無圍壓貫入法於張力強度之試驗與分析

Abstract

由於土壤的張力強度遠小於其壓力強度，且至今仍未有適當且精確之方法量測，因此在大地工程中，土壤之張力強度經常被忽略或視為對土壤強度並未有顯著影響。然而在近年的調查研究中發現，土壤之張力強度與道路鋪面、深開挖、邊坡、防坡堤、重力壩等地工結構之張裂破壞具有密切關係，因此土壤張力強度的探討實有其必要性。 決定材料張力強度的方法可分為直接法與間接法，直接法為利用直接張力試驗取得量測值，而間接法如劈裂試驗 (split tension test)、巴西人法 (Brazilian test)、三點彎矩試驗(three-point bending test)、四點彎矩試驗 (four-point bending test)及無圍壓貫入試驗 (unconfined penetration test)等，則是需藉由其理論所推導之公式代入計算而得。 Chen於1969年發展出無圍壓貫入試驗 (unconfined penetration test)，並以極限平衡分析為理論以求得材料之張力強度，其參數包含摩擦角、無圍壓縮強度、試體直徑與高度、貫入棒直徑、試驗所得最大軸向壓力及未知之壓力圓錐角度。Chen and Fang (1972) 及 Fang and Fernandez (1981) 均提出建議之K值取代未知的壓力圓錐角度，其中K值為壓力圓錐角度與摩擦角之函數，若代入建議值反算則會有壓力圓錐角度小於其理論限制之最小值的情況發生，因此本研究將以原方法、疊代法、已知壓力圓錐角度下的極限平衡分析及力平衡方法探討土壤之張力強度與其方法之合理性。 本研究以 80% 石英砂與 20% 高嶺土之混合夯實土壤進行兩部分試驗，第一部分試驗為無圍壓縮試驗，均採用直徑10 cm、高度 20 cm之試體進行試驗；而第二部分試驗為無圍壓貫入試驗，試體為直徑10.15 cm、高度10 cm，並使用四種不同直徑之貫入棒進行試驗，結果顯示貫入棒直徑越大、試驗所得之最大軸向壓力也隨之越大，另外於試驗後實際量測壓力圓錐角度發現，對於相同土壤其角度並不隨貫入棒尺寸而改變，即在相同土樣下壓力圓錐角度可視為定值。將兩部分試驗結果及試體基本物理性質代入四種方法後得到張力強度，其結果顯示貫入棒尺寸對四種方法所得之張力強度皆有明顯影響，且貫入棒越大所得之張力強度越大，而四種方法所得之張力強度在貫入棒直徑與試體直徑比為0.22時其值相近具有收斂的現象，但其與官禹 (2015) 利用直接張力試驗所得之張力強度仍有倍數級差距，兩者無法直接進行比較；另外在探討K值之合理性時發現，由原方法與疊代法所得之K值反算壓力圓錐角皆有與假設牴觸之情形，而實驗量測之角度則除了與貫入棒直徑與試體直徑比為0.5時的條件不符外，其餘皆無違反其假設，因此在使用原方法及疊代法計算張力強度時須注意是否具有違反假設之疑慮。