飽和砂土中圓錐貫入引發之音射特性

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林盈宏(Ying-Hung Lin) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

飽和砂土中圓錐貫入引發之音射特性
(Using Acoustic Cone Penetration Test onAcoustic Emission Characteristics in saturated sand.)

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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。本研究在貫入圓錐錐頭部分裝置微型麥克風，量測土壤在貫入過程所產生的音射訊號，藉由音波的反應來改進量測的準確度。
本研究針對在不同覆土壓力及相對密度之條件下的飽和砂土貫入實驗，同時量測錐尖阻抗與音射訊號，分別就錐尖阻抗及均方根音壓、頻譜分析於貫入之反應進行探討。
試驗結果顯示，於飽和砂土中，錐尖阻抗會隨著深度的增加而持續上升。而不同相對密度與覆土壓力之各組試驗，當相對密度或覆土壓力愈大，所得之錐尖阻抗與均方根音壓亦愈大。將此結果與王志偉(2002)所進行之乾砂反應相比較，發現在飽和砂土中之錐尖阻抗、均方根音壓及音射發生率都比乾砂低。
頻譜分析中，福隆砂、峴港砂與西螺砂之頻譜，主要頻率分佈於2~4kHz之間，而音壓約在0.1~0.25Pa之間。音射分析中，隨著相對密度與覆土壓力的增加，音射發生率會有提高的趨勢。

摘要(英)

Cone Penetration Tests (CPT) are usually applied to the investigation of soil classification, determination of soil parameters, estimation of bearing capacity of soil and judgement of liquefaction. This research installed a mini microphone into the cone tip to measure acoustic signal during cone penetration into soil. So the accuracy of testing results will be improved by using this high sensitivity of acoustic signal.
This research measured the cone resistance and acoustic signal in saturated sand to study the response of cone resistance, root mean square of sound pressure and frequency spectrum in cone penetration tests.
The results mean that the cone resistance in the saturated sand will increase continuously with depth. It is also shown that the cone resistance, RMS of sound pressure and AE rate of the saturated sand would be increased with the increase of relative density and overburden pressure. Take these results to compare with that of dry sand measured by Wang(2002), it can be found that the cone resistance, root mean square of sound pressure and acoustic emission rate of the saturated sand is lower than that of the dry sand.
The analysis of frequency spectrum of Fulong Sand, Danang Sand and Shiluo Sand showed that the major frequency distributions of these tests are located at the range of 2kHz~4kHz, and the sound pressures are about 0.1Pa to 0.25Pa. The rate of acoustic emission count rate increased with the relative densities and overburden pressures.

關鍵字(中)

★ 頻譜分析
★ 音射發生率
★ 均方根音壓
★ 錐尖阻抗

關鍵字(英)

★ acoustic emission rate
★ frequency spectrum
★ cone resistance
★ root mean square of sound pressure

論文目次

目錄
內容頁次___________________________________________________________
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
圖目錄 ....IX
表目錄 ...XIV
符號說明 .XV
第一章緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2研究流程與架構 2
1.3研究方法 2
1.4論文內容 2
第二章文獻回顧 5
2.1圓錐貫入試驗 5
2.1.1概述 5
2.1.2圓錐貫入試驗的標準化 5
2.1.3試驗資料分析與應用 7
2.1.4圓錐貫入試驗之影響因素 10
2.2標度槽之發展與應用 12
2.2.1標度系統之發展 12
2.2.2標度試體邊界條件控制 13
2.2.3標度槽尺寸對邊界條件的影響 14
2.3音波與大地工程 15
2.3.1音波的基本性質 15
2.3.2音射原理 16
2.3.3音射於土壤力學上之應用 17
2.3.4微音錐貫入試驗之發展 19
2.3.5微音錐貫入試驗之影響因素 20
2.4最近之相關研究 21
第三章試驗土樣、儀器設備及試驗方法 46
3.1試驗土樣 46
3.2試驗儀器及相關設備 47
3.2.1反力式圓錐貫入設備 47
3.2.2微音錐貫入儀 47
3.2.3圓形土槽 48
3.2.3.1壓力室配置 49
3.2.3.2加壓設備 49
3.2.3.3輔助設備 50
3.2.4錐尖阻抗擷取儀器 50
3.2.5音波量測與檢核儀器 50
3.2.5.1電容式微音器 51
3.2.5.2迷你前置放大器 52
3.2.5.3電源供應器 53
3.2.5.4連接盒 53
3.2.5.5資料擷取系統 53
3.2.5.5移動式霣降儀 54
3.3試驗方法與原理 54
3.3.1砂土最大與最小乾單位重 54
3.3.2試體製作 56
3.3.3砂土貫入試驗 57
3.3.4試體相對密度的檢核 58
3.4背景噪音在微音錐試驗的影響 58
3.4.1背景噪音之影響與校正 58
3.4.2背景噪音的影響與濾除 60
3.5音波信號處理 60
3.5.1取樣定理 60
3.5.2快速傅立葉轉換 61
3.5.3均方根音壓與聲音振幅之換算 62
3.5.4音射速率 62
第四章試驗結果分析 73
4.1基本測試 73
4.1.1微音錐之電壓與實際音壓的關係 73
4.1.2背景噪音之影響 74
4.1.3背景噪音之濾波設定 75
4.2錐尖阻抗 76
4.2.1錐尖阻抗與邊界條件之關係 76
4.2.2試驗結果之探討 76
4.3均方根音壓 79
4.3.1均方根音壓、相對密度與覆土壓力之關係 80
4.3.2均方根音壓與錐尖阻抗之關係 81
4.4音射發生率 82
4.4.1音射發生率、相對密度與覆土壓力之關係 82
4.4.2音射發生率與錐尖阻抗之關係 82
4.5頻譜分析 83
4.6液化潛能評估 84
第五章結論與建議 104
5.1結論 104
5.2建議 105
參考文獻 106
圖目錄
圖別說明頁次
圖1.1 研究流程圖 4
圖2.1 貫入阻抗修正係數圖 27
圖2.2 CPT土壤分類圖 27
圖2.3 CPT土壤分類圖 28
圖2.4 CPT土壤分類圖 28
圖2.5 校正錐底投影面積示意圖 29
圖2.6 CPTU土壤分類圖 29
圖2.7 CPTU正規化土壤分類圖 30
圖2.8 CPTU正規化土壤分類圖 31
圖2.9 標度槽試驗加載之邊界條件 32
圖2.10 具中空壁設計之標度槽 32
圖2.11 標度槽之尺寸邊界效應 33
圖2.12 土壤受剪的音射特性和破壞模式之關係圖 33
圖2.13 不同土壤受剪之音射頻譜分布圖 34
圖2.14 非凝聚性土壤軸差應力與應變之關係圖 34
圖2.15 非凝聚性土壤軸差應力與音射數之關係圖 35
圖2.16 凝聚性土壤應力與音射數之關係圖 35
圖2.17 凝聚性土壤應力與音射數之關係圖 36
圖2.18 音波振幅之均方根音壓與土壤粒徑關係圖 36
圖2.19 音波振幅之均方根音壓與貫入速度關係圖 37
圖2.20(a) 圓形1號土槽中錐尖阻抗與深度之關係圖 38
圖2.20(b) 圓形2號土槽中錐尖阻抗與深度之關係圖 38
圖2.21(a) 錐尖阻抗與相對密度之關係圖(σv=49kPa) 39
圖2.21(b) 相對密度、錐尖阻抗與覆土壓力之關係圖 39
圖2.22(a) 環境噪音對微音錐量測結果之影響 40
圖2.22(b) 機械噪音對微音錐量測結果之影響 40
圖2.23 錐尖阻抗與深度之關係圖(Dr=60%；σv=49kPa) 41
圖2.24(a) 福隆砂之代表頻譜分布圖 41
圖2.24(b) 峴港砂之代表頻譜分布圖 42
圖2.24(c) 西螺砂之代表頻譜分布圖 42
圖2.25 音射發生率與相對密度關係圖(σv=49kPa) 43
圖2.26 音射發生率與錐尖阻抗關係圖 43
圖2.27 麥寮砂之相對密度與內摩擦角關係圖 44
圖2.28 互層試體一均方根音壓與深度關係 44
圖2.29 錐尖阻抗與深度關係(σv=49kPa) 45
圖3.1 土壤粒徑分布曲線 67
圖3.2 微音錐貫入設備配置圖 67
圖3.3 微音錐內部構造圖 68
圖3.4 圓形土槽 68
圖3.5 微音錐貫入試驗之音波量測流程圖 69
圖3.6 資料擷取系統 70
圖3.7 微音器之規格與外觀 70
圖3.8 電源供應器外觀圖 71
圖3.9 最大、最小乾密度試驗之儀器設備 71
圖3.10 霣降儀 72
圖3.11 背景噪音校正圖 72
圖4.1 微音器與微音錐之試驗配置圖 88
圖4.2(a) 環境噪音對微音錐量測結果之影響微音錐之時間域的音射振幅分佈 89
圖4.2(b) 環境噪音對微音錐量測結果之影響微音錐之頻率域的音射振幅分佈 .89
圖4.3(a) 機械噪音對微音錐量測結果之影響微音錐之時間域的音射
振幅分佈 .90
圖4.3(b) 機械噪音對微音錐量測結果之影響微音錐之頻率域的音射
振幅分佈 90
圖4.4 相對密度相同下福隆砂之錐尖阻抗與深度之關係圖 91
圖4.5 相同覆土壓力下福隆砂之錐尖阻抗與深度之關係圖 91
圖4.6 相對密度相同下峴港砂之錐尖阻抗與深度之關係圖 92
圖4.7 相同覆土壓力下峴港砂之錐尖阻抗與深度之關係圖 ..92
圖4.8 相對密度相同下西螺砂之錐尖阻抗與深度之關係圖 ..93
圖4.9 相同覆土壓力下西螺砂之錐尖阻抗與深度之關係圖 93
圖4.10 相對密度相同下乾砂條件下之錐尖阻抗與深度關係圖 ..94
圖4.11 相同覆土壓力下乾砂條件下之錐尖阻抗與深度關係圖 ..94
圖4.12 相同覆土壓力下錐尖阻抗與相對密度之關係圖 ..95
圖4.13 相對密度相同下福隆砂之均方根音壓與深度之關係圖 ..96
圖4.14 相同覆土壓力下福隆砂之均方根音壓與深度之關係圖 ..96
圖4.15 相對密度相同下峴港砂之均方根音壓與深度之關係圖 ..97
圖4.16 相同覆土壓力下峴港砂之均方根音壓與深度之關係圖 ..97
圖4.17 相對密度相同下西螺砂之均方根音壓與深度之關係圖 ..98
圖4.18 相同覆土壓力下西螺砂之均方根音壓與深度之關係圖 ..98
圖4.19 相同覆土壓力下均方根音壓與相對密度之關係圖 ..99
圖4.20 相同覆土壓力下乾砂試體中峴港砂之均方根音壓與深度
之關係圖 99
圖4.21 相對密度相同下均方根音壓與覆土應力之關係圖 ..100
圖4.22 均方根音壓與錐尖阻抗之關係圖 ..100
圖4.23 相同覆土壓力下音射發生率與相對密度關係圖 ..101
圖4.24 相對密度相同下音射發生率與覆土應力關係圖 ..101
圖4.25 音射發生率與錐尖阻抗關係圖 …102
圖4.26 福隆砂之代表頻譜分布圖 ....102
圖4.27 峴港砂之代表頻譜分布圖 ....103
圖4.28 西螺砂之代表頻譜分布圖 …103
表目錄
圖別說明頁次
表2.1大地工程研究上之標度槽 .24
表2.2標度槽試驗加載之邊界條件 .25
表2.3音射直剪試驗中土壤的基本性質…………………………………25
表2.4音射三軸試驗中非凝聚性土壤的基本性質…………………… ...25
表2.5音射三軸試驗中凝聚性土壤的基本性質…………………….......26
表3.1試驗土樣的基本性質 64
表3.2量測系統特性 64
表3.3不同相對密度之霣降條件 65
表3.4背景噪音校正表 66
表4.1音壓位準、音壓與電壓值換算表 86
表4.2試驗資料分析 87

參考文獻

參考文獻
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指導教授

張惠文(Huei-Wen Chang)

審核日期

2003-7-14

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