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研究生: 李立愷
Li, Li-Kai
論文名稱: 小波分析法應用於土層層序及內涵物之檢測研究
The Reserch of Inspecting the Sounding of the Defects In and the Characteristics of Soil Strata by Wavelet Analysis Method
指導教授: 常正之
Charng, Jenq-Jy
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 186
中文關鍵詞: 數值模擬小波分析非破壞檢測
外文關鍵詞: numerical simulation, NDT, wavelet analysis
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  •   對於土層層序特性及缺陷之探測,鑽探調查及試驗開挖是目前最普遍的方法,然而鑽探成本高,容易造成資源的浪費;且鑽孔與鑽孔之間,土層是否還有內涵物,也無法由鑽探報告得知,而試坑開挖亦有其深度及數量之限制,欲全面進行,仍有其經費及可行性之顧慮。
      本文研究重點乃利用具有經濟、快速、精確及涵蓋範圍廣之應力波非破壞性檢測,對土層層序與內涵物進行檢測,將其波形特徵以波傳理論分析及判讀,以期能與鑽探調查得到相輔相成之結果。
      經由有限元素分析之模擬及探討,並應用數位訊號擷取設備進行現地試驗,最後與鑽探報告比對之結果驗證了土層之訊號特徵與理論推導相符。另外,引入小波分析法對訊號進行後處理,使其波形特徵現象更易於判讀,提高了應力波於非破壞檢測之實用性。

     Soil boring and test pit open cut methods were the methods that usually used for the sounding of defects in and the characteristics of soil strata, but the high money cost and time consuming were the major disadvantages including the shortcoming that required information can not be realized between the boring hole; As for the test pit open cut method, the applicable depth and quantity were the major concern.

     The key point of this approach is the usage of an economic, fast, precisely, and versatile stress wave nondestructive inspection method, for the sounding of the defects in and the characteristics of soil strata, according to the characteristics reflect from the signals captured, via wave propagating theory for a further analyses and identification, then the finding results will be expected to compared with that of soil boring method.

     Having simulated and studied by the numerical Finite Element Method, then the in-situ test were performed by using digital signal capturing facilities, and all the results were compared with those obtained from soil boring method; the results show that the characteristics of signals reflected from soil strata coincide with theory derivations, in addition, the wave-let transformation offer as an powerful processing tool for signal captured, which makes a more easy identifications of the characteristics of signals, then enhance the applicability of nondestructive inspection by stress wave.

    摘要 I 誌謝 II 目錄 III 表目錄 VII 圖目錄 VIII 符號說明 XVII 第一章 緒論 1 1.1研究背景 1 1.2研究方法與目的 2 1.3研究內容 2 第二章 文獻回顧與相關理論推導 4 2.1 淺層震測法之回顧與發展現狀 4 2.2 文獻回顧 5 2.3 三維波傳理論 6 2.3.1 波速公式推導 6 2.3.2 波傳反射理論 8 2.4小波轉換 11 2.4.1 小波分析之功用 12 2.4.2多層解析度分析 13 2.4.3 小波函數正交基底 15 2.4.4 小波轉換理論推導 15 2.4.5 小波轉換應用 17 第三章 數值模擬 19 3.1 ABAQUS簡介 19 3.2 顯式動態分析(Explicit Dynamic Analysis)理論 20 3.3 基本模型建立 23 3.3.1 模型類別 24 3.3.2 模擬結果 25 3.4參數比較 26 3.4.1 網格大小與元素種類比較 26 3.4.2 激態荷重型式(Impact Loading)比較 28 3.4.3 激態荷重延時與振幅大小比較 30 3.4.4 激態荷重面積比較 32 3.4.5 阻尼比比較 34 3.4.6 柏松比不同之比較 36 3.3.7 波速測定 37 第四章 數值模擬應用 39 4.1成層土壤 39 4.2 含薄夾層 42 4.3潛在滑動面 46 4.4預埋管線 48 第五章 現地試驗與研判 50 5.1 試驗方法與設備 50 5.1.1試驗方法介紹 50 5.1.2 儀器設備 50 5.2現地試驗一:成功大學校園內 52 5.3 現地試驗二:台南縣安定鄉某工地 55 5.4 本章重點彙整 57 第六章 小波分析 58 6.1 數值分析案例 58 6.2 現地案例分析一:成功大學校園內 61 6.3 現地案例分析二:台南縣安定鄉某建築工地 63 6.4 本章重點彙整 66 第七章 結論與建議 68 7.1 結論 68 7.2 建議 70 參考文獻 71 附錄一 數值模擬輸入檔(.inp) 180 附錄二 現地試驗一試驗數據 182 自述 186 表目錄 表3.1 常用單位系統 82 表3.2 砂土單位重一覽表 82 表3.3 砂土波速一覽表 82 表3.4 砂土楊氏模數一覽表 83 表3.5 砂土柏松比一覽表 83 表3.6 輸入參數一覽表 83 表3.7 不同柏松比反射訊號於10M土層到達表面之時間表 84 表4.1模擬成層土壤受垂直激態荷重之參數一覽表 114 表4.2模擬成層土壤受水平激態荷重之參數一覽表 115 表4.3模擬含薄夾層土壤之參數一覽表 116 圖目錄 圖 1.1 本文之研究流程圖 74 圖2.1 壓力波與剪力波之示意圖 75 圖2.2 應力波於異質界面之折射與反射示意圖 76 圖2.3 反射波與入射波之比值與入射角之關係圖 77 圖2.4 地表與土層界面間之波傳示意圖 77 圖2.5 小波訊號分解示意圖 78 圖2.6 小波函數之尺度變化 79 圖2.7 小波函數之平移變化 79 圖2.8 多層解析度空間示意圖 80 圖2.9 經尺度與平移後所調整之函數 80 圖2.10 各種正交小波父函數 (左)與母函數 (右) 81 圖3.1 ABAQUS/EXPLICIT 分析流程圖 84 圖3.2 數值模擬模型 85 圖3.3 三種底部設為固定端模型之模擬結果比較圖 86 圖3.4 三種底部設為自由端模型之模擬結果比較圖 87 圖3.5 模型網格尺寸分別為0.05M及0.1M之模擬結果比較圖 88 圖3.6 模型網格尺寸分別為0.05M及0.1M之模擬結果比較圖 89 圖3.7 ABAQUS/EXPLICIT 提供之三種平面應變元素 90 圖3.8 CPE6M元素模擬土層承受垂直激態荷重於不同測點之速率與位移歷時圖 91 圖3.9 CPE4R元素模擬土層承受垂直激態荷重於不同測點之速率與位移歷時圖 92 圖3.10 垂直激態荷重之示意圖及網格圖 93 圖3.11 水平激態荷重之示意圖及網格圖 94 圖3.12 深度為5M之土層承受水平激態荷重於不同測點之速率與位移歷時圖 95 圖3.13 深度為10M之土層承受水平激態荷重於不同測點之速率與位移歷時圖 96 圖3.14 深度為10M之土層承受垂直激態荷重於不同測點之速率與位移歷時圖 97 圖3.15 表列式震源輸入及示意圖 98 圖3.16 垂直激態荷重作用延時不同之地表反應比較圖(Ⅰ) 99 圖3.17 水平激態荷重作用延時不同之地表反應比較圖(Ⅰ) 100 圖3.18 垂直激態荷重作用延時不同之地表反應比較圖(Ⅱ) 101 圖3.19 水平激態荷重作用延時不同之地表反應比較圖(Ⅱ) 102 圖3.20 垂直激態荷重於不同施力大小之地表反應比較圖 103 圖3.21 水平激態荷重於不同施力大小之地表反應比較圖 104 圖3.22垂直激態荷重於不同施力面積之地表反應比較圖(Ⅰ) 105 圖3.22垂直激態荷重於不同施力面積之地表反應比較圖(Ⅱ) 106 圖3.23水平激態荷重於不同施力面積之地表反應比較圖 107 圖3.24 垂直激態荷重於不同數值阻尼比條件之地表反應比較圖 108 圖3.25 水平激態荷重於不同數值阻尼比條件之地表反應比較圖 109 圖3.26 垂直激態荷重於不同柏松比條件之地表反應比較圖 110 圖3.27 水平激態荷重於不同柏松比條件之地表反應比較圖 111 圖3.28 垂直激態荷重距離波源5M處質點速率與位移變化圖 112 圖3.29 水平激態荷重質點速率與位移變化圖 113 圖4.1 成層土壤示意圖 117 圖4.2 上軟下硬土層承受垂直激態荷重之地表不同測點(A)速率與(B)位移變化圖 117 圖4.3 不同阻抗比上軟下硬土層承受垂直激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 118 圖4.4 上硬下軟土層承受垂直激態荷重之地表不同測點(A)速率與(B)位移變化圖 119 圖4.5 不同阻抗比上硬下軟土層承受垂直激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 120 圖4.6上軟下硬土層承受水平激態荷重之地表不同測點(A)速率與(B)位移變化圖 121 圖4.7 不同阻抗比上軟下硬土層承受水平激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 122 圖4.8上硬下軟土層承受水平激態荷重之地表不同測點(A)速率與(B)位移變化圖 123 圖4.9 不同阻抗比上硬下軟土層承受水平激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 124 圖4.10 含薄夾層土壤示意圖 125 圖4.11 薄夾層上、下異質面產生兩個走時差之反射波 125 圖4.12 不同厚度之鬆軟薄夾層承受垂直激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 126 圖4.13 成層與含鬆軟薄夾層土壤承受垂直激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 127 圖4.14 土層含不同厚度堅硬薄層承受垂直激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 128 圖4.15 成層與含堅硬薄夾層土壤承受垂直激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 129 圖4.16 土層含不同厚度鬆軟薄夾層承受水平激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 130 圖4.17 成層與含鬆軟薄夾層土壤承受水平激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 131 圖4.18 土層含不同厚度堅硬薄層承受水平激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 132 圖4.19 成層與含堅硬薄夾層土壤承受水平激態荷重之地表測點反應曲線比較圖 133 圖4.20 潛在滑動面示意圖 134 圖4.21 含潛在滑動面承受垂直激態荷重之地表測點速率與位移變化圖(Θ=15度) 135 圖4.22 含潛在滑動面承受垂直激態荷重之地表測點速率與位移變化圖(Θ=20度) 136 圖4.23含潛在滑動面承受水平激態荷重之地表測點速率與位移變化圖(Θ=15度) 137 圖4.24 含潛在滑動面承受水平激態荷重之地表測點速率與位移變化圖(Θ=20度) 138 圖4.25 預埋管線示意圖 139 圖4.26 含空洞與成層土壤承受垂直激態荷重之地表測點反應曲線比較圖(H=0) 140 圖4.27含空洞與成層土壤承受水平激態荷重之地表測點反應曲線比較圖(H=0) 141 圖4.28 含空洞於波源正下方與未於波源正下方之地表測點反應曲線比較圖 142 圖4.29垂直激態荷重與空洞水平距離5M之地表測點反應曲線 143 圖4.30水平激態荷重與空洞水平距離5M之地表測點反應曲線 143 圖5.1 地音計 144 圖5.2動態訊號分析儀 144 圖5.3鑽孔與試驗地點位置圖 145 圖5.4 編號A7C1試驗結果 146 圖5.5 編號B3C2試驗結果 146 圖5.6 編號C3C2試驗結果 147 圖5.7 編號A1C1試驗結果 147 圖5.8 編號A2C1試驗結果 148 圖5.9 波速量測試驗示意圖 148 圖5.10 波速量測試驗不同受波器之訊號比較 149 圖5.11 孔號BH3鑽探報告 150 圖5.12 簡易地層圖 151 圖5.13 安定鄉某建築工地鑽孔與試驗位置圖 152 圖5.14(A) 安定鄉某建築工地鑽探地質剖面圖(10~14孔) 153 圖5.14(B) 安定鄉某建築工地鑽探地質剖面圖(15~17孔) 154 圖5.15 BH10與BH17簡易地層剖面圖 155 圖5.16 以鐵錘直接敲擊BH10周圍土壤之測點垂直速率變化圖 156 圖5.17 BH10周圍以鐵錘敲擊橡膠墊之測點垂直速率變化圖 157 圖5.18 BH17周圍以鐵錘敲擊橡膠墊之測點垂直速率變化圖 158 圖5.19 BH10測點反應曲線與簡易地層剖面比較圖 159 圖5.20 BH17測點反應曲線與簡易地層剖面比較圖 160 圖6.1 以小波分析上軟下硬土層承受垂直激態荷重之地表測點時域資料結果(阻抗值為2.67) 161 圖6.2 以小波分析上軟下硬土層承受垂直激態荷重之地表測點時域資料結果(阻抗值為1.25) 162 圖6.3 以小波分析上軟下硬土層承受水平激態荷重之地表測點時域資料結果(阻抗值為2.67) 163 圖6.4 以小波分析上軟下硬土層承受水平激態荷重之地表測點時域資料結果(阻抗值為1.1) 164 圖6.5 以小波分析鬆軟薄夾層土壤承受垂直激態荷重之地表測點時域資料結果 165 圖6.6 以小波分析鬆軟薄夾層土壤承受水平激態荷重之地表測點時域資料結果 166 圖6.7 編號A7C1時域資料以小波分析之結果 167 圖6.8 編號A3C2時域資料以小波分析之結果 168 圖6.9 編號B3C1時域資料以小波分析之結果 169 圖6.10 編號C1C1時域資料以小波分析之結果 170 圖6.11 小波分析與鑽探報告及時域分析之比較(成功大學4507教室旁空地) 171 圖6.12 以小波分析一號受波器於試驗地點一(BH10)第一次試驗資料之結果 172 圖6.13 以小波分析二號受波器於試驗地點一(BH10)第一次試驗資料之結果 173 圖6.14 以小波分析二號受波器於試驗地點一(BH10)第五次試驗資料之結果 174 圖6.15 以小波分析一號受波器於試驗地點二(BH17)第一次試驗資料之結果 175 圖6.16 以小波分析一號受波器於試驗地點二(BH17)第四次試驗資料之結果 176 圖6.17 以小波分析一號受波器於試驗地點二(BH17)第七次試驗資料之結果 177 圖6.18 小波分析與鑽探報告及時域分析之比較(台南縣安定鄉建築工地試驗地點一) 178 圖6.19小波分析與鑽探報告及時域分析之比較(台南縣安定鄉建築工地試驗地點二) 179

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    2.ABAQUS/Standard User’s Manual Version 6.4
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    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2006-02-09公開
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