浅地表地球物理技术在岩土工程中的应用与挑战

地球物理勘探方法在岩土工程的应用已有很长一段时间,但其成效与工程师的期待往往有不小的落差,以致于在一般的工程应用上仍不普遍.近年来浅地表地球物理技术有显着的进展,特别是在走时速度层析成像(Traveltime Tomography)、电阻率层析成像法(Electrical Resistivity Tomography)及多道瞬态面波法(Multichannel Analysis of Surface Wave).本文首先介绍这些方法在台湾岩土工程的应用,主要包括地层土壤液化潜能评估、坝体的安全检测、土壤与地下水污染调查及地基改良的质量管控等,应用案例以台湾常使用的地球物理勘探方法逐一介绍.虽然许多成功案例与新的应用方向对于浅地表地球物理技术在岩土工程应用的推广起了鼓舞作用,本文从工程师的角度提出地球物理勘探工程大量应用的挑战与瓶颈,包括如何提升探测数据的客观性、数据反演非唯一性问题、探测深度与分辨率的限制、实际条件违背反演基本假设的情况、以及地物性质与工程性质链接的不确定性问题,并进一步针对这些问题说明相关研究的进展与实务对策.希冀透过上述探讨,降低物探师与工程师认知上的差距,提升地球物理勘探在工程的应用的合理性与普及性.

台湾第一部钢骨钢筋混凝土构造(SRC)设计规范之设计理念与重点内容

本文主要阐述台湾第一部钢骨钢筋混凝土构造(SteelReinforcedConcrete,SRC)设计规范之发展过程与重点内容,包括SRC构造之建筑与力学特色、SRC构造之设计理念、SRC构造之强度计算方法、耐震设计与SRC梁柱接头之设计细则等。台湾“SRC构造设计规范”可以适用于由钢梁或包覆型SRC梁、包覆型SRC柱或钢管混凝土柱(CFT)共同组成之SRC建筑构造。过去多年以来,由于台湾的建筑设计规范并未明订SRC构造设计之规定,使得工程师在进行SRC构造设计时缺乏一套依循的标准。所幸在“内政部”建筑研究所推动之下,台湾SRC构造设计规范草案终于在2003年底经过“内政部”建筑技术审议委员会审查通过。“内政部”于2004年1月16日公布修正建筑法规中之“建筑技术规则”,增列“第七章:钢骨钢筋混凝土构造”,由第496条至520条明订SRC构造设计之相关规定。随后并公布“钢骨钢筋混凝土构造设计规范与解说”自2004年7月1日起正式施行。从此以后,台湾从事SRC构造设计之业者与相关审查机构将可以有明确的设计规范可以依循。由于台湾的钢骨构造(S)与钢筋混凝土构造(RC)设计规范主要是参考美国AISC及ACI规范而订定,为了使S、RC及SRC三种构造的设计规范能够具有一贯性,因此台湾“SRC构造设计规范”的研拟过程亦朝着结合AISC与ACI规范的方向进行。为了彰显SRC构造之设计理念,本文提出一个称为“SRC优生学”的新观念,并比喻说:“一个经过适当设计的SRC构造,就像是S构造与RC构造结婚生下来的‘优生宝宝’。”这正是一个成功的SRC构造设计所欲达成的目标。换言之,一个细心设计的SRC构造,不但可以享受到S构造与RC构造的优点,更可以利用这两种构造“互相截长补短”,达到更安全与更经济的双赢目标。

由TOPEX/Poseidon和Jason-1/2探测的1993—2012中国海海平面时空变化

海平面变化是社会经济发展和科学研究的重要内容.利用1993年1月至2012年12月共20年的TOPEX/Poseidon、Jason-1和Jason-2卫星测高数据,研究中国海海平面的时空变化.首先通过三颗卫星伴飞阶段数据得到三颗卫星之间的逐点海面高系统偏差,进行逐点海面高改正,建立了20年的中国海海面高异常时间序列.分析了中国海海面高异常空间分布,给出了1月到12月月均平均海平面异常的空间变化规律.分析了中国海海面高异常的时变规律,分别给出了年、季度和月的海面上升速率.利用小波分析研究了中国海海面高异常周期变化规律,分别给出了渤海、黄海、东海和南海的海面高变化周期.讨论了ENSO对海面高异常的影响.

基于卫星测高交叉点的海洋表面地转流速度

在流体静力平衡状态下,海洋Coriolis力和压力梯度平衡就形成地转流,世界上大多数海流都近似为地转流.本文利用卫星测高交叉点方法计算海洋表面地转流速度,分析了利用测高交叉点计算地转流速度的不确定性,上升和下降弧段的海面倾斜在分辨率50km上可以达到10^(-7)量级,才可能获得优于10cm/s的地转流速度.在低纬度或者纬度接近卫星轨道倾角的地区,由交叉点方法计算的地转流速度精度低于中纬度地区.以中国台湾东部黑潮为试验区,利用最新的中国台湾周边海域大地水准面模型参考场计算高精度的大地水准面高,利用TOPEX/Poseidon和Jason-1的GDR数据(2002～2005年)计算海面高,然后计算交叉点的动力高,确定交叉点的地转流速度,结果与中国台湾NCOR(National Center for Ocean Research)的流速基本一致.

一种多前缘多阈值的波形重构算法

为了改善近海测高精度,本文对近海测高波形的特征进行了研究,并在现有算法的基础上提出基于波前缘识别算法的多前缘多阈值波形重构方法.然后将该方法用于中国近海的卫星测高波形数据的处理,得到精度与分辨率更好的海面高数据.作为验证,将此海面高数据换算为重力异常并与船测重力进行比较,结果显示该方法可以明显提高卫星测高精度.

近岸海域EnviSat卫星测高波形重定的Threshold优化算法

波形重定是改善近岸海域卫星测高数据精度的一种有效方法.分析了EnviSat雷达测高波形重定算法,并对Threshold算法进行了优化,开发了波形重定程序;以地中海为实验区,利用几种波形重定方法,对近岸海域的EnviSat测高波形进行重定,认为优化的Threshold算法是几种波形重定算法中最稳健的重定算法,适合于地中海近岸海域EnviSat测高波形的重定,对其他近岸海域的应用也有一定的参考意义.

由星载GPS双差相位数据进行CHAMP卫星动力学定轨

为了确定CHAMP卫星的轨道,由星载GPS数据和IGS跟踪站的GPS数据构造星地相位双差观测量,利用EOP、SGO、时间等数据,对GPS数据进行预处理,包括钟差改正、模糊度解算和周跳探测、卫星姿态改正、天线偏差和相位中心改正等,采用CHAMP卫星受力摄动模型,根据动力学原理,对CHAMP卫星进行实际定轨。与德国GFZ定轨结果PSO相比,本方法定轨结果径向精度为0.285 7 m。对于1 d的重叠轨道,径向轨道差异的RMS为0.095 8 m。对于轨道端点比较,径向轨道差异平均为0.066 6 m。

由CHAMP星载GPS相位双差数据解算地球引力场模型

利用7 d的CHAMP星载GPS相位观测数据和48个IGS跟踪站的观测数据,构造星地双差相位观测量,进行GPS数据预处理;利用CowellⅡ数值法进行轨道积分和分块Bayes最小二乘参数估计,解算了地球引力场位系数。该模型与EGM96相比(70阶次),大地水准面起伏差异最大为2.872 m,差异精度为0.522m,平均差异为-0.003 m,这说明本文解算的地球重力场模型与EGM96没有系统性差异。

钢构造梁扩翼接头之耐震行为

传统抗弯构架之梁柱接头梁腹板以螺栓接合而梁翼板以全渗透焊接于柱,在北岭及阪神地震的侵袭下,梁柱接头处发生严重脆性破坏。本研究针对钢梁连接H型钢柱之接头,以扩大接头处梁翼板宽度之改良方式,改善扇形开孔处与梁翼全渗透焊道之应力集中现象。藉由参数研究确立各设计参数,制作六组实尺寸试体进行试验。试验结果显示,扩翼式梁柱接头试体可降低梁柱接头处发生脆性破坏之可能,而皆可产生塑性铰,提供优良且稳定之弯矩强度及韧性能力。

预制星形螺箍SRC柱的轴压与反复荷载抗震性能

本文旨在探讨一种创新研发的"复合式螺旋箍筋"用于矩形截面钢骨钢筋混凝土(SRC)柱的可行性及经济效益,共进行了八支实尺寸短柱轴压试验及两支实尺寸长柱反复荷载抗震试验。此种新型的"复合式螺箍"是由一组星形螺箍与一组圆形螺箍共同交织而成的;其中星形螺箍可以有效地束制矩形SRC柱四个角落的混凝土,而圆形螺箍除了可与星形螺箍共同围束混凝土外,亦扮演类似系筋的作用,可以有效地抑制星形螺箍向外扩张变形,进而发挥双重围束混凝土的功能。本文中的复合式螺旋箍筋采用自动化加工制造,有助于降低箍筋绑扎所需的人力及缩短工期,适用于预制工法。试验结果发现,配置复合式螺箍的短柱强度与韧性皆优于配置传统横箍之短柱;两支复合螺箍SRC长柱的反复荷载滞回曲线均相当饱满,在层间变位角高达5.6%弧度下,其强度仍可稳定地维持在高档,柱底部的塑铰区发挥了良好的韧性,显示此种新型的复合螺箍SRC柱具备优越的消能与抗震能力。

预铸五螺箍矩形SRC柱之轴压与反复载重抗震试验

本研究成功的进行一系列大尺寸钢骨钢筋混凝土(Steel Reinforced Concrete,SRC)矩形柱之轴压试验与反复载重抗震试验,旨在探讨新型的复合螺旋箍筋(本文称之为"五螺箍(5-Spirals)"或"尹氏螺箍(Yin′sSpi-rals)")在矩形SRC柱之使用效益。本研究的五螺箍采用自动化加工制造,具备高度经济效益,很适合用于预铸工法。此外,由于SRC柱内部之钢骨亦能够围束混凝土,有助于降低SRC柱箍筋之需求量,达到更经济的设计结果;且螺旋箍筋对混凝土之围束效果比传统水平闭合箍筋更好,亦可提升柱之强度与抗震能力。试验结果显示,SRC柱之反复载重迟滞迴圈(Hysteretic Loop)均相当饱满,试件的层间变位角(Drift Angle)高达6.0%rad,且SRC柱之强度可以持续的维持在高档。此一现象显示在6.0%rad的大变形之下,五螺箍SRC柱仍然具备十分稳定的强度,可以有效地抵抗强震引致之水平剪力,而不致于发生快速崩塌之现象。因此,五螺箍SRC柱在抗震方面具有卓越的特色,对于保障大地震来袭时之生命与财产安全有重要意义。

钢梁与SRC柱之梁柱接头耐震试验

相对于传统SRC梁接SRC柱的梁柱接头而言,本研究采用钢梁接SRC柱之接头型式,尝试利用SRC柱在劲度与抗压强度之优点,并避开SRC梁在施工上的不便,初步进行了两组大尺寸试体之反复载重试验,以探讨此种型式接头之耐震行为。实验结果显示,由于两组试体之钢梁与钢柱之弯矩强度比并未满足强柱弱梁的规定(但SRC柱整体之抗弯强度仍大于钢梁之强度),因此其反复载重位移曲线并不如满足强柱弱梁的纯钢构接头饱满,而在非弹性阶段出现较明显劲度衰减的现象;但由于SRC柱接头区的混凝土对钢柱提供了良好的围束,使得试体极限强度仍可稳定发展。

湖泊范围内TOPEX／Poseidon卫星测高波形分析

对TOPEX/Poseidon卫星在呼伦湖范围内的测高波形进行分析,得出结论:测高波形在湖泊范围内具有似海洋波形的特性;湖泊在冬季结冰时,测高波形多为尖锥状波形,而且受湖面积雪的影响,冬季波形能量比夏季的波形能量低。

钢梁与包覆RC箱型钢柱之梁柱接头耐震性能研究

本研究进行两组“大尺寸梁柱接头”之反复载重试验,以探讨其力学行为与耐震性能。本研究之试体采用钢梁与“受钢筋混凝土包覆之箱型钢柱(简称包覆箱型钢柱或SRC柱)”接合之梁柱接头。此种钢梁与SRC柱接合之构造的主要特点,在于利用SRC柱之劲度、防火与抗压强度方面的长处,又可以发挥钢梁在韧性与施工便捷方面之优点。本研究之试体均符合“强柱弱梁”之原则且梁柱接头区之标称剪力强度均大于该区之需求剪力强度,试体之断面配置均符合台湾SRC设计规范之要求。本研究探讨之重点包含:(1)此种新型梁柱接头之钢梁塑性铰的发展情形,(2)梁柱接头区混凝土之开裂状况,(3)配置剪力钉对梁柱接头韧性之影响。实验结果显示,由于SRC柱内之箱型钢管断面在X与Y向各有两片腹板,故可以提供梁柱接头区充分的剪力强度,并可抑制接头区的剪力变形,使接头区之混凝土保持良好状态,并无明显开裂之情形,进而确保插入SRC柱的钢梁受到接头区之钢筋混凝土有效的束制,使得钢梁的塑性铰可以远离焊道,最终在SRC柱之混凝土面外约15cm处发展出稳定且充分的塑性变形。换言之,SRC柱接头区的钢筋混凝土具有保护钢骨梁柱接头焊道的功能,该区的钢筋混凝土成功的将钢梁的塑性铰逼离焊道,使钢梁在SRC柱混凝土面外形成良好的塑性铰。本研究之梁柱接头试体在反复载重作用下,可以发展出稳定且饱满的迟滞循环(Hysteretic Loop)。两组接头试体之钢梁塑性转角(Plastic Rotation Angle)达到5.4%和6.0%rad,梁柱接头之层间变位角(InterstoryDrift Angle)达到6.2%与6.7%rad,显示此两组梁柱接头均具有优良的塑性变形能力,超过AISC SeismicProvisions(2002)所订4%rad层间变位角之要求。本研究依据有限的试验结果初步证实,在适当设计下,此种型式的梁柱接头将可以发挥良好的耐震性能。

削切钢盖板梁柱接头设计与耐震行为

本研究的目的为提出新式的梁柱接头以避免在工地现场进行梁柱接头全渗透焊接,同时亦控制塑性变形发生在一简单、可修复的装置(削切盖板)而非钢梁。削切盖板(RFP)以焊接或栓接方式固定于钢管混凝土(CFT)柱,以螺栓或填角焊与梁翼板接合,四组全尺寸削切盖板梁柱接头试体试验结果显示:(1)削切盖板梁柱接头在反复载重作用下均可超越0.04弧度的位移角,而使梁的塑性弯矩强度得以发挥;(2)塑性变形发生在削切盖板而非钢梁上,进而避免钢梁的挫屈;(3)利用有限元素分析程序ABAQUS可预测试体接头的反复载重行为,并证明削切盖板梁柱接头的弹性挠曲劲度与盖板梁柱接头相似,满足刚性接头的劲度要求;(4)削切盖板的非弹性挫屈强度可藉由本研究提出的非线性回归分析模型预测。

扇形焊接开孔于钢骨梁柱接头耐震行为之影响

扇形焊接开孔为进行梁翼板全渗透开槽焊接时所需之工作孔。然而,实尺寸梁柱接头试验证实,传统梁腹板锁螺栓及梁翼板全渗透焊接之钢构造梁柱接头,常于扇形开孔处发生突然性之脆性破坏。本研究采用非线性有限元素分析方法,探讨扇形焊接开孔于钢骨梁柱接头耐震行为上之影响,包括扇形开孔几何形状对接头区力学行为之影响。分析结果显示,平顺接至梁翼板之扇形开孔能将最大塑性应变之发生位置移离扇形开孔根部,减少因几何形状不连续所造成之应力集中现象,降低局部区域之韧性需求;无扇形开孔之梁柱接头可避免有扇形开孔之缺陷,大幅的改善梁柱接头之韧性行为。

钢结构梁柱梁翼内侧加劲板补强接头耐震试验及有限元素分析

本研究主要探讨钢结构梁柱补强接头之耐震行为,补强接头的主要方式是采取避免破坏既存建筑物楼板且不会减低楼层净高度要求下,在钢梁翼板内侧与箱形柱间焊加劲板增加梁端近柱面之弯矩强度。为证明此补强接头之耐震行为,共进行六组大尺寸之梁柱接头试验,其中一组为传统未补强之梁柱接头,另外五组为梁翼内侧加劲板补强接头,未补强之梁柱接头及一组补强接头之梁柱焊接工作于1996年前工地现场完成后,于2006年由既存34层大楼切除后运至实验室进行试验,另四组梁柱补强接头之焊接工作均于2006年在实验室内完成。补强接头试体加劲板与梁翼及柱板接合均采用全渗透焊接,梁上下翼板之背垫板均未移除,亦未与柱面进行填角焊接。二组补强接头试体在实验时的韧性行为极佳,试体在历经第一次反复载重测试至超越美国规范AISC(2005)规定之4%弧度层间侧位移角的要求下,并未发生梁柱接头焊道断裂及强度递减的情形。因此将此二组试体分别进行第二次AISC(2005)反复载重测试,在历经第二次反复载重测试至4%弧度的层间侧位移角时,发生较明显之梁挫屈及强度递减,但梁柱界面焊道未断裂。而另外三组补强接头因梁翼板内侧加劲板所提供的劲度及强度不足,与未补强之梁柱接头试体同样在未能达到AISC(2005)所订定之4%弧度层间侧位移角前而发生破坏。本研究并利用非线性有限元素分析程序ABAQUS(2003)仿真梁柱接头试体,以进一步了解梁翼板内侧加劲板传递梁弯矩的贡献,和可能发生接头破坏的区域。根据实验及有限元素分析结果提出设计方法及范例供工程师补强既有钢结构梁柱接头参考。

预铸复合螺箍SRC柱之轴压行为研究

开展了一系列大尺寸钢骨钢筋混凝土矩形柱的轴压试验,旨在探讨新型的复合螺旋箍筋或“尹氏螺箍”在矩形SRC柱之使用效益。由于“尹氏螺箍”采用自动化加工制造,可大幅降低箍筋绑扎之人力及缩短工期,极具经济效益,很适合用于预铸工法。依据力学原理探讨SRC柱箍筋用量的合理性,研究参数包括箍筋的型式、间距及钢骨之型式、SRC柱之轴压强度与韧性。由于SRC柱内部的钢骨亦能够围束混凝土,有助于降低SRC柱箍筋之需求量,达到更经济的设计结果;且螺旋箍筋对混凝土的围束效果比传统水平闭合箍筋更好,可提升柱之强度与抗震能力。试验结果显示,配置新型五螺箍之SRC柱可以发展出良好的强度与韧性,且具备良好的经济效益。研究并建立了一组适合这种新型SRC柱之围束箍筋设计方法,以提供学术界与工程界参考。

Geosat/GM波形重跟踪反演中国沿海区域重力异常

利用Geosat/GM测高波形数据,在中国海域内(117°E^129°E,21°N^41°N)比较了阈值法、Beta5和改进阈值法三种重跟踪算法。分析表明,改进阈值法优于其他两种重跟踪方法。由改进阈值法的测高数据,分别采用最小二乘法(least square collocation,LSC)和逆Vening-Meinesz(IVM)计算了卫星测高重力异常,并与船测重力数据进行了比较。结果显示,LSC的精度优于IVM。与KMS02和Sandwell&Smith V15两个重力场模型相比较,本文结果在东海优于这两个模型,在台湾海域结果稍差,需要融合ERS-1等其他数据进一步提高精度。

沿海雷达卫星测高波形重定多子波参数方法和重力异常恢复

雷达卫星测高数据质量是测高在大地测量学、地球物理学和海洋学等领域应用研究的关键.在沿海海域,测高波形受到地形和地球物理环境等污染,测高数据精度低于开阔海域的测高数据.提出了一种新的测高波形重定方法,即多子波参数重定方法(MSPR),用于改善沿海海域的测高数据质量.由测高数据,利用最小二乘配置法解算沿海重力异常,给出了对应的方差-协方差矩阵.利用MSPR对台湾岛周边海域的Geosat/GM波形数据进行重定,与台湾岛大地水准面进行比较,MSPR重定结果精度要优于常用的β-5参数方法重定结果和GDR数据.利用重定后的测高数据,由最小二乘法计算了台湾岛近海海域的重力异常.与船测重力数据进行比较,由重定数据得到的结果精度优于GDR结果.