished from both subgrade and base thickness of soil as well as its density, we also reviewed the relation both APR, γd and Ia, basically, because of penetration difficulty the moreγd and Ia, the less APR. In equation(2.4) if

(4)

APR less than 3, its CBR may unlimited, therefore, we accepted another research force task’s recommendation, valuated its CBR with coarse aggregate’s equation(4.5) was more reasonable, we also calculated that data Ia’s gradation was 81.5%, A-3 soil was 76.5%, A-2-4 soil was 69.8%, A-6 soil was 36.1%, respectively.

Based on value of CBR its resilient modulus on gradation was 29.3MN/m2, A-3 soil was 282.2MN/m2, A-2-4 soil was 266.0MN/m2, A-6 soil was 174.5MN/m2.If that sample’s maximum granular diameter was less than bottom of cone diameter, then its slope of penetration curve was a constant, on contrary, it conduced easily the effect of granular cone head resistance. Due to DCP was a portable, detachable, operable device and low price advantageously, in light of this study’s the result of test had showed up that the CBR and its resilient modulus could gain at short time.

Keywords : DCP penetration test, Average penetration ratio, Impact acceleration, California bearing ratio, Resilient modulus

(5)

目 錄

中文摘要……….I 英文摘要……….……….III 目錄………..…….V 圖索引………...……….…….VII 表索引………...…………...………XI

第一章 緒論………..……….….1

1.1 研究動機與目的………...……1

1.2 研究方法……….……….……….2

1.3 論文架構………..……….4

第二章 文獻回顧.………..……….5

2.1 面層厚度設計..………..……...6

2.2 面層厚度設計參數試驗法.………..………8

第三章 試驗方法………….……….17

3.1 準備作業……….…….………...17

3.2 物理性質試驗………..………...19

3.3 工程性質試驗……….………....22

(6)

第四章 試驗結果分析…….……….………37

4.1 試樣性質…….……….………...37

4.2 試驗室 DCP 試驗結果……….………...43

4.3 APR與 、

γ

d Ia關係……….………...77

4.4 CBR 與 E 之估算……….……….………...……….83

4.5 現地 DCP 試驗結果………...……….87

第五章 結論與建議……….……….89

5.1 結論……….………89

5.2 建議……….………90

參考文獻………..91

(7)

圖 索 引

圖 1.1 研究流程.………..……..………..3

圖 2.1 面層厚度設計圖(依據CBR值、承載值).……….……...………6

圖 2.2 面層厚度設計圖(依據R值)……….…….…….7

圖 3.1 現地取樣情形(A-2-4 土壤)……….……….……….18

圖 3.2 現地取樣情形(規定級配料)……….………18

圖 3.3 試驗鋼模組件…………..….………..20

圖 3.4 試驗鋼模組立情形………..……….………..20

圖 3.5 組裝試驗鋼模夯製試體情形…….………..…………..26

圖 3.6 取下延伸環刮平試體……….…………..………..26

圖 3.7 現地路基填築情行……….………28

圖 3.8 砂錐法工地密度試驗……….………28

圖 3.9 核子密度儀……….………28

圖 3.10 DCP 儀器………..32

圖 3.11 試驗室 DCP 試驗……….……….33

圖 3.12 現地 DCP 試驗……….……….33

圖 3.13 衝擊加速度儀……….………..35

圖 3.14 試驗室量測衝擊加速度……….………..35

(8)

圖 3.15 現地量測衝擊加速度…………..……….36

圖 4.1 山砂之粒徑分佈………..……….39

圖 4.2 級配料之粒徑分佈………..……….39

圖 4.3 A-3 試樣之粒徑分佈…………..………..40

圖 4.4 A-2-4 試樣之粒徑分佈………..………….………..40

圖 4.5 A-6 試樣之粒徑分佈………..………..41

圖 4.6 五種試樣之粒徑分佈………..……….41

圖 4.7 DCP 試驗之貫入曲線例………..……..………..44

圖 4.8 山砂之 DCP 試驗結果(Dr=16.6 %)………...………..…45

圖 4.9 山砂之 DCP 試驗結果(Dr=25.3 %)……..………...…………46

圖 4.10 山砂之 DCP 試驗結果(Dr=52.8 %)……….………47

圖 4.11 山砂之 DCP 試驗結果(Dr=68.8 %)………...…………48

圖 4.12 山砂之 DCP 試驗結果(Dr=81.2 %)………...…………..49

圖 4.13 山砂五種試體之 DCP 貫入曲線………..………50

圖 4.14 級配料之 DCP 試驗結果(Dr=15.7 %)………...……..52

圖 4.15 級配料之 DCP 試驗結果(Dr=23.1 %)………...…..…………53

圖 4.16 級配料之 DCP 試驗結果(Dr=50.4 %)………...…..……54

圖 4.17 級配料之 DCP 試驗結果(Dr=68.6 %)………...………..55

圖 4.18 級配料之 DCP 試驗結果(Dr=78.3 %)……….…………..…..56

(9)

圖 4.19 級配料五種試體之 DCP 貫入曲線………..………57 圖 4.20 A-3 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=17.8 %)…………..…………59 圖 4.21 A-3 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=24.8 %)………..………60 圖 4.22 A-3 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=52.5 %)……..………..……..61 圖 4.23 A-3 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=65.5 %)………....……..62 圖 4.24 A-3 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=83.4 %)………..……....63 圖 4.25 A-3 試樣五種試體之 DCP 貫入曲線………..……….………64 圖 4.26 A-2-4 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=15.3 %)……….…….65 圖 4.27 A-2-4 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=25.9 %)……….…….66 圖 4.28 A-2-4 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=51.1 %)…………..………67 圖 4.29 A-2-4 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=69.2 %)………….……….68 圖 4.30 A-2-4 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=80.4 %)………..69 圖 4.31 A-2-4 試樣五種試體之 DCP 貫入曲線………….…….……..70 圖 4.32 A-6 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=12.9 %)………..………72 圖 4.33 A-6 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=13.4 %)………..……73 圖 4.34 A-6 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=14.8 %)…………....………..74 圖 4.35 A-6 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=15.1 %)………....……..75 圖 4.36 A-6 試樣之 DCP 試驗結果(Dr=15.3 %)…………..………....76 圖 4.37 A-6 試樣五種試體之 DCP 貫入曲線………..….………77

(10)

圖 4.38 四種試料之 APR 與

γ

d關係………..….……80 圖 4.39 A-6 試料之 APR 與

γ

d迴歸關係………....….………80 圖 4.40 級配料、A-3、A-2-4 試料之 APR 與

γ

d迴歸關係……...……81 圖 4.41 四種試料之 APR 與 關係……….….………82 Ia

圖 4.42 A-6 試料之 APR 與 迴歸關係………..…...………82 Ia

圖 4.43 級配料 A-3、A-2-4 試料之 APR 與Ia迴歸關係……....….………83 圖 4.44 現地 DCP 試驗之貫入曲線……….………….88

(11)

表 索 引

表 3.1 土壤之標準 Proctor 試驗(Ec=2,693kJ/ m3)夯實性質…...…24

表 4.1 試樣性質一覽……….………42

表 4.2 不同試體狀態之 APR 值、Ia………...……...………..79

表 4.3 不同試體狀態之估算CBR值………...……….……….85

表 4.4 不同試體狀態之估算 E 值……….…...………….86

(12)

第一章 緒論

1.1 研究動機與目的

臺灣之公路具不同時期興建、土石料多樣、料源品質難控制、廠 商良宥不齊等特性,故於公路之修復、養護上需調查路基狀況。另一 方面,因為路基是路堤的基礎,且面層厚度設計之依據是路基強度,

故路基的土類、厚度及強度之調查於設計上亦不可或缺。表示路基強 度特性的參數為加州載重比CBR、土壤阻力R、承載值 及彈性模數qu

E等,其中依路基之CBRE來設計面層厚度已蔚為主流。

傳統上,為求得路基之 需施行現地加州承載比試驗(或稱現 地CBR試驗),而為求其

CBR

E是使用落鎚式撓度試驗法(Test Method for Deflections with Falling-weight-type Impulse Load Device, FWD)及動 態圓錐貫入法(Dynamic Cone Penetrometer, DCP),其中現地CBR試驗 及落鎚式撓度試驗為有規範可循之制式試驗,惟此兩種試驗之設備費 用約臺幣六、七百萬元甚貴,且需常態性檢定其感應器致不易管理。

為此,源自 1970 年代,於美國公路系統業已使用動態圓錐貫入法調 查路基土壤之性質,此儀器之優點為操作容易、迅速得到結果、易維 護管理、便宜等(約臺幣七萬元)。雖然動態圓錐貫入法在國外已有 相當實績,惟尚存其結果與CBRE間缺實質律定關係而美中不足,

(13)

於國內也僅公路局一使用案例。

於路基之調查約以 100 為單位區段,若損壞情況在長區段內相 似者可改為 500 ~1000m。因公路里程長,若依規定於各調查區段施 行開挖、現地 試驗及落鎚式撓度試驗,不但需龐大的人力、物力、

經費且費時,故有必要導入較經濟、簡易、省時且可靠之調查法。為 此,本研究擬對動態圓錐貫入儀做進一步研究,特別觀察其於本土路 基 材 料 之 貫 入 性 質 、 型 態 , 並 律 定 其 平 均 貫 入 比 ( Average Penetration Ratio)與CBR

m

m

CBR

APR

E關係,以提供國內工程界參考。因動態 圓錐貫入儀可迅速求得路基強度,故對新建路基品質控制及舊道路各 層狀況調查上,提供另一良好的調查及印證設備。

1.2 研究方法

圖 1.1 為本研究之流程,含大型鋼模製作、試驗設施整備、試料 物理性質試驗(粒徑分佈、比重、稠度、分類等)、試樣調製(五種 試料各五種乾單位重計 25 種試樣)、試驗室 DCP 貫入試驗、現地 DCP 貫入試驗及密度試驗等項。續整理試驗數據將結果圖表化,觀察各試 樣之 DCP 貫入曲線性質將其與現地者相比較,並計算各試樣之 藉 文獻律定公式以求得其對應之CBR值、

APR

E值。最後,彙整本研究成果,

並建議後續待研究課題。

(14)

結論與建議 試驗結果分析

試驗室 DCP 貫入試驗 密度試驗 現地 DCP 貫入試驗

工地密度試驗

於試驗室使用試驗鋼模夯實 不同單位重之試體 現地路基填築

試樣物理性質試驗

(粒徑分析試驗、比重試驗、稠度試驗等) 現地取試樣及製作試驗鋼模

選擇正在進行路基填築工程之土 作為調查試樣(五種)

圖 1.1 研究流程

(15)

1.3 論文架構

本論文分五章,第一章為緒論,旨在說明研究之目的、動機及以 動態圓錐貫入法 DCP 調查路基狀況之經濟性、適用性。於第二章對 相關文獻做回顧,分析國內外相關於路基調查之試驗方法、儀器,綜 合比較各試驗法後,闡述本研究之需要性。第三章的主要內容為取 樣、試體夯製及各項試驗方法,如粒徑分佈、比重、工地密度、DCP 試驗、衝擊加速度等。第四章為試驗結果綜合分析,先說明五種試樣 性質,接著觀察各試樣於不同乾單位重狀態之試驗室 DCP 貫入曲線 特性,並將現地 DCP 試驗之貫入曲線與試驗室者比對,藉以達由簡 易之現地 DCP 試驗知曉路基土類、硬度之效;最後,藉助前人研究 成果,以平均貫入值、衝擊加速度來推測路基之CBR值、E值,藉以 達由現地 DCP 試驗知曉路基強度之效。第五章是結論與建議,總結 本研究之成果,並建議後續相關課題。

(16)

第二章 文獻回顧

於公路工程之路堤含面層(瀝青混凝土或水泥混凝土舖面)、底 層(級配料)與路基(土石料)三部份,其中面層的機能在於提昇行 車舒適度、排水及降低車輛耗損,而藉底層來分散車載集中荷重,位 置於底層下方的路基則承載被分散後的應力是路堤的基礎[交通 部,1989a]。路基需經常保持穩定安全及完整,如其因劣化或天災而發 生開裂、沉陷、淘空會引發路面損壞致影響行車安全甚阻斷交通,故 需盡速搶修、復建或常態養護,為此交通部 (1989b) 業已訂出「公 路養護手冊」。

於臺灣之公路具不同時期興建、土石料多樣、料源品質難控制、

廠商良宥不齊等特性,故根據公路總局(2001)「路面養護計畫書」及

「公路養護手冊」,於公路之修復、養護上需調查路面及路基狀況;

其調查約以 100 為單位區段,若損壞情況在長區段內相似者可改為 500m~1000 。因為路基是路堤的基礎,且面層厚度設計之依據是路 基強度,故相關於路基的強度調查至為重要。常用之面層厚度設計法 為土壤分類指數法、加州載重比法、土壤阻力法、平鈑承載值法、彈 性模數法等,以下說明之。

m

m

(17)

2.1 面層厚度設計法

一、土壤分類指數法

即按 AASHTO 分類法將路基料分類成 A-1,A-2…A-7-6 等,再根 據交通量(分成輕、中、重三級)由路面厚度與土壤分類指數之關係 曲線來決定面層厚度[周森茂,1992]。

二、加州載重比法

先在各調查單位區段施行現地加州承載比試驗而得其CBR值,為 避免因各區段CBR值之不同而使面層厚度多變化不易施工,需將各區 段的不同CBR值化成單一之設計CBR,續依圖 2.1 考慮設計交通量與 設計CBR值決定面層厚度[周森茂,1992]。

圖 2.1 依CBR值、承載值設計面層厚度

(18)

三、土壤阻力法

我國面層設計,最初是用土壤分類指數法,後來亦用加州承載比 法,但因現地加州承載試驗其設備貴且誤差大,故日後主要幹線多改 採用路基土壤阻力R值來設計。所謂R值即土壤抵抗塑性變形之能 力,使用此法來設計面層厚度之方法同加州承載比法,惟其設計依據 為圖 2.2[周森茂,1992]。

圖 2.2 依R值設計面層厚度

四、平鈑承載值法

同加州承載比法,先在各調查單位區段施行平鈑載重試驗而得其 承載值q ,再將各區段的不同承載值化成單一之設計承載值,之後續 依圖 2.1 考慮設計交通量與設計承載值決定面層厚度[周森茂,1992]。

u

(19)

五、彈性模數法

本法為計算路基所受之壓力分佈再以多層彈性理論分析來決定 面層厚度,其所需之參數為彈性模數E[周森茂,1992]。於美國已開發 Modulis 程式藉回饋分析求得土層之彈性模數進而計算面層厚度,其 可適用於多層路面[ Huang, 1993]。

2.2 面層厚度設計參數試驗法

由上述知曉,於設計面層厚度上所需之路基參數含土壤分類指數 及CBRRquE,茲對求後四項之試驗方法說明之。

一、求CBR之試驗(現地加州載重比試驗)

依據 ASTM D4429-84 規範,於工地現場進行加州載重比試驗,

以求得土壤阻力與標準碎石阻力之比值(CBR)。其所需之試驗設備為:

a.荷重樑

足以承受預定施加反力之組合式鋼樑或作為反力機具之底盤 大樑。

b.靜載重

足以產生預定施加反力之靜荷重或是重機械,其貫入桿的標稱 斷面積為 3in2

c.壓力量測設備

(20)

其容量需大於預定施加反力以上之壓力環。

d.加壓設備

自動機械式千斤頂,容量需大於預定施加之反力,並能提供均 等的載重貫入速度 0.05in/min.。

e.超載重基鈑及超載重塊

超載重基鈑為直徑 10in之圓形鋼鈑,中央打孔其孔徑為 2in, 鋼鈑重量 10lb (4.54 、44.48 );超載重塊為直徑 8.5in之圓形 鋼鈑,中央打孔其孔徑 2in,鈑重 20 (9.08kgf 、88.96 )。

kgf N

lb N

f.測微計及參考樑

以衝程約為 3.0cm之測微計量貫入量,而參考樑為槽型鋼。

g.其他

安裝沉陷儀之固定座、加壓桿、細砂、水準尺、水桶、挖土機 械等。

本試驗之方法為:

a.以機械挖掘至預定深度,配合人工修整。

b.灑水少許,等候至少半小時。

c.放置超載重基鈑及超載重塊

放置基鈑須求水平,接觸面以人工修整後舖設薄層細砂,並裝 設超載重塊、加壓桿、壓力環、加壓設備、參考樑、測微計及靜載

(21)

重等。

d.試驗進行前得施加接觸應力 21kPa以確定與土面間接觸良好。

e.施加應力

以 0.05in 的均等速度將貫入桿貫入土層中,並記錄每貫入 0.50 之力至 15.24 以上,繪應力、貫入深度曲線,並對該曲 線施行零點校正。

. min /

mm mm

f.試驗結果整理

從應力、貫入深度曲線讀取貫入量為 0.1 、0.2in、0.3 、 0.4 、0.5 之應力,將其與美國加州標準碎石之貫入應力值比較 而得各CBR,取最大的CBR值為代表值。

in in

in in

(22)

二、求R之試驗

依 ASTM D2844-69 規範求路基夯實土壤之R值,其所需之試驗 設備為:

a.揉搓壓實機

含試模(內徑 101.6 、高 127 )、供料槽、試模固定平鈑、

搗固足、橡皮盤等,其壓實過程的荷重~時間曲線需能保持穩定。

在漸施加平均接觸壓力 2410 於搗固足時,於 240 ~2070 之加壓時間應為 0.07 ~0.20 ,在 2070 之停留時間應為 0.15sec ~0.45sec ,解壓時間不得大於 0.60sec

mm

. sec

mm

kPa

sec

kPa kPa

. kPa

. . .

b.壓力試驗機最小容量為 45kN,附擠水壓力計。

c.含測微錶之膨脹壓力儀計三部、含水平壓力量測錶及轉動位移指示 器之穩定儀。

本試驗之方法為:

a.試樣準備

準備四件土樣、各約 1.2kgf 、試料粒徑需小於 25.4 ,先加 水至 1/2~2/3 飽和狀態置約 12 小時後,再加水拌合使達飽和。

mm

b.夯壓試體

設定搗固足壓力為 1720 ,將土樣由供料槽分 20 次送入試 模,每送入一份夯打一下,全送入後再夯打 10 下並整平土樣,置

kPa

(23)

橡皮盤於土樣上改以 2410kPa之搗固足壓力續夯打 100 下。

c.擠水加壓

取出夯打後之試體整平舖濾紙翻轉將其置於擠水壓力計上,以 8.9kN/min.之速率擠壓試體使滲水而呈飽和狀態。

d.測膨脹壓力

靜置試體 30 以後倒水入試模中並置上膨脹壓力儀,量其再 靜置 16 小時後之膨脹量,將此膨脹量乘彈簧鋼片彈性係數而得膨 脹壓力。

. min

e .求R

把試體上方之積水倒出後藉試模導引器將試體壓入穩定儀上 並預加水平壓力 35 ,續以 1.3mm 之速率加壓至 890 再減 壓至 445 ,轉動變位軸使其水平壓力回至 35 ,最後以每秒兩 轉的速率轉動變位軸使其水平壓力從 35 增至 689 並讀取轉 動位移指示器之讀數

kPa /min. N

N kPa

kPa kPa

D,依式(2.0)計算R值。

1 1) 160 5 . (2 100 100

− +

=

Pn

D

R (2.0)

式中:

n =

p 水平壓力

(24)

三、求qu之試驗(平鈑載重試驗)

依 ASTM D-1194 規範,使用 6 ~30in直徑之圓形承載鋼鈑或長 12in之方形承載鋼鈑施行現地載重試驗,挖深度及寬度為 4 倍承載鋼 鈑直徑或長之試坑,承載鋼鈑放在試坑底部土面以階段加壓法施荷 重。每增加一階荷重後讓沉陷充份發生量沉陷量再增加下一階之荷 重,則可得其載重~沉陷曲線,從此曲線中判釋破壞點而求出 值。

in

qu

四、求E之試驗

於土壤力學一般是以靜態加載之無圍壓縮試驗求土料之割線模 數 為該土料之代表彈性模數,但是於道路工程因車輛加載於路基 之型態屬脈動式,故不適宜用靜態無圍壓縮試驗來求路基之彈性模 數,於是發展出落鎚式撓度試驗法 FWD,動態圓錐貫入法 DCP 等求 路基彈性模數之方法,以下說明這兩種試驗法。

E50

1.落鎚式撓度試驗法

依 ASTM D-4694-87 規範施行試驗,其試驗設備裝載於車輛上含 荷重鈑、脈動力產生器(落鎚)、力計、撓度(撓曲變位)感應器等。

荷重鈑需厚度一致以均勻傳遞荷重,標準尺寸為直徑 12in與 18in, 中間開孔以安裝撓度感應器;脈動力產生器(落鎚)需可提昇落下以 產生 50kN半正弦波形者;以力計量測脈動力,其精度±160N、解析

(25)

度 71 ;撓度感應器之要求精度為N ±2µm、解析度小於 1µm。於試驗 時,將整臺設備車開至待測點,挖除鬆層、清除雜物、整平土層,提 昇落鎚重擊土層量測力與撓度之比值即為該土層之E值。此法之優點 為迅速可得結果,惟設備甚貴約臺幣七百萬元,感應器之檢定等維護 費高;另根據許阿明(2002)之研究,發現於舖面厚度小於 7.5cm處其 量測準確度低。

APR

E

R

2.動態圓錐貫入法 DCP

源自 1970 年代 DCP 已普遍被應用於美國公路系統量測路基土壤 之彈性模數,但在國內尚少實績僅公路局於 2001 年曾將其用於高雄 市中鋼路之面層、底層及路基之土壤調查上[林登峰等,2002]。DCP 是以落鎚傳遞貫入力量於錐頭使之貫入土層中,計算其貫入深除落鎚 數之平均貫入比APR(Average Penetration Ratio),愈密實之土層其PR

愈小,不同土層其 值相異,故得以用此儀器探測路基之土層分佈 及強度,進而藉 接推測土層之CBR

APR

APR E。DCP 不僅操作簡易、可

即時得到結果且便宜,其售價約臺幣七萬元便宜;惟尚存其 與

CBR 間缺實質律定關係而美中不足。

表示路基強度特性的參數雖有加州載重比CBR、土壤阻力 、承

(26)

載值qu及彈性模數E等,為依其CBRE來設計面層厚度已蔚為主 流。於路基之調查約以 100 為單位區段,若損壞情況在長區段內相 似者可改為 500 ~1000m。因公路里程長,若依規定於各調查區段施 行開挖、現地 試驗及落鎚式撓度試驗,不但需龐大的人力、物力、

經費且費時,故有必要導入較經濟、簡易、省時且可靠之調查法。為 此,本研究擬對動態圓錐貫入儀做進一步研究。

m

APR

APR

APR

APR m

CBR

503

632

555

48−

CBR

log

log

log

log .

−1

.

−1

.

−1

. 1 . 2

. 2

. 2

. 2 log

log

log

log

關於 DCP 之文獻回顧,根據本研究所用之 DCP 使用手冊 [TRRL,2002] , Van Vuuren(1969) 提 出 式 (2.1) , Kleyn and Van Heerden(1983)提出式(2.2)、Smith and Pratt(1983)提出式(2.3)、儀器公 司 TRRL 提出式(2.4),四個 與 之回歸關係式;此等關係式適 用於路堤之底層、路基。

APR

CBR = 15 (30o cone) (2.1)

CBR = 28 (60o cone) (2.2)

CBR = 145 (30o cone) (2.3)

CBR = 057 (60o cone) (2.4)

Powell, Potter, Mayhew and Numm (1984)明確提出使用 DCP 於路

(27)

面各層,其彈性模數ECBR之回歸關係為式(2.5)。

64 .

58 0

. 17 )

(MPa CBR

E = (2.5)

Chen, Wang, and Bilyeu(2001)認為 DCP 為一低價方便之路基材料 調查替代儀器,其於對象路基施行了 DCP 試驗求PR值,並取試體至 TTI (Texas Transportation Institute)試驗求E,以確認式(2.5)之真實 性,發現由式(2.5)所推測之E值僅略小於試驗值約於 10%範圍內。[林 登峰等,2002]使用 DCP 調查高雄市中鋼路之面層、底層及路基土壤狀 況,認為依PR、貫入深關係能指出土層位置、厚度,並根據式(2.1)~

式(2.5)推測該路面之強度,據以判釋此路面強度高足以承受現況交通 量。

(28)

第三章 試驗方法

本章就試樣之物理、工程性質調查方法及試驗室 DCP、現地 DCP 試驗法說明之,所施行的系列試驗如下:

1.取樣、材料烘乾處理、定製試驗鋼模等準備作業。

2.粒徑分佈、稠度、粗料比重、細料比重、土壤分類等物理性質試驗。

3.試驗室夯製試體、試驗室 DCP 試驗、現地路基填築、現地 DCP 試 驗、衝擊加速度等工程性質試驗。

3.1 準備作業

本研究選用山砂(Sand)、級配料(公路工程路基填方施工規範所訂 之級配料, Specified Blend)、A-2-4 土壤、A-3 土壤、A-6 土壤為試樣,

因為 DCP 之試驗結果受粒徑分佈之影響故擬以取自苗栗縣頭份鎮之 山砂為標定試樣,其他四種試樣則為正在施工之公路總局東西向快速 公路觀音大溪線 E101 標之路基材,因該工程需填土六十五萬立方公 尺,其土源之土壤分類多樣正符合本研究需求。

至現地取樣之情形見圖 3.1、圖 3.2,依 CNS 485 四分法取樣,

使用怪手在各種土石方堆上四個位置各挖取一斗,將其充分均勻拌 合後,再挖取一斗當作代表試料,將其裝袋運回試驗室烘乾,俾利

(29)

施行進一步的物理、工程性質試驗。

圖 3.1 現地取樣情形(A-2-4 土壤)

圖 3.2 現地取樣情形(規定級配料)

(30)

另一方面,為符合一般路基厚約 50 及 6 倍顆粒最大徑之需求,

特訂製直徑 305 、高 493 之試驗大型鋼模,其含固定底鈑、鋼 模及延伸環;圖 3.3 為試驗鋼模組件,而圖 3.4 為其組立情形。

cm

mm mm

3.2 物理性質試驗

一、粒徑分佈

主要在求土料所含粗、細料百分比,對粒徑大於 0.075 者以篩 組分析之,而對粒徑小於 0.075 者用比重計分析之。於其粒徑分佈 曲線上找出 、DD 來計算均勻係數 C 及曲率係數 C ,據以判 斷該土料級配或為分類依據。級配良好土料的 於砂需大於 4,於 礫石需大於 6,並且 需為 1~3。因土料係由大小不同粒徑之物混合 而成,故其粒徑分佈直接影響孔隙比,進而支配著土體之承載力、壓 縮、夯實、滲透等性質。

mm

d

mm

D10 30 60

d

u

C

u

C

調查試樣粒徑分佈之試驗依據為 ASTM C136(粗篩網篩分析)、

ASTM D452-85(細篩網篩分析)及 ASTM D422-63(比重計分析), 其中粗篩網組含 3in、2in、1

12 in、1in

3 in4 、

1 in2 、

38 in、4#篩 網與底盤,細篩網組含 4#、10#、20#、40#、100#、140#、200#篩網與 底盤。

(31)

圖 3.3 試驗鋼模組件

圖 3.4 試驗鋼模組立情形

(32)

先依四分法取適量試樣置入粗篩網組,以搖篩機震動約 15 分鐘 後,分別秤留於各篩網之試樣重量;接著,將過 4#篩網之試樣再移至 細篩網組,亦以搖篩機震動約 15 分鐘後,分別秤留於各篩網之試樣 重量,而求得此部份之粒徑分佈。最後,將通過 200#篩網而留於底盤 之極細料放入容量為 250 之燒杯中,加入 100 抗凝劑溶液(抗凝劑:

水=4g:96g),以玻璃棒調勻後靜置 18 小時以上,並攪拌此混合液至 土壤顆粒完全分散為止,把混合液洗入大量筒中加入蒸餾水至 1000cc

刻度翻動約一分鐘後,開始求極細料粒徑分佈之比重計分析試驗。綜 合篩分析與比重計分析之結果,以粒徑為橫座標(對數)、累積通過 百分比為縱座標,繪出全試樣之粒徑分佈曲線,來計算 C 、 C 。

cc cc

u d

二、稠度

含水比是支配土壤細料工程、力學性質的最重要因素,土壤因含 水量變化而改變土體狀態(液性、塑性、半固體、固體)之性質稱稠 度,而土壤在這四種狀態之界限含水比稱阿太堡限度。一般土壤通過 200#篩網大於 12%,即必須取通過 40#篩土壤做稠度試驗,測定液性 限度LL是依 ASTM D4318-83 規範,而測定塑性限度PL是依 ASTM D427-83 規範。

液性限度為土壤在一特定之擾動狀態下,能發生流動之最小含水

(33)

比,表其孔隙已完全被水所充滿具液狀性,而可藉本身之重量流動,

此時凝聚力與內摩擦力將遽降,土體完全喪失穩定;通常液性限度愈 高,土壤顆粒總表面積與總體積之比值愈大,壓縮性亦大;於開挖工 程,若土層含水比大於液性限度,宜防因土壤流動而塌陷。

塑性限度PL為土壤具可塑性之最低含水比,PL值於粘土、膠體 土等頗大,於粉土甚小;砂、雲母等無塑性限度。此外,以塑性指數

PI (=LL-PL)來表示土壤之可塑性含水比範圍,惟若無法求得LLPL

任一方之值,或PL LL時,表此土壤不具塑性其表示符號為 。在 塑性狀態內之土壤,其承載力將因含水比之減少而增加。

NP

於試料分類上需使用上述之粒徑分佈曲線及稠度,根據 AASHTO M145-1982 規範進行分類。

3.3 工程性質試驗

一、夯實不同單位重之試體

在建造公路路堤、土壩與許多工程結構物時,必須將疏鬆的土壤 加以夯實,以便增加其單位重;另由於夯實具有增加土壤強度的特 性,因此藉由夯實可增加基礎的承載能力;夯實亦可降低結構物之沉 陷量及增加路堤邊坡的穩定性。含水比對土壤之夯實作用甚具影響,

當土壤在適當含水比被夯實時,水對乾土顆粒產生潤滑作用得改變土

(34)

粒之排列及構造,使土粒變位移入土壤孔隙內,減少空氣體積增加土 壤之緊密程度;惟當土壤含水比超過某一適當值時,由於土壤孔隙被 水份所佔,土被水隔離而減低其緊密程度。亦即可藉夯實試驗,以求 得對象土壤於最佳狀態之含水比 與所對應之乾單位重 ;在大 多 數的 地工 規範中 ,都 要求 承包商 達到 現場 乾單位 重為 的 90%~95%,而此 是以標準 Proctor 或修正 Proctor 試驗所求得。

wopt γd(opt) γd(opt)

) (opt

γd

土壤夯實的一般性質為:

1. γd(opt)大者,其wopt較低。

2. 砂質土級配愈良者,γd(opt)較大、夯實曲線呈鐘型。

3. 級配不良之砂質土,其夯實曲線甚平緩,有可能不易辨認出γd(opt)。 4. 愈細粒之土壤,γd(opt)較小、夯實曲線較平緩。

5. 對同一試料而言,增加夯實能量可使其γd(opt)增大、wopt降低。

6. 依「公共工程施工綱要規範」,規定最大乾密度小於 14.7 者 為不良土,不適宜作為填方料。

/ m3

kN

7. 若依標準 Proctor 試驗,則所求得之土壤可能 、 範圍示於 表 3.1。

) (opt

γd wopt

(35)

表 3.1 土壤之標準 Proctor 試驗(Ec=2,693kJ/ m3)夯實性質 [摘自陳文祥等,1986]

分類符號 γd(opt) (kN/ m3)

wopt

(%)

分類符號 γd(opt)

(kN/ m3)

wopt

(%) GW >18.7 <13.3 SM-SC 18.7±0.2 12.8 0.5±

GP >17.3 <12.4 SC 18.1±0.2 14.7 0.4±

GM >18.0 <14.5 ML 16.2±0.2 19.2 0.7±

GC >18.1 <14.7 ML-CL 17.2±0.2 16.8 0.7±

SW 18.7 0.8 ± 13.3±2.5 CL 17.0±0.2 17.3 0.3±

SP 17.3 0.3 ± 12.4±1.0 MH 12.9±0.2 36.3 3.2±

SM 18.0 0.2 ± 14.5±0.4 CH 14.7±0.2 25.5 1.2±

於本研究,因僅為瞭解山砂、級配料、A-2-4 土壤、A-3 土壤、

A-6 土壤於不同乾單位重之 DCP 行為,故於夯製試體上不需依標準 Proctor 或修正 Proctor 試驗,而是將土樣分層置入試驗鋼模後每層以 不同落鎚數來夯製具不同乾單位重之試體。見圖 3.5、圖 3.6,其詳細 步驟為:

1. 組立鋼模主體於底模之上,套上延伸環。

2. 先以鋼模体積計算所需乾試樣重。

3. 秤足材料分十層置入鋼模內,每層再以手動鎚(鎚重 10 lb、落距 18in)夯實。

4. 取下延伸環,使用刮刀將試體刮平。

(36)

5. 秤實際夯入鋼模之土樣重,計算乾單位重。

6. 重覆步驟 1~5,對五類土樣各夯製 5 種乾單位重,共計夯製 25 種 試體。

圖 3.5 組裝試驗鋼模夯製試體情形

(37)

圖 3.6 取下延伸環刮平試體

二、現地路基填築

於 現 地 路 基 填 築 所 需 之 重 機 械 為 卡 車 、 怪 手 、 光 滑 輥

(15ton=133.4kN)等。所使用之光滑輥相關技術規格如下:

本機重:130.8kN

操作重:134.3kN

鐵輪前重:74.3kN

膠輪後重:60.0kN

鐵輪靜線壓力:0.35kN/cm

滾壓寬度:2.14 m

(38)

震頻:42Hz

震幅:1.6mm

總體夯實壓力:333kN/ m2

見圖 3.7,現地路基填築分三區施行,第一區為 30 厚 A-2-4 土 上覆 20 厚級配料、第二區為 30cm厚 A-3 土上覆 20 厚級配料、

第三區為 30 厚 A-6 土上覆 20 級配料。於施行路基填築之夯實品 質檢驗(工地密度)時,一併做現地 DCP 試驗及量測衝擊加速度。

cm

cm cm

cm cm

圖 3.7 現地路基填築情行

(39)

三、工地密度試驗

於現地求取土壤密度可採用 AASHTO T191 砂錐法(見圖 3.8)

或 AASHTO T238 核子密度儀法(見圖 3.9),其試驗方法分別說明如 下:

圖 3.8 砂錐法工地密度試驗

圖 3.9 核子密度儀

(40)

(1)砂錐法:

1. 利用砂錐儀底盤輕輕推平預定進行試驗位置地表,並將底盤安置 於試驗孔位上方。

2. 使用挖掘工具沿底盤中央圓孔向下挖出一深度與底盤中央圓孔直 徑接近之圓孔,孔壁及孔底使用毛刷及土鏟仔細清理乾淨。挖出 之土樣隨即置入預備好之塑膠袋中密封並標定孔號及秤重。

3. 將砂錐儀置於電子秤上,再將標準砂倒入砂錐中,記錄砂錐儀與 標準砂總重。

4. 將砂錐儀連同標準砂一起移至底盤圓孔上方安置妥當後,輕輕開 啟砂錐儀閥門,使標準砂自由落入圓孔及下方圓錐中。

5. 當標準砂停止落下時,輕輕關閉砂錐閥門,再將砂錐儀與剩餘之 標準砂取出秤其剩餘重量。

6. 將挖出之土樣帶回試驗室內量測其含水比。

7. 計算現地土壤之濕單位重、乾單位重。

(2)核子密度儀法

利用伽瑪放射線源及其偵測器量測回填土壤現地密度,並配合 中子射源及其偵測器量測之土壤含水比,以計算現地土壤乾單位 重;設備含核子密度儀、土鏟、大型藥刀、導引板、打孔、輻射偵

(41)

檢器、校正設備等。

其試驗步驟為:

1. 清除地面之鬆動、擾動材料與外來材料,使試驗材料之表面澈底 暴露出來。

2. 整平試驗地面,使儀器與試驗材料間有最大接觸面,試驗面應保 持水平,並有足夠尺寸以容納儀器。

3. 儀器下之最大空隙不得大於 1/8in(3mm),用就地取得之細粒料填 補這些空隙,並用剛性平板或其他合適工具鏝平表面。填補材料 厚度不得大於 1/8in(3mm)。

4. 以導引板和打孔設備在試驗面上打出一垂直孔洞,該孔應具足夠 深度與正確之方向,以使探針插入後不會令儀器傾斜或偏離試驗 面。

5. 傾斜儀器,伸出探針達希望試驗深度,並將探針插入地面孔洞中。

6. 將儀器繞探針略為旋轉,並稍微前後移動,使其與地面密切接觸。

7. 將儀器由探針方向往儀器中心向小心的拉,使探針孔壁密切接觸。

8. 將其他放射源移離儀器,以免影響測試結果。

9. 啟動自動開關,並疏散儀器周圍人員,令儀器量測 1 次或 1 次以 上,每次量測 1 分鐘(Normal method),並記錄乾單位重。

(42)

四、DCP 試驗

DCP 儀器如圖 3.10 所示,整組儀器包含把手、落錘(8 、落距 57.8 )、圓盤、錐頭(錐角 60 度)、鋁製直尺;本研究於試驗室對 夯實試體,於現地對填築路基各施行了 DCP 試驗。參閱圖 3.11、圖 3.12,其試驗步驟如下:

kgf

cm

1. 組裝 DCP 各組件,並以螺絲栓緊之。

2. 一手握住上部把手,另一手提起落錘達特定高度自由落下,使下 部錐頭貫入試體,操作情形如圖 3.11、圖 3.12 所示。

3. 紀錄打擊次數,並利用鋁製直尺量取貫入深度。

4. 重覆步驟 2,3,至錐頭貫入至所需深度。

5. 錐頭若有變形損壞,需取下更換。

6. 繪打擊次數、貫入深曲線,觀查之。

(43)

(a) DCP 儀器組

(b) DCP 尺寸示意 圖 3.10 DCP 儀器

(44)

圖 3.11 試驗室 DCP 試驗

圖 3.12 現地 DCP 試驗

(45)

五、衝擊加速度

因夯實土之乾單位重、相對夯實度或相對密度等皆為狀態量,而 於設計上需使用力學量如加州載重比CBR、彈性模數E等,惟欲求此 等力學量需進一步施行試驗,經費高且費時。於臺灣之設計、施工環 境,往往因經費限制或時間壓力而無法照般施行力學試驗,故有必要 導入簡易的強度試驗儀俾間接的估算其力學量,惟使用上需先律定該 試驗儀之量測值與力學量之關係。

故本研究擬導入 CLEEG 衝擊強度試驗儀,俾進行試體或現地路 基檢測,以間接知曉土層之強度。試驗儀器如圖 3.13 所示,其基本 構造為含一個內直徑 50 、重約 4.5kg的重錘及把手、數值顯示器、

中空導管及傳輸線等[CLEEG, 1993]。本研究亦於試驗室對夯實試 體,於現地對填築路基各施行了衝擊強度試驗。試驗時,如圖 3.14、

圖 3.15 所示般,將衝擊強度試驗儀放置在待測土上,將重錘抬升至 白色標線與管口相同高度 (18 )後使其自由落下錘擊試驗面,此時可 由儀器板上的數值器讀出其衝擊加速度值 。

mm

in

Ia

Ia 值可表示土層的強度或硬度,理論上IaCBRE應呈正比例 關係,故藉由現地簡易量測之 值即可間接推測該土之強度。該儀器 適用之上限為礫石含量 50%、最大粒徑 38.1mm之土料。

Ia

(46)

圖 3.13 衝擊加速度儀

圖 3.14 試驗室量測衝擊加速度

(47)

圖 3.15 現地量測衝擊加速度

(48)

第四章 試驗結果分析

於本章,先說明五種試樣性質,接著觀察各試樣於不同乾單位重 狀態之試驗室 DCP 貫入曲線特性,並將現地 DCP 試驗之貫入曲線與 試驗室者比對;最後,藉助前人研究成果,以平均貫入比 APR、衝 擊加速度 來推測路基之Ia CBRE,藉以達由現地簡易 DCP 試驗知曉 路基強度之效。

4.1 試料性質

一、比重

於求試料比重上,先將其分成粗料(粒徑大於 4.75mm者)與細料,

於粗料比照骨材依 ASTM C-127 C-29 規範求其面乾內飽和比重,於 細料比照土壤依 ASTM D854-83 規範求其比重,再依粗、細料組成比 例權重換算而得代表比重。試料之代表比重於山砂為 2.67、於級配料 是 2.57、於 A-2-4 試樣為 2.67、於 A-3 試樣為 2.64、於 A-6 試樣為 2.65。

二、粒徑分佈與相對密度

圖 4.1 為山砂之粒徑分佈,其粒徑尺寸為 0.16mm~2.0mm,顆粒

(49)

尺寸較集中屬不良級配。依 ASTM D4253-83 1.A 法由震動台所求之 最大乾單位重 為 16.9kN 、依 ASTM D-4254 規範所求之 是 13.29kN ; 與 將被使用於計算試樣之相對密度上。

(max)

γd 3

γd

(min) d

(min)

γd

/ m3

(min) d

mm

/ m3

kN

/ m kN

(min)

γd

(max)

3

(max)

γd

/ m

m3 γ

/ m

(max) γ

(max)

圖 4.2 為級配料之粒徑分佈,顆粒尺寸分佈範圍廣、級配良,無 塑 性 , 其 最 大 粒 徑 為 50.0 、 粗 料 含 量 65.47% , 其 為 20.1 、 是 13.89 。A-3 試樣之粒徑分佈示於圖 4.3,

顆粒尺寸分佈範圍雖廣但為越級配,無塑性,最大粒徑是 50.0mm、 粗料含量 53.80%,其 為 18.54 、 是 13.77 。圖 4.4 為 A-2-4 試樣之粒徑分佈,顆粒尺寸分佈範圍廣、級配良,液性 限度 26、塑性限度 17,最大粒徑為 50.0 、粗料含 42.58%,其

為 17.8kN 3、 是 12.84 3。A-6 試樣之粒徑分佈示於圖 4.5,

顆粒尺寸為 10.0mm~0.075mm、粗料僅含 6.0%、細料多至 94.0%(其 中粉粘土約含 71%),液性限度 33、塑性限度 19,為砂質低塑性粘土。

γd

/ m /

kN

γd kN/ m3

mm

(min)

γd kN

茲將五種試樣之粒徑分佈一併示於圖 4.6,知曉級配料、A-2-4 和 A-3 試樣較屬同一群多粗料,A-6 試樣之細料含量最多,山砂之尺 寸居中、顆粒較均勻、適用為標定試樣;表 4.1 為五種試樣之性質一 覽。

(50)

0 20 40 60 80 100

0.01 0.1

1 10

100

Particle diameter (mm)

P erc en t f in er ( % )

sand

圖 4.1 山砂之粒徑分佈

0 20 40 60 80 100

0.01 0.1

1 10

100

Particle diameter (mm)

P erc en t f in er (% ) Specified Blend

圖 4.2 級配料之粒徑分佈

(51)

0 20 40 60 80 100

0.01 0.1

1 10

100

Particle diameter (mm)

P erc en t f in er (% ) A-3

圖 4.3 A-3 試樣之粒徑分佈

0 20 40 60 80 100

0.01 0.1

1 10

100

Particle diameter (mm)

P erc en t fi n er (% )

A-2-4

圖 4.4 A-2-4 試樣之粒徑分佈

(52)

0 20 40 60 80 100

0.01 0.1

1 10

Particle diameter (mm)

P er c en t fi n er (% ) A-6

圖 4.5 A-6 試樣之粒徑分佈

0 20 40 60 80 100

0.01 0.1

1 10

100

Particle diameter (mm)

P erc en t fi n er ( % )

Specified Blend

A-3

A-2-4 Sand A-6

圖 4.6 五種試樣之粒徑分佈

(53)

表 4.1 試料性質一覽

Item Sand Specified

Blend (A-1)

A-3 A-2-4 A-6 Specific gravity Gs 2.67 2.57 2.64 2.67 2.65 Liquid limit LL (%) NP NP NP 26 33

Plastic limit PL (%) NP NP NP 17 19

Maximum particle size (mm) 2.0 50.0 50.0 50.0 12.5 Percentage retained on the

No.4 sieve R4 (%) 0 65.47 53.80 42.58 6.00 Percentage passing through the

No.4 sieve F4 (%) 100 33.21 41.10 54.91 27.60 Percentage passing through the

No.200 sieve F200 (%) 0 1.32 5.10 2.51 66.4 Diameter corresponding to

10% finer (mm) 0.20 0.30 0.11 0.21 0.01 Diameter corresponding to

30% finer (mm) 0.28 3.50 0.43 1.18 0.03 Diameter corresponding to

60% finer (mm) 0.37 16.00 13.71 5.20 0.07 Uniformity coefficient Cu 1.85 53.33 124.55 24.76 8.75 Coefficient of gradation Cd 1.06 2.55 0.12 1.28 1.50 Dry unit weight in the densest

condition γd(max) (kN/ m3) 16.90 21.01 18.54 17.80 -- Dry unit weight in the loosest

condition γd(min) (kN/ m3) 13.29 13.89 13.77 12.84 --

(54)

4.2 試驗室 DCP 試驗結果

於試驗室,將五種試樣各依不同夯實能量打入試驗鋼模裡,計製 作了 25 個試體,分別對其施行 DCP 試驗。茲以圖 4.7 為例說明 DCP 貫入曲線之性質,以橫座標為打擊數、縱座標為貫入深來繪貫入曲 線;其數據整理法,若於較易貫入之試樣(如山砂)則取每次打擊數 之數據,而若於較難貫入之試樣則取每 5 次打擊數之數據。貫入曲線 之斜率顯示其貫入容易度,曲線較陡之深度區間表相對容易貫入區,

而曲線趨緩之深度區間表相對難貫入區。一般而言,對最大粒徑小於 錐底直徑(20 )之試樣如山砂、A-6 試樣或對同一試料而較鬆之試 體,其曲線斜率於全區間會趨一致。而貫入曲線若如圖 4.7 所示般交 雜陡、緩區間,則可能表示該試體之較大顆粒群阻抗著錐頭。

mm

DCP 貫入曲線之性質會因土類、顆粒最大粒徑、粗料含量等而 異,吾人即使用此特性來判釋現地路基之土類、厚度或推測路基強 度,而表現一試體貫入曲線性質之參數為平均貫入比。基本上對由同 一試料所夯製之試樣,其貫入曲線之斜率於全區間應趨一致,惟如圖 4.7 所示偶會交雜陡、緩區,故使用統計回歸法以直線近似打擊數、

貫入深關係,並取回歸直線方程式之斜率為APR

(55)

Specified Blend (Dr=68.6%)

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

Cumulative blows

P ene tr at io n d ep th ( m m )

圖 4.7 DCP 試驗之貫入曲線例

茲將標的試樣山砂五種不同 試體之 DCP 試驗結果分別示於圖 4.8、圖 4.9、圖 4.10、圖 4.11、圖 4.12,知曉其以直線近似打擊數、

貫入深關係之

Dr

R2大於 0.97 表相關性甚高。其 於 16.6%試體為 72.3 、 於 25.3% 試 體 為 70.7 、 於 52.8% 試 體 為 70.2 、 於 68.8%試體為 70.1、於 81.2%試體為 65.3,此 值相當大表 甚易被 DCP 貫入。由圖 4.13 亦可發現其貫入曲線甚相近,即試體鬆 密程度對其 的影響性甚微,表山砂於鬆於密狀態都很容易被貫入 且強度小。

APR Dr =

APR

r =

D Dr =

r =

D Dr =

APR

(56)

Sand (D

r

=16.6%)

0 100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6

Cumulative blows

P enet rat io n d ep th (m m )

7

(a)貫入曲線

Sand (D

r

=16.6%)

y = 72.3x + 207 R2 = 0.9964 0

100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6 7

Cumulative blows

P ene tr at io n d ep th (m m )

(b)回歸直線式

圖 4.8 山砂之 DCP 試驗結果(Dr =16.6%)

(57)

Sand (Dr=25.3%)

0 100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6

Cumulative blows

Penetration depth (mm)

7

(a)貫入曲線

Sand (Dr=25.3%)

y = 70.7x + 200 R2 = 0.9955 0

100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6 7

Cumulative blows

Penetration depth (mm)

(b)回歸直線式

圖 4.9 山砂之 DCP 試驗結果(Dr =25.3%)

(58)

Sand (D

r

=52.8%)

0 100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6

Cumulative blows

P enet rat io n d ep th (m m )

7

(a)貫入曲線

Sand (D

r

=52.8%)

y = 70.2x + 217.5 R2 = 0.9928 0

100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6

Cumulative blows

Pe n et ra ti o n de pt h ( m m )

7

(b)回歸直線式

圖 4.10 山砂之 DCP 試驗結果(Dr =52.8%)

(59)

Sand (D

r

=68.8%)

0 100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6

Cumulative blows

P enet rat io n d ep th (m m )

7

(a)貫入曲線

Sand (D

r

=68.8%)

y = 70.1x + 217.5 R2 = 0.9914 0

100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6

Cumulative blows

Pe n et ra ti o n de pt h ( m m )

7

(b)回歸直線式

圖 4.11 山砂之 DCP 試驗結果(Dr =68.8%)

(60)

Sand (D

r

=81.2%)

0 100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6 7

Cumulative blows

P en et ra ti o n d ep th ( m m )

(a)貫入曲線

Sand (D

r

=81.2%)

y = 65.3x + 197 R2 = 0.9702 0

100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6 7

Cumulative blows

P enet rat io n d ep th ( m m )

(b)回歸直線式

圖 4.12 山砂之 DCP 試驗結果(Dr =81.2%)

(61)

Sand 0

100 200 300 400 500 600

0 1 2 3 4 5 6 7

Cumulative blows

P ene tr at io n d ep th ( m m )

Dr=81.2%

Dr=68.8%

Dr=52.8%

Dr=25.3%

Dr=16.6%

圖 4.13 山砂五種試體之 DCP 貫入曲線

(62)

圖 4.14、圖 4.15、圖 4.16、圖 4.17、圖 4.18 為級配料五種不同 試體之 DCP 試驗結果,其貫入曲線之斜率於 15.7%、23.1%之鬆 試體較趨定值,而於 50.4%、68.6%之中等密實試體則會交雜陡、

緩區間,此結果表示級配料雖含 65.47%之粗料,但其較大顆粒群阻 抗錐頭之效應或稱「顆粒錐頭阻抗效應」尚未顯現出來,而隨試體趨 中等密實其顆粒錐頭阻抗效應趨明顯。於 78.3%之更密實試體,

則因顆粒錐頭阻抗及密實之相乘效應致全區間不易貫入。

Dr r =

D

=

r = D

Dr

以直線近似圖 4.14~圖 4.18 之打擊數、貫入深關係,其R2大於 0.92; 於 15.7%試體為 13.6、於 23.1%試體為 11.4、於 50.4%試體為 5.9、於 68.6%試體為 4.4、於 78.3%試體為 1.3,在五種試樣中最小表最難被 DCP 貫入。而圖 4.19 為其五種試體 之 DCP 貫入曲線,發現其貫入曲線於 約小於 23%之試體較相近,

而隨著試體變密實各貫入曲線間的差異性增大,表於級配料鬆密程度 對其 的影響性大。

APR

APR

r =

D Dr =

r =

D Dr = Dr =

Dr

(63)

Specified Blend (D

r

=15.7%)

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

Cumulative blows

P ene tr at io n d ep th ( m m )

(a)貫入曲線

Specified Blend (D

r

=15.7%)

y = 13.56x + 110.8 R2 = 0.9966 0

100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 1

Cumulative blows

P ene tr at io n d ep th ( m m )

20

(b)回歸直線式

圖 4.14 級配料之 DCP 試驗結果(Dr =15.7%)

(64)

Specified Blend (D

r

=23.1%)

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

Cumulative blows

P ene tr at io n d ep th ( m m )

(a)貫入曲線

Specified Blend (D

r

=23.1%)

y = 11.407x + 98.143 R2 = 0.9957 0

100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

Cumulative blows

P ene tr at io n d ep th ( m m )

(b)回歸直線式

圖 4.15 級配料之 DCP 試驗結果(Dr =23.1%)

(65)

Specified Blend (D

r

=50.4%)

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

Cumulative blows

P enet rat io n d ep th ( m m )

(a)貫入曲線

Specified Blend (D

r

=50.4%)

y = 5.9275x + 115.62 R2 = 0.9708 0

100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 1

Cumulative blows

P ene tr at io n d ep th ( m m )

20

(b)回歸直線式

圖 4.16 級配料之 DCP 試驗結果(Dr =50.4%)

(66)

Specified Blend (D

r

=68.6%)

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

Cumulative blows

P ene tr at io n d ep th ( m m )

(a)貫入曲線

Specified Blend (D

r

=68.6%)

y = 4.3842x + 42.205 R2 = 0.9869 0

100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

Cumulative blows

P enet ra ti o n d ep th ( m m )

(b)回歸直線式

圖 4.17 級配料之 DCP 試驗結果(Dr =68.6%)

(67)

Specified Blend (D

r

=78.3%)

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

Cumulative blows

P enet rat io n d ep th ( m m )

(a)貫入曲線

Specified Blend (D

r

=78.3%)

y = 1.3449x + 66.529 R2 = 0.9245 0

100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

Cumulative blows

P enet ra ti o n d ep th ( m m )

(b)回歸直線式

圖 4.18 級配料之 DCP 試驗結果(Dr =78.3%)

(68)

Specified Blend

0 100 200 300 400 500 600

0 20 40 60 80 100 120

Cumulative blows

P e net rat io n d e p th (m m )

Dr=78.3%

50.4 68.6 15.7 23.1

圖 4.19 級配料五種試體之 DCP 貫入曲線

參考文獻

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