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系統識別號 U0002-0503201212180500
中文論文名稱 水平加勁砂柱之數值模擬
英文論文名稱 Numerical Modeling of Geosynthetic-Laminated Sand Columns
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 100
學期 1
出版年 101
研究生中文姓名 陳治夫
研究生英文姓名 Jyh-Fu Chen
學號 698380135
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-01-05
論文頁數 168頁
口試委員 指導教授-洪勇善
委員-吳朝賢
委員-陳榮河
中文關鍵字 地工合成材  水平加勁  數值模擬  砂樁 
英文關鍵字 geotextile  Laminated  numerical modeling  sand column 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 對於現地基礎設計上,為了使土壤能夠承受上部載重,通常較軟弱之土壤需要進行一些工法來改良。而在各種工法之中,在軟弱土層中置入砂石樁可加速軟弱粘土層排水,並可傳遞荷重,降低後續階段壓縮潛能,以減少基礎完工後之土壤沉陷行為。砂石樁雖可承受軸力與剪力,但樁體接近地表處之結構,容易因側向束制力不足而產生徑向腫脹導致破壞,故工程師不斷地尋求砂石樁之加勁方式,以提高砂石樁頂部之承載力並減少該處之側向變形。而現在國內外也有許多學者皆進行了加勁砂石樁之相關研究,包括在砂土中混入聚酯纖維,以及於試體中水平置入或外包等方式加勁,以探討不同加勁方式對砂柱的影響。其中,地工合成材影響水平加勁效果的因素包括:加勁材層數、加勁材勁度與強度以及加勁材的擺放位置等,本研究即針對以上參數分別就加勁效果進行探討。研究主要以有限差分數值軟體FLAC撰寫計算分析程式,以探討層狀加勁砂柱的力學行為。首先,以塑性理論配合三軸試驗建立砂土力學行為模式,另由加勁材張力試驗與加勁材和砂土間之界面直剪試驗結果確立分析所需元素的性質。依據建立的層狀加勁數值模型,進行分析模擬並與試驗結果比對;在三種不同圍壓與加勁層數下,應力應變行為的模擬與試驗結果相近,而體積應變略微高估。此外,也觀察到試體內部加勁材漸進式破壞的行為,此部份也由試驗的最後觀察得到驗證。在參數研究的部份,以現場實體尺寸為分析標的,分別探討加勁材勁度、強度、樁徑、加勁材間距以及界面摩擦角等參數對層狀加勁的影響,分析結果並以砂土內部最小主應力分佈為基礎,剖析各條件下所反應的加勁性能。
英文摘要 Foundation construction on soft soil usually encounters weak bearing capacity and consolidation problems. The basal reinforcement and granular columns are the most commonly techniques used to solve these problems. The inclusion of granular material in soft soil reduces the drain path and improves the bearing capacity. However, insufficient lateral support at shallow column depth frequently causes bulging failure in the top portion of the column. In order to strengthen the column, the reinforcement can be achieved by enveloping a granular column with a flexible fabric or by placing horizontally laminated reinforcing sheets or induce the randomly oriented fibers on the column. This study numerically analyzes the mechanical performance of the laminated reinforced sand columns.In this study, numerical analysis using finite difference program FLAC. An elastic-plastic constitutive model with non-associated flow rule is used to characterize prominent expansive behavior of the medium to dense sands, and the elastic-perfectly plastic law for the reinforcement and the interface element between reinforcement and sand. The mechanical parameters of the materials are extracted from simple tests, e.g. triaxial compression test for pure sand, load-elongation test for reinforcement, and interface direct shear test for interface element. The results obtained from the proposed method were compared with those obtained from laboratory experimental triaxial tests. A series of parametric studies also provides elaborate work on the influence factors for the laminated reinforced columns. The parametric studies include the geosynthetic stiffness, strength, column diameter, geosynthetic horizontal spacing, and interface friction angle between geosynthetic and sand. Base on the distribution of the minor principle stress in reinforced sand can be dissected the performance of laminated reinforced columns under various conditions.
論文目次 目錄
目錄 I
圖目錄 III
表目錄 VII
照片目錄 VII
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研究架構與內容 4
第二章 文獻回顧 5
2-1 砂石樁工法 6
2-1-1 砂石樁之破壞 7
2-2水平加勁研究 8
2-2-1加勁材勁度對加勁效果之影響 8
2-2-2 加勁材層數對加勁效果的影響 13
2-2-3 加勁材的排放位置對加勁效果的影響 19
2-3加勁材與土壤間之互制行為 22
2-3-1 加勁試體之破壞機制 22
2-3-2 加勁材之摩擦特性 23
2-4加勁砂柱試體應力-應變行為理論分析 25
2-4-1 砂柱試體應力-應變行為模擬 25
2-5 相關加勁土壤之研究 28
2-6 加勁砂柱試體之數值模擬分析 32
第三章 數值分析模式 37
3-1 材料基本性質 38
3-1-1 砂土基本性質 38
3-1-2 加勁材之基本性質 40
3-2 砂土塑性模式 41
3-3 FLAC數值分析 46
3-3-1 FLAC簡介 46
3-3-2 FLAC運算原理 46
3-3-3 FLAC數值模擬步驟 51
3-4材料之數值分析參數 52
3-4-1 砂土數值參數 52
3-4-2 加勁材數值參數 62
3-4-3砂土與加勁材之界面性質參數 66
第四章 層狀加勁砂柱之數值分析 71
4-1 程式驗證 71
4-1-1網格、邊界、初始條件 71
4-1-2 程式驗證 72
4-2 純砂三軸數值模擬 74
4-2-1網格、邊界、初始條件 74
4-2-2砂土模式驗證 77
4-3 層狀加勁砂柱之數值模擬 80
4-3-1網格、邊界、初始條件 80
4-3-2雙曲線完全塑性Mohr-coulomb砂土模式之應用 83
4-3-3加勁砂柱之數值模擬 89
第五章 實體砂石樁之參數研究 113
5-1數值網格、邊界與初始條件 113
5-2 參數研究 120
5-2-1加勁材間距的影響 120
5-2-2加勁材勁度的影響 125
5-2-3砂石樁樁徑的影響 131
5-2-4加勁材強度的影響 136
5-2-5界面剪勁度的影響 139
5-2-6界面摩擦角的影響 141
5-3 加勁試體內部應力分佈 143
5-3-1加勁材間距 143
5-3-2加勁材勁度 145
5-3-3砂樁直徑 147
5-3-4加勁材強度 149
5-3-5直徑間距比 151
5-3-5界面剪勁度 154
5-3-6界面摩擦角 156
5-3-7 滑動與圍壓分佈之關係 158
第六章 結論 161
參考文獻 166
圖目錄
圖2-1 砂石樁破壞形式(取自Brauns,1978) 7
圖2-2 試體以不同加勁材加勁之試驗結果 9
圖2-3 圍壓100kPa下之試驗結果(取自Haeri et al.,2000) 10
圖2-4 3D加勁之配置圖(取自Zhang et al.,2006) 11
圖2-5加勁試體於圍壓50kPa下不同加勁材之應力應變圖 12
圖2-6加勁試體於圍壓300kPa下不同加勁材之應力應變圖 13
圖2-7 BCR隨加勁層數的變化(取自Cai and Li,1994) 14
圖2-8 加勁砂石樁配置圖(取自Madhav et al.,1994) 15
圖2-9 載重與沉陷量關係(取自Madhav et al.,1994) 15
圖2-10加勁材層數與尖峰強度的關係(取自Haeri et al.,2000) 16
圖2-11平鈑載重試驗配置圖(取自Radhey,2004) 17
圖2-12 最大膨脹量-鋪設間距關係(取自Radhey,2004) 17
圖2-13 軸應變20%下不同層數加勁之軸差應力 18
圖2-14 加勁試體之三軸剪力試驗結果(取自Broms,1977) 19
圖2-15 加勁材安置方式(取自 Haeri et al.,2000) 20
圖2-16 加勁材各安置位置之試驗結果(取自Haeri et al.,2000) 20
圖2-17不同半徑/間格比之應力應變圖 21
圖2-18 應力-應變之雙曲線模式 26
圖2-19 加勁與未加勁試體液化潛能評估結果 29
圖2-20 三種加勁方式 (取自Latha and Murthy,2006) 30
圖2-21 不同加勁方式之應力-應變關係 30
圖2-22 不同正向力以及張應變下之加勁材勁度 31
圖2-23 數值模型設定 33
圖2-24 不同加勁材勁度下對砂樁之側向膨脹率之影響 34
圖2-25 不同砂樁尺寸與側向膨脹抑制率之關係 34
圖2-26 數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖 35
圖3-1 計畫流程圖 37
圖3-2 試驗用砂之粒徑分佈曲線 39
圖3-3 FLAC程式計算流程 50
圖3-4 土壤彈性模數與圍壓之關係 54
圖3-5 不同圍壓下,發揮摩擦角與累積剪塑性應變之關係 56
圖3-6 尖峰軸差應力下累積剪塑性應變與圍壓之關係 57
圖3-7 發揮膨脹角與累積塑性剪應變之關係 59
圖3-8 初始膨脹下累積剪塑性應變與圍壓之關係 60
圖3-9 尖峰膨脹角下累積剪塑性應變與圍壓之關係 61
圖3-10 加勁材於不同速率下之拉伸試驗結果 63
圖3-11單向與雙向拉伸試驗結果 65
圖3-12 土壤-加勁材界面直剪試驗結果 68
圖3-13 不同正向應力下之剪勁度 69
圖3-14 土壤-加勁材界面摩擦角 70
圖4-1 程式驗證數值網格模型 72
圖4-2 Mohr-Coulomb彈性完全塑性砂土三軸應力-應變-體積變化 73
圖4-3三軸純砂模擬-網格數驗證 75
圖4-4 三軸純砂之數值網格模型 76
圖4-5 三軸純砂數值模擬結果之最大不平衡力 77
圖4-6數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖 79
圖4-7 四層加勁砂柱數值網格模型 81
圖4-8 六層加勁砂柱數值網格模型 81
圖4-9 八層加勁砂柱數值網格模型 82
圖4-10 四層加勁砂柱數值模擬之最大不平衡力 82
圖4-11 ε/(σ1-σ3 )–ε關係圖 84
圖4-12 破壞比與圍壓之關係圖 84
圖4-13 log Ei/Pa-log σ3/Pa關係圖 85
圖4-14 雙曲線模式模擬之應力-應變-體積應變關係 86
圖4-15 雙曲線與塑性模式模擬加勁砂柱之應力-應變-體積應變關係 88
圖4-16 6層加勁砂柱加勁材勁度(單、雙向) 之應力-應變-體積應變關係 90
圖4-17 4層水平加勁砂柱之應力-應變-體積應變關係 92
圖4-18 6層水平加勁砂柱之應力-應變-體積應變關係 93
圖4-19 8層水平加勁砂柱之應力-應變-體積應變關係 94
圖4-20水平加勁砂柱於圍壓20kPa之應力-應變-體積應變關係 96
圖4-21水平加勁砂柱(圍壓50kPa)之應力-應變-體積應變關係 97
圖4-22水平加勁砂柱(圍壓100kPa)之應力-應變-體積應變關係 98
圖4-23 圍壓20kPa加勁砂柱行為 101
圖4-24 圍壓50kPa加勁砂柱行為 102
圖4-25 圍壓100kPa加勁砂柱行為 103
圖4-26 6層加勁砂柱6c層所受張應力分佈 105
圖4-27 4層加勁砂柱各位置加勁材所受張應力 106
圖4-28 6層加勁砂柱各位置加勁材所受張應力 106
圖4-29 8層加勁砂柱各位置加勁材所受張應力 107
圖4-30 4層加勁砂柱於中心各軸應變下正向應力分佈 108
圖4-31 6層加勁砂柱於中心各軸應變下正向應力分佈 109
圖4-32 8層加勁砂柱於中心各軸應變下正向應力分佈 110
圖4-33 6層加勁砂柱於中心各軸應變下圍束應力分佈 111
圖5-1原尺寸與簡化後之數值模型 113
圖5-2 原始模型與簡化模型之應力-應變-體積應變變化 115
圖5-3間距最小中半徑最大試體數值網格 116
圖5-4 粗細網格之應力-應變-體積應變圖 117
圖5-5半徑最小間距最大試體 118
圖5-6原始以及簡化網格之應力-應變-體積應變圖 119
圖5-7 樁徑60cm於不同間距之應力-應變-體積變化 122
圖5-8 樁徑90cm於不同間距之應力-應變-體積變化 124
圖5-9直徑60cm於不同勁度之應力-應變-體積變化 126
圖5-10直徑90cm於不同勁度之應力-應變-體積變化 128
圖5-11直徑120cm於不同勁度之應力-應變-體積變化 130
圖5-12 間距30cm於不同樁徑之應力-應變-體積變化 132
圖5-13 間距60cm於不同樁徑之應力-應變-體積變化 134
圖5-14 間距30cm於不同加勁材強度下之應力-應變-體積變化 137
圖5-15 間距30cm於不同界面剪勁度下之應力-應變-體積變化 140
圖5-16 間距30cm於不同界面摩擦角下之應力-應變-體積變化 142
圖5-17 直徑60cm間距100cm 之圍壓分佈圖 144
圖5-18 直徑60cm間距60cm 之圍壓分佈圖 144
圖5-19 直徑60cm間距30cm 之圍壓分佈圖 144
圖5-20 直徑60cm間距10cm 之圍壓分佈圖 144
圖5-21直徑60cm勁度5000 kN/m 之圍壓分佈圖 145
圖5-22直徑60cm勁度1000 kN/m 之圍壓分佈圖 145
圖5-23 直徑60cm勁度500 kN/m 之圍壓分佈圖 146
圖5-24 直徑60cm勁度100 kN/m 之圍壓分佈圖 146
圖5-25 直徑30cm間距60cm勁度5000 kN/m之圍壓分佈圖 147
圖5-26 直徑30cm間距60cm勁度100 kN/m之圍壓分佈圖 147
圖5-27 間距60cm直徑30cm之圍壓分佈圖 148
圖5-28 間距60cm直徑60cm 之圍壓分佈圖 148
圖5-29 間距60cm直徑90cm 之圍壓分佈圖 149
圖5-30間距60cm直徑120cm 之圍壓分佈圖 149
圖5-31 直徑60cm間距30cm強度500 kN/m之圍壓分佈圖 150
圖5-32 直徑60cm間距30cm強度100 kN/m之圍壓分佈圖 150
圖5-33 直徑60cm間距30cm強度50 kN/m之圍壓分佈圖 151
圖5-34 直徑60cm間距30cm強度10 kN/m之圍壓分佈圖 151
圖5-35 直徑30cm間距30cm 之圍壓分佈圖 152
圖5-36 直徑60cm間距60cm 之圍壓分佈圖 152
圖5-37 直徑60cm間距30cm 之圍壓分佈圖 152
圖5-38 直徑120cm間距60cm 之圍壓分佈圖 152
圖5-39 直徑15cm間距30cm 之圍壓分佈圖 153
圖5-40 直徑30cm間距60cm 之圍壓分佈圖 153
圖5-41 直徑45cm間距30cm 之圍壓分佈圖 153
圖5-42 直徑90cm間距60cm 之圍壓分佈圖 153
圖5-43 0.1ks之圍壓分佈圖 155
圖5-44 1ks之圍壓分佈圖 155
圖5-45 10ks之圍壓分佈圖 155
圖5-46 界面摩擦角10度 之圍壓分佈圖 157
圖5-47 界面摩擦角20度 之圍壓分佈圖 157
圖5-48 界面摩擦角25度 之圍壓分佈圖 157
圖5-49界面摩擦角31.5度 之圍壓分佈圖 157
圖5-50 界面摩擦角35度之圍壓分佈圖 158
圖5-51 直徑60cm間距10cm軸應變6%之圍壓分佈圖 159
圖5-52 直徑60cm間距10cm軸應變12%之圍壓分佈圖 159
圖5-53 直徑60cm間距10cm軸應變20%之圍壓分佈圖 159
圖5-54 直徑60cm間距30cm軸應變8%之圍壓分佈圖 159
圖5-55 直徑60cm間距30cm軸應變14%之圍壓分佈圖 160
圖5-56 直徑60cm間距30cm軸應變20%之圍壓分佈圖 160
表目錄
表2-1 試驗用加勁材之力學性質 (取自Haeri et al.,2000) 10
表3-1 試驗用不織布性質 40
表4-1 圍壓與初始彈性模數及雙曲線之漸進值關係 83
表5-1 參數研究之規劃 120
照片目錄
照片2-1 試體破壞方式(取自Haeri et al.,2000) 23
照片3-1 試驗用砂土之顆粒形狀 38
照片3-2 試驗用加勁材 40
照片3-3 雙向拉伸機 64
照片3-4 砂土-加勁材界面直剪儀 67
照片3-5 加勁材界面直剪設置方式 67
照片4-1 三軸試驗後之加勁材破壞情形 104
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