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系統識別號 U0002-0409201821330000
中文論文名稱 節瘤型土釘之最佳節瘤間距之研究
英文論文名稱 Study on optimum knots spacing for precast soil nail with knots
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 游原暉
研究生英文姓名 Mitchell Yuan-Hui Yu
學號 605380079
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2018-07-02
論文頁數 93頁
口試委員 指導教授-洪勇善
委員-楊國鑫
委員-吳朝賢
中文關鍵字 節瘤  土釘  拉出阻抗  間距 
英文關鍵字 soil nail  knots  pullout resistance  spacing 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要   本研究旨在開發新型節瘤型土釘,改變傳統灌漿釘受力機制與模式,使土釘於地質條件不佳條件下能有效發揮拉出阻抗能力。以大型土釘拉出試驗儀進行單釘試驗,試體分別製作外徑40 mm、50 mm、60 mm與80 mm四種尺寸與傳統灌漿釘做為對比。探討節瘤型土釘之節瘤外徑及間距對拉出阻抗之影響,求得最佳節瘤間距之研究。
  由試驗結果得知: (1)傳統灌漿釘於位移10 mm內可達尖峰拉出力,而節瘤型土釘在位移10 mm時拉出力已高於傳統灌漿釘;而節瘤型土釘因被動阻抗的產生,需更大位移量才會達尖峰拉出力,甚至於30 mm時還未到達尖峰拉出力。(2) 不論何種尺寸之單一節瘤,在大位移時之殘餘拉出力與尖峰值幾乎相同;而當裝有兩顆節瘤時其殘餘拉出力最低仍有有93%以上,優於傳統灌漿釘僅剩餘約80%~94%。 (3)節瘤裝設位置主動區存有螺桿時,會影響到節瘤破壞發展模式,使阻抗力僅剩75%。(4) 純螺桿裝設節瘤時能提升拉出阻抗,但當螺桿直徑與節瘤直徑相差不大時,其主要阻抗能力是來自螺桿的摩擦阻抗,因此節瘤直徑與螺桿直徑不能太相近,否則無法有效發揮節瘤被動阻抗能力。(5)當裝有節瘤時,其互制係數最小仍有0.74高過灌漿釘之最大摩擦係數0.73,於裝設兩顆節瘤時,其互制係數為0.97~1.54,而當裝有三顆節瘤時其互制係數可高達1.75。(6)不論何種節瘤直徑,當節瘤間距相隔達到其直徑兩倍時,能使節瘤完整發揮被動阻抗,不互相影響。(7)節瘤型土釘為單一節瘤時相較同尺寸傳統灌漿釘,其抗拉能力增加13%~57%。(8)當節瘤型土釘裝設兩顆節瘤時,其抗拉能力相較同尺寸單一節瘤提升18% ~ 60%,較傳統灌漿釘提升39%~153%。(9)經過本研究建議工程上採用節瘤型土釘其阻抗效果優於傳統灌漿釘,但節瘤直徑40 mm與50 mm在本研究裡獲得其效益有限,不建議節瘤直徑太小。
  藉由本研究之試驗結果,詮釋節瘤發揮百分比(符號請參照正文)及預測節瘤型土釘在不同節瘤間距下之尖峰拉出力,期可供業界實務之參考使用。
英文摘要 The objective of this project is to develop soil nails with knots. By changing the force mechanism of grouted nails, pullout resistance can be more effectively developed when used in poor geological conditions. Large sand box were used to do single nail pull out test. And the results were then compared with those done on the conventional grouted nails to investigate how knot diameters 40 mm, 50 mm, 60mm, 80 mm, and spacing between two knots influenced pullout resistance.
The test results showed that: (1) Conventional grouted nails developed peak pullout force at a displacement of within 10 mm. At the same displacement of 10 mm soil nails with knots already showed higher pullout force than grouted nails. Because of the passive resistance, soil nails with knots needed larger displacement to reach peak pullout force. (2) The soil nails with one knot’s residual of pullout resistance is the same as peak force. When soil nail add to two knots, it can hold at least 93% of its peak resistance. While the residual pullout resistance for grouted nails are 80%~94%. (3) When there is screw exist at the knot active zone where the knots were installed. It will influence the failure mode. Its pullout resistance will have only 75% left. (4) Adding knot on screw can increase pullout resistance, but when the knot’s diameter is too similar to screw’s diameter, the ability of pullout resistance is provided by screw’s friction resistance. Therefore, the diameter of knot and screw can’t be too similar. Or else the passive earth pressure by knot could not be effectively utilized. (5) The smallest Interaction coefficient of soil nail with one knot still have 0.74, higher then grouted nail 0.73. When adding to two knots, its interaction coefficient cause 0.97~1.54. Interaction coefficient can achieve to 1.75 when adding to three knots. (6) Whether the knot diameter, when the spacing of knots is more than twice of knots dimeter, can completely develop knot passive resistance. (7) In the same diameter, the pullout resistance of soil nail with one knot can increase 13%~57% than grouted nail. (8) In the same diameter, the pullout resistance of soil nail with two knots can increase 18%~60% than soil nail with one knot, and can increase 39%~153% than grouted nail. (9) After the research suggest using soil nail with knot that is better than grouted nail. But the test results show that knot diameter 40 mm and 50 mm its effect is limited, so doesn’t recommend small knot diameter.
After the test results, interpreted knot develop percentage (refer to the thesis) to predict soil nail with knots peak pullout force in different spacing. Hope it can serve as a practice reference for the industry.
論文目次 目錄
表目錄 IV
圖目錄 V
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 論文組織及研究內容 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 土釘加勁原理與機制 4
2.2 現地土釘不完全灌漿之相關研究 6
2.2.1 Jayawickrama等人(2007)之研究 7
2.3 土釘相關拉出試驗與理論模式 9
2.3.1 Milligan & Tei(1998)之研究 10
2.3.2 楊尚恆(2001)之研究 13
2.3.3 Hong等人(2003)之研究 15
2.3.4 陳韋成(2007)之研究 18
2.3.5 莊晉誠(2003)之研究 19
2.3.6 卓育賢(2017)之研究 23
2.4 錨板(Anchor plates)破壞機制與拉出試驗 28
2.4.1 Dickin & Leung(1985)之研究 28
2.4.2 Wang & Wu(1980)之研究 31
2.4.3 Choudhary & Dash (2017)之研究 31
2.5 本章總結 34
第三章 試驗計畫與內容 35
3.1 拉出試驗規劃 35
3.2 砂土基本性質 36
3.3 大型土釘試驗儀 39
3.4土釘型式與製作 51
3.5土釘拉出試驗方式 54
3.5.1計讀設備 54
3.5.2土釘拉出儀校正 54
3.5.3砂箱試體準備與過程 59
第四章 試驗結果與分析 64
4.1氣囊加壓分析 64
4.2傳統灌漿釘 66
4.2.1傳統灌漿釘拉出行為 66
4.2.2界面摩擦角 68
4.2.3傳統灌漿釘之摩擦係數 69
4.3節瘤型土釘 69
4.3.1單一節瘤之拉出行為 70
4.3.2改變節瘤間距之拉出行為 72
4.3.3單一節瘤擺放位置不同之拉出行為 77
4.3.4三顆節瘤最佳間距之拉出行為 79
4.3.5節瘤之互制係數 81
4.4拉出行為之比較分析 81
4.4.1初始拉出斜率 82
4.4.2尖峰拉出力對應之位移量 83
4.4.3節瘤之影響 83
4.4.4節瘤之互制係數 84
4.4.5節瘤間距之影響 84
第五章 結論與建議 88
5.1結論 88
5.2建議 89
參考文獻 91
表目錄
表 2.1土釘極限拉出阻抗 (Elias & Juran,1991) 5
表 2.2各類型土釘拉出試驗結果 24
表 2.3參數α、β (Choudhary & Dash,2017) 32
表 3.1試驗用No.201號砂粒徑分佈參數 37
表 3.2試驗用No.201基本性質相關參數 (朱志峯,2006) 37
表 3.3摩擦角與圍壓、相對密度彙整 (朱志峯,2006) 37
表 3.4 k0與圍壓、相對密度彙整 (朱志峯,2006) 37
表 4.1氣壓隨傳遞深度下降 64
表 4.2不同類型之土釘拉出結果 86 
圖目錄
圖 2.1土釘結構受力機制示意圖(紀柏全,2005) 6
圖 2.2蘇花公路於地質惡劣下土釘施做情形(自由時報,2012) 7
圖 2.3灌漿未達設計深度 (Jayawickrama等人,2007) 8
圖 2.4坍孔影響之灌漿不確實 (Jayawickrama等人,2007) 8
圖 2.5一般拉出試驗儀示意圖 (Raju等人,1996) 9
圖 2.6模型土釘於不同長徑比之視摩擦係數 (楊尚恆,2001 ) 14
圖 2.7模型土釘於不同覆土壓力之視摩擦係數 (楊尚恆,2001) 14
圖 2.8土釘表面視摩擦係數與粗糙因子之關係 (Hong等人,2003) 16
圖 2.9不同牙距之土釘埋設間距與群釘效應關係 (Hong等人,2003) 16
圖 2.10不同長徑比對視摩擦係數之影響 (Hong等人,2003) 17
圖 2.11土釘拉出行為與覆土壓力之關係 (陳韋成,2007) 18
圖 2.12土釘拉出設備圖 (莊晉誠,2003) 20
圖 2.13土體密度對灌漿釘拉拔強度之影響 (莊晉誠,2003) 21
圖 2.14灌漿釘於不同坍孔率土體中拉拔強度之變化 (莊晉誠,2003) 21
圖 2.15於95%MPDF灌漿壓力及水灰比與灌漿釘拉拔強度之關係 (莊晉誠,2003) 22
圖 2.16於75%MPDF灌漿壓力及水灰比與灌漿釘拉拔強度之關係 (莊晉誠,2003) 22
圖 2.17連續型節瘤預鑄釘拉出力-位移關係 25
圖 2.18傳統灌漿釘拉出力-位移關係 25
圖 2.19連續型之高性能預鑄釘示意圖 26
圖 2.20非連續型之高性能預鑄釘示意圖 27
圖 2.21水平錨版破壞模式 (Dickin & Leung,1985) 29
圖 2.22 H/h=3 之破壞型式 (Dickin & Leung,1985) 29
圖 2.23 H/h=5 之破壞型式 (Dickin & Leung,1985) 30
圖 2.24 H/h=7 之破壞型式 (Dickin & Leung,1985) 30
圖 2.25深層錨版破壞情況 (Choudhary & Dash,2017) 33
圖 2.26不同深度與相對密度下之破壞機制(Choudhary & Dash ,2017) 33
圖 3.1試驗用石英砂顆粒形狀 (朱志峯,2006) 38
圖 3.2石英砂粒徑分佈曲線 (朱志峯,2006) 38
圖 3.3 拉出試驗儀構造三視圖 42
圖 3.4拉出試驗儀 43
圖 3.5孔徑42mm、52mm、62mm及82mm之孔位板 43
圖 3.6土壓計 44
圖 3.7土壓計校正方式 44
圖 3.8土壓計校正結果 45
圖 3.9剛性覆鈑上之螺栓孔 45
圖 3.10灑砂器 46
圖 3.11灑砂器之灑砂口 46
圖 3.12灑砂器速度控制箱 47
圖 3.13天車吊架 47
圖 3.14拉出設備速率控制箱 48
圖 3.15拉出設備速率控制箱內部 48
圖 3.16高強度螺帽鎖上荷重元與滑桿 49
圖 3.17拉出滑桿 49
圖 3.18轉接器示意圖 50
圖 3.19圓錐狀節瘤 51
圖 3.20鋼材螺桿 52
圖 3.21螺桿尾端車牙以連結轉接器與荷重元 52
圖 3.22土釘尾端連結轉接器 53
圖 3.23 傳統灌漿釘 53
圖 3.24 iNET-100數據擷取器 54
圖 3.25荷重計 56
圖 3.26荷重計校正方式 56
圖 3.27荷重計校正結果 57
圖 3.28 LVDT校正 57
圖 3.29氣壓錶 58
圖 3.30速率控制系統校正 58
圖 3.31控制霣降速度示意圖 60
圖 3.32相對密度試驗之試體放置 60
圖 3.33相對密度試驗 61
圖 3.34土釘安裝 61
圖 3.35以鋼製刮尺整平砂土表面 62
圖 3.36以起重機架上氣囊裝置 62
圖 3.37鎖上剛性螺栓之覆鈑 63
圖 4.1氣囊加壓下之氣壓監測結果 65
圖 4.2土壓計安裝位置 65
圖 4.3不同釘徑之傳統灌漿釘示意圖 67
圖 4.4傳統灌漿釘之拉出力-位移曲線 67
圖 4.5傳統灌漿釘於小位移之拉出力-位移關係 68
圖 4.6單一節瘤與純螺桿 71
圖 4.7不同氣壓下之直徑80 mm單一節瘤拉出力-位移 71
圖 4.8單一節瘤之拉出力-位移 72
圖 4.9不同間距之直徑40 mm節瘤型土釘 73
圖 4.10不同間距之直徑50 mm節瘤型土釘 74
圖 4.11不同間距之直徑60 mm節瘤型土釘 74
圖 4.12不同間距之直徑80 mm節瘤型土釘 75
圖 4.13不同間距下兩顆直徑40 mm節瘤型土釘之拉出力-位移 75
圖 4.14不同間距下兩顆直徑50 mm節瘤型土釘之拉出力-位移 76
圖 4.15不同間距下兩顆直徑60 mm節瘤型土釘之拉出力-位移 76
圖 4.16不同間距下兩顆直徑80 mm節瘤型土釘之拉出力-位移 77
圖 4.17直徑80 mm單一節瘤改變節瘤位置 78
圖 4.18直徑80 mm單一節瘤改變節瘤位置拉出力-位移 78
圖 4.19 80 mm與60 mm三顆最佳節瘤間距之節瘤型土釘 79
圖 4.20直徑80 mm不同節瘤數之節瘤型土釘之拉出力-位移 80
圖 4.21直徑60 mm不同節瘤數之節瘤型土釘之拉出力-位移 80
圖 4.22 不同類型土釘之釘徑與尖峰拉出力之關係 82
圖 4.23節瘤間距與發揮百分比之關係 85

參考文獻 1. 自由時報(2012),「交部明年將評估花東快速路可行性/蘇花路搶修 最快29日通行小客車」,民國101年12月25號報導。
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4. 紀柏全(2005),「粗糙因子對單釘及雙釘拉出行為之探討」,私立淡江大學土木工程研究所,碩士論文,台北。
5. 朱志峯(2006),「土釘拉出行為的實驗與理論探討」,私立淡江大學土木工程研究所,碩士論文,台北。
6. 陳韋成(2007),「尺寸效應對群釘拉出阻抗的影響」,私立淡江大學土木工程研究所,碩士論文,台北。
7. 王國鑫(2009),「群釘拉出阻抗之重疊效應研究」,私立淡江大學土木工程研究所,碩士論文,台北。
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15. Jayawickrama, P. W., Tinkey, Y., Gong, J., and Turner, J. (2007). “Non-Destructive Evaluation of Installed Soil Nails”, Federal Highway Administration, FHWA/TX-07-0-4484-1, 258P.
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18. Raju, G. V. R. (1996), “Behavior of nailed soil retaining structures,” Ph.D. Thesis, Nanyang Technological University, Singapore.
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22. Wang, M. C., and Wu, A. H. (1980). “Yielding load of anchor in sand.” Proceeding of Application of Plasticity and Generalized Stress Strain in Geotechnical, ASCE, Reston, pp. 291-307.
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