微音錐應用於土壤音射特性之研究

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王志偉(Chih-Wei Wang) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

微音錐應用於土壤音射特性之研究
(Study of Acoustic Cone Penetration Test on Acoustic Emission Characteristics of Soil.)

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摘要(中)

圓錐貫入試驗在工程上的應用主要有土壤分類、推求土壤工程性質與相關參數及評估土層支承力與液化等，其中以土壤分類與土層研判為最常應用的項目。在土層中進行圓錐貫入試驗主要係量測錐尖阻抗、袖管摩擦及孔隙水壓等數據，然而錐尖阻抗因所在位置上下約5～10倍錐徑內的土壤變化而有所反應，此一反應將造成土層界面判斷的不準確，同時也可能對土壤工程性質的評估結果造成影響。
本研究主要係利用音射的量測技術，在錐尖內部加裝一微音器，探討錐體穩態貫入土層時，伴隨貫入行為所產生的音射，此訊號可以利用資料擷取系統加以記錄，並透過音射數、均方根計算及快速傅立葉轉換得到音波訊號的音射發生率、均方根音壓與頻譜，而這些音波分析的結果與土壤種類有關。
本研究應用音射於圓錐貫入試驗中，利用圓形土槽與霣降儀等設備，探討各種砂土在不同的邊界效應、相對密度以及覆土應力之條件下，進行一系列的貫入試驗。綜合上述試驗結果顯示，中等緊密之砂土在BC3的邊界條件下，錐尖阻抗值會隨著深度的增加而持續上升。然對不同的相對密度與覆土應力之試驗結果而言，福隆砂與峴港砂之錐尖阻抗、均方根音壓與音射發生率有隨相對密度或覆土應力之增加而提高之趨勢。至於西螺砂，在本研究所施加之覆土應力作用下，音射能量之均方根音壓並不受相對密度之影響。此外，在頻譜分析方面，福隆砂、峴港砂與西螺砂於不同的實驗條件下，音射能量分布曲線之趨勢皆很相似，且主要頻率均分布於2～4kHz之間。
在室內大型土槽互層土壤貫入試驗之研究方面，實驗結果顯示利用均方根音壓與音射發生率並配合頻譜分析能掌握砂土和黏性土壤互層之分布情形及層面位置。故利用音波訊號以判定土層界面應屬一良好的方法。

摘要(英)

Cone Penetration Tests (CPT) are usually applied to the investigations, of soil classification, calculation of soil parameters, estimation of bearing capacity of soil and liquefaction. Soil classification and layer verification are the major applications in CPT for measuring cone resistance, sleeve friction and pore water pressure etc. Cone resistance usually varied in the area of 5~10 times of tip diameters of the cone. The reasons above-mentioned will influence the judgement of soil layer and soil properties.
This research used the measuring techniques of sound with a small microphone set in the cone tip to measure the Acoustic Emission (AE) of soils during the penetration of cone tip. The data was recorded by data acquisition system and the acoustic emission rate, RMS of sound pressure and frequency spectrum were ananlyzed.
Two circular chambers and a movable sand pluviator were used to carry out a series of laboratory cone penetration tests under the different conditions of boundaries of chamber, relative densities of sand and overburden pressures of speciments. From the experimental results, it is understood that the cone resistance in sand with medium density will increase continuously with depth under the boundary condition of BC3.
It is also show that the cone resistance, RMS of sound pressure and AE rate of Fulong and Danang Sand would be increased with the increase of relative density and overburden pressure. However the RMS of sound pressure of Shiluo Sand is not affected by relative density under the overburden pressures applied in this research. The analysis of frequency spectrum of Fulong Sand, Danang Sand and Shiluo Sand showed that the major frequency distribution of these tests are located at the range of 2kHz~4kHz.
According to the experimental results of composed soil layer which is embedded in the big test pit in ECCE (Experimental Center of Civil Engineering) showed that the results of RMS of sound pressure, AE rate and frequency spectrum can estimate the interface of soil layer accurately. Therefore, it is recognized that the technique of AE for determining the soil interface location is an effecient method.

關鍵字(中)

★ 錐尖阻抗
★ 音射
★ 均方根音壓
★ 音射發生率
★ 頻譜分析

關鍵字(英)

★ RMS of sound pressure
★ AE rate
★ frequency spectrum
★ acoustic emission
★ cone resistance

論文目次

中文摘要 I
英文摘要 III
目錄 V
圖目錄 XI
表目錄 XVII
符號說明 XVIII
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論文內容 3
第二章文獻回顧 6
2.1圓錐貫入試驗 6
2.1.1圓錐貫入試驗之應用 6
2.1.1.1 Begemann土壤分類法 7
2.1.1.2 Schmertmann土壤分類法 7
2.1.1.3 Douglas與Olsen土壤分類法 7
2.1.1.4 Robertson等人土壤分類法 8
2.1.2圓錐貫入試驗之標度槽試驗 9
2.1.2.1標度槽試驗之發展與應用 10
2.1.2.2標度試體邊界條件控制 11
2.1.2.3標度槽邊界效應的評估 11
2.2音射於大地工程之應用 12
2.2.1音射原理 12
2.2.2音射訊號參數與波形 13
2.2.2.1音射訊號參數 13
2.2.2.2音射訊號波形 14
2.2.3音射訊號特性 15
2.2.3.1時間域分析 16
2.2.3.2頻率域分析 17
2.2.4音射訊號噪音的濾除 18
2.2.4.1頻率濾波法 18
2.2.4.2門檻值濾波法 19
2.2.5音射於土壤力學上之應用 19
2.2.6微音錐貫入試驗 20
2.2.6.1微音錐貫入試驗之發展 21
2.2.6.2微音錐貫入試驗之影響因素 22
第三章試驗土樣、儀器設備及試驗方法 39
3.1試驗土樣 39
3.2試驗儀器及相關設備 40
3.2.1反力式圓錐貫入設備 40
3.2.2微音錐 40
3.2.3圓形土槽 41
3.2.3.1壓力室配置 42
3.2.3.2加壓設備 42
3.2.4室內大型土槽 43
3.2.5錐尖阻抗擷取儀器 43
3.2.6音波量測儀器 43
3.2.6.1電容式微音器 44
3.2.6.2迷你前置放大器 45
3.2.6.3微音器電源供應器 45
3.2.6.4連接盒 46
3.2.6.5資料擷取系統 46
3.3試驗方法與原理 46
3.3.1砂土最大與最小乾密度試驗 46
3.3.1.1最大乾密度 47
3.3.1.2最小乾密度 47
3.3.2試體製作 48
3.3.2.1圓形土槽乾砂試體之製作 48
3.3.2.2室內大型土槽西螺砂土與中大紅土互層試體之製作 49
3.3.3微音錐貫入試驗 50
3.3.3.1圓形土槽砂土貫入試驗 50
3.3.3.2室內大型土槽西螺砂土與中大紅土試體試驗 51
3.3.4試體相對密度的檢核 51
3.4背景噪音在微音錐試驗的影響 52
3.4.1背景噪音之影響與校正 52
3.4.2背景噪音的影響與濾除 53
3.5音波訊號處理 53
3.5.1取樣定理 54
3.5.2快速傅立葉轉換(FFT) 54
第四章試驗結果與分析 67
4.1微音錐基本測試 67
4.1.1背景噪音之濾波設定與濾除影響 67
4.1.1.1背景噪音之濾波設定 67
4.1.1.2背景噪音之濾除影響 68
4.1.2微音錐之電壓與實際音壓的關係 69
4.2圓形1號與圓形2號土槽均勻砂土貫入試驗 70
4.2.1錐尖阻抗之探討 71
4.2.1.1錐尖阻抗與邊界條件之關係 71
4.2.1.2錐尖阻抗與邊界效應之關係 72
4.2.1.3錐尖阻抗、相對密度與覆土應力之關係 73
4.2.2均方根音壓之探討 74
4.2.2.1均方根音壓與邊界效應之關係 75
4.2.2.2均方根音壓、相對密度與覆土應力之關係 75
4.2.2.3均方根音壓與錐尖阻抗之關係 76
4.2.3音射發生率之探討 77
4.2.3.1音射發生率、相對密度與覆土應力之關係 78
4.2.3.2音射發生率與錐尖阻抗之關係 78
4.2.4 頻譜分析之探討 79
4.3室內大型土槽互層土壤貫入試驗 79
4.3.1錐尖阻抗之探討 81
4.3.2均方根音壓之探討 81
4.3.3音射發生率之探討 82
4.3.4 頻譜分析之探討 83
第五章結論與建議 112
5.1結論 112
5.2建議 114
參考文獻 115
附錄一 120
附錄二 123
附錄三 126

參考文獻

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指導教授

張惠文(Huei-Wen Chang)

審核日期

2002-7-17

推文