系統識別號 | U0002-0508201010494800 |
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DOI | 10.6846/TKU.2010.00149 |
論文名稱(中文) | 地錨拉拔試驗聲訊反應之有限元素分析 |
論文名稱(英文) | Accoustic Response of Ground Anchor under Pullout Test from Finite Element Analysis |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 土木工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Civil Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 98 |
學期 | 2 |
出版年 | 99 |
研究生(中文) | 楊智麟 |
研究生(英文) | Chih-Lin Yang |
學號 | 696380988 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2010-06-28 |
論文頁數 | 95頁 |
口試委員 |
指導教授
-
張德文
委員 - 李維峰 委員 - 黃富國 |
關鍵字(中) |
地錨 聲波監測 有限元素法 回饋分析 |
關鍵字(英) |
Anchor Acoustic Monitoring System Finite Element Method Feed-back analysis |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
本研究以有限元素分析軟體ABAQUS建立背拉式地錨之二維和三維模型,以瞭解地錨結構系統的聲訊波傳特性、傳播規律和衰減機制。研究項目分為兩部份,第一部份為地錨拉拔試驗模擬,吾人藉由二維和三維模型及參考前期一維分析模式所提出的材料組構模式進行模擬,並與現地實驗及理論模式做比較。第二部份為聲訊反應模擬,吾人採用一維模式所建議之脈衝載重及初始條件進行二維及三維模擬,並針對各聲訊時間差進行回饋分析。 研究結果顯示:(1)由分析域大小探討結果顯示,分析域的深度對拉拔試驗模擬結果沒有明顯影響;分析域的寬度則對拉拔試驗模擬結果具有顯著影響,寬度二十米既可得合理的拉拔曲線模擬結果。(2)由舊有地錨拉拔試驗模擬之結果顯示,二維模型所得拉拔曲線與現地試驗結果相似,而三維模型所得之結果則有較高的承載容量。(3)二維及三維模型可模擬卸載歷程之拉拔曲線並改善一維模型缺點,地錨之承載力明顯取決於固定端之長度 (4)在聲訊反應模擬中,二維模型所得之聲訊歷時與試驗聲訊結果相似,但舊有地錨之三維模型聲訊歷時與現地試驗結果差距較大。(5)在回饋分析中,吾人藉由前人所建議之二維及三維時間差定位法進行分析。由時間差定位法回饋得到結果顯示,淺層損傷時(破壞位置在深度3m處),所回算得破壞位置與實際破壞位置相差約為2m內;而深層損傷時(破壞位置在深度在10m以上),所回算得破壞位置與實際破壞位置相差約為1m內。淺層回算結果會有較大的誤差,其因在於回算過程中,些微的時間誤差既對結果會產生顯著的變化。 |
英文摘要 |
In this study, using the FEM software ABAQUS to establish 2D and 3D anchor model to study the singal propagation characteristics and attenuation mechanisms. Research project is divided into two parts, first, anchor pullout test simulation by 2D and 3D model refer to the analytical model proposed material model and to compare experimental and theoretical models. Second, simulation for the signal using by theoretical model suggested the impulse load and the initial conditions for 2D and 3D simulation, and using the signal time difference for feed-back analysis. The observation are summarized as follows: (1) From the analysis domain size discussion result show that, depth change didn’t affect anchor pullout test simulation results; width change affect anchor pullout test simulation results. Width of 20 meters can get reasonable results. (2)From the old anchor pullout test simulation results show that 2D model from drawing curves and the test results were similar, while 3D model of the results obtained have high load-carrying capacity. (3) 2D and 3D model can simulate the uninstall process of drawing curves and improve the shortcomings of one-dimensional model, clearly depends on the capacity of anchors in the length of the fixed side. (4) In the signal simulation, 2D model of the signal similar to the test result, but old anchor 3D model of the signal significantly different between the test result. (5)In the feed-back analysis, using the 2D and 3D analysis of the time difference location method proposed by others. The result show that, surface damage (damage location in the depth 3m) , the result varies with the actual location within about 2m. Deep damage (damage location in depth of 10m or more), the result varies with the actual location within about 1m. The result has large errors because of calculation process, the small error will be significant changes in the result. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
目 錄 中文摘要 I 英文摘要 II 本文目錄 III 表目錄 V 圖目錄 VI 第一章 緒論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 研究方法與內容 2 第二章 文獻回顧 5 2-1 聲波監測系統現場試驗 5 2-1-1 試驗場址簡介 5 2-1-2 施測過程與方法 8 2-1-3 試驗結果 14 2-2 理論分析模式回顧 21 2-2-1 理論分析模式建立 21 2-2-2 理論分析模式模擬拉拔曲線 29 2-2-3 理論分析模式模擬破壞聲波訊號結果 35 第三章 ABAQUS 介紹及初步模擬結果 46 3-1 ABAQUS 簡介 46 3-2 有限元素模型之建立 49 3-2-1 有限元素網格之建立 49 3-2-2 材料組構模式選取 56 3-3 有限元素模型分析域探討 58 3-4 地錨拉拔試驗模擬結果 60 第四章 聲訊反應模擬 63 4-1 前言 63 4-2 地錨聲訊反應模擬 64 4-3 聲訊反射波分析 74 4-4 破壞聲訊回饋分析 79 4-4-1 二維時間差定位 79 4-4-2 三維時間差定位 86 第五章 結論與建議 90 5-1 結論 90 5-2 展望與建議 92 參考文獻 93 表目 錄 表 2-1 舊有地錨和新設地錨之設計條件和材料使用規格說明 7 表2-2 舊有地錨和新設地錨試驗成果表 14 表2-3 舊有地錨和新設地錨損傷發生時間和載重階級 14 表2-4 地錨鋼鍵之分析參數設定 30 表2-5 錨碇水泥砂漿界面模式之分析參數設定 30 表2-6 錨碇土層之分析參數設定 30 表2-7 舊有地錨和新設地錨之試驗及數值模擬結果比較 34 表2-8 舊有地錨和新設地錨之試驗及數值損傷事件比較 34 表2-9 地錨損傷之試驗與模擬聲訊的頻率變化比較 45 表3-1 ABAQUS/Standard 和ABAQUS/Explicit 比較48 表3-2 新設地錨各參數 51 表3-3 舊有地錨各參數 52 表4-1 舊有地錨不同破壞模式之材料彈性模數 67 表4-2 新設地錨不同破壞模式之材料彈性模數 67 表4-3 材料參數計算聲波波速 76 表4-4 舊有地錨二維時間差定位法(Cement creak) 80 表4-5 舊有地錨二維時間差定位法(Deep wire break) 81 表4-6 新設地錨二維時間差定位法(Cement creak) 82 表4-7 新設地錨二維時間差定位法(Deep wire break) 83 表4-8 新設地錨二維時間差定位法(Surface wire break) 84 表4-9 三維回饋分析四組接收器抵達時間(Cement creak) 86 表4-10 三維回饋分析四組接收器抵達時間(Deep wire break) 87 表4-11 二維回饋分析結果與實際作用位置比較 88 表4-12 三維回饋分析結果與實際作用位置比較 89 圖 目 錄 圖 1-1 研究分析流程 4 圖2-1 試驗基地位置圖 5 圖2-2 試驗場址全視圖 7 圖2-3 擋土邊坡剖面示意圖 7 圖2-4 聲波感應器佈設位置圖 9 圖2-5 監測系統連接與反彈錘測試 9 圖2-6 舊有地錨試驗各聲波感應器之測試訊號 10 圖2-7 新設地錨試驗各聲波感應器之測試訊號 11 圖2-8 地錨拉拔試驗之施行步驟 12 圖2-9 舊有地錨和新設地錨之載重施加歷時曲線 13 圖2-10 舊有地錨之載重-變位關係曲線和發生之損傷事件示意圖15 圖2-11 新設地錨之載重-變位關係曲線和發生之損傷事件示意圖15 圖2-12 舊有地錨損傷時各聲波感應器之接收訊號(Event1:cement creak) 16 圖2-13 新設地錨損傷時各聲波感應器之接收訊號(Event3:deep wire break) 17 圖2-14 SoundPrint®預力連續式監測系統之劣化位置(錨碇水泥砂漿開裂)判定視窗 18 圖2-15 SoundPrint®預力連續式監測系統之劣化位置(深層鋼鍵斷裂)判定視窗 18 圖2-16 二維時間差定位示意圖 19 圖2-17 三維時間差定位示意圖 20 圖2-18 離散化地錨結構示意圖 21 圖2-19 7 股低鬆弛鋼腱理想化和公式化之應力-應變關係曲線23 圖2-20 鋼腱和錨碇土層界面之理想化剪力滑動模式 25 圖2-21 錨碇水泥漿界面描述之組構模式 25 圖2-22 雙曲線模式之應力-應變曲線27 圖2-23 莫耳-庫侖破壞準則(剪力-圍壓關係曲線)之示意圖29 圖2-24 舊有地錨現地拉拔試驗與數值模擬結果比較 32 圖2-25 新設地錨現地拉拔試驗與數值模擬結果比較 33 圖2-26 理論分析模式中施加之脈衝載重示意圖 35 圖2-27 舊有地錨現地試驗與數值模擬聲訊比較 (impact test) 36 圖2-28 舊有地錨現地試驗與數值模擬聲訊比較 (cement crack at 38.88 tons) 36 圖2-29 新設地錨現地試驗與數值模擬聲訊比較 (impact test) 37 圖2-30 新設地錨現地試驗與數值模擬聲訊比較 (wire break at 42.89 tons) 37 圖2-31 快速傅立葉變換(FFT)流程示意圖 40 圖2-32 舊有地錨之試驗聲訊和模擬聲訊頻率特徵比較 42 圖2-33 新設地錨之試驗聲訊和模擬聲訊頻率特徵比較 43 圖3-1 ABAQUS 有限元素法軟體分析流程圖47 圖3-2 ABAQUS 各種元素之示意圖49 圖3-3 ABAQUS 元素命名方式50 圖3-4 全積分及減積分於低階元素與高階元素示意圖 50 圖3-5 地錨有限元素分析之分析域、幾何網格切割和邊界條件設定示 意圖 (2D 軸對稱模型) 53 圖3-6 地錨有限元素分析之分析域、幾何網格切割和邊界條件設定示 意圖 (3D模型) 55 圖3-7 雙曲線降伏模式 57 圖3-8 不同深度所得之地錨拉拔曲線圖 58 圖3-9 不同寬度所得之地錨拉拔曲線圖 59 圖3-10 舊有地錨和新設地錨之載重階段施加曲線 61 圖3-11 不同地錨受力行為研究結果比較 (舊有地錨) 62 圖3-12 不同地錨受力行為研究結果比較 (新設地錨) 62 圖4-1 現地試驗場址接收器佈設位置示意圖 65 圖4-2 舊有地錨二維有限元素模型接收器示意圖 65 圖4-3 新設地錨二維有限元素模型接收器示意圖 66 圖4-4 舊有地錨三維有限元素模型接收器示意圖 66 圖4-5 新設地錨二維有限元素模型接收器示意圖 67 圖4-6 聲訊反應模擬施加之脈衝載重示意圖 68 圖4-7 舊有地錨現地試驗、理論分析及有限元素聲訊比較 (cement creak) 68 圖4-8 舊有地錨現地試驗、理論分析及有限元素聲訊比較 (Deep wire break) 69 圖4-9 新設地錨現地試驗、理論分析及有限元素聲訊比較 (Surface wire break) 69 圖4-10 新設地錨現地試驗、理論分析及有限元素聲訊比較 (Deep wire break) 70 圖4-11 新設地錨現地試驗、理論分析及有限元素聲訊比較 (cement creak) 70 圖4-12 舊有地錨現地試驗、理論分析及有限元素(三維)聲訊比較 (cement creak) 71 圖4-13 新設地錨現地試驗、理論分析及有限元素(三維)聲訊比較 (Deep wire break) 71 圖4-14 舊有地錨現地試驗、理論分析及有限元素聲訊比較(頻率域) (cement creak) 72 圖4-15 舊有地錨現地試驗、理論分析及有限元素聲訊比較(頻率域) (Deep wire creak) 72 圖4-16 新設地錨現地試驗、理論分析及有限元素聲訊比較(頻率域) (Cement creak) 72 圖4-17 新設地錨現地試驗、理論分析及有限元素聲訊比較(頻率域) (Deep wire break) 73 圖4-18 聲訊和反射波模擬結果(時間域) 74 圖4-19 第一抵達波模擬結果(頻率域) 75 圖4-20 第一抵達波及第二抵達波時間差 75 圖4-21 第二抵達波及第三抵達波時間差 76 圖4-22 無初始條件下聲訊模擬結果 76 圖4-23 第一抵達波的時間示意圖 77 圖4-24 推測第二抵達波傳遞行為 78 圖4-25 舊有地錨 CH0&CH7 聲波訊號時間差示意圖 (Cement creak) 80 圖4-26 舊有地錨 CH3&CH1 聲波訊號時間差示意圖 (Deep wire break) 81 圖4-27 新設地錨 CH3&CH1 聲波訊號時間差示意圖 (Cement creak) 82 圖4-28 新設地錨 CH3&CH1 聲波訊號時間差示意圖 (Deep wire break) 83 圖4-29 新設地錨 CH3&CH1 聲波訊號時間差示意圖 (Surface wire break) 84 |
參考文獻 |
Ⅰ、英文部分 (按英文字母順序排列) 1.Beard, M.D. and Lowe, M.J.S. (2003a). "Non-destructive Testing of Rock Bolts Using Guided Ultrasonic Waves." International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 40 (4), pp. 527-536. 2.Beard, M.D., Lowe, M.J.S. and Cawley, P. (2003b). "Ultrasonic Guided Waves for Inspection of Grouted Tendons and Bolts." Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 15 (3), pp. 212-218. 3.Benmokrane, B., Chennouf, A. and Mitri, H. (1995). "Laboratory Evaluation of Cement-Based Grouts and Grouted Rock Anchors." International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, Vol. 32 (7), pp. 633-642. 4.Cai, Y., Esaki, T. and Jiang, Y. (2004). "An Analytical Model to Predict Axial Load in Grouted Rock Bolt for Soft Rock Tunnelling." Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 19, pp. 607-618. 5.Chen, W.F. and Saleeb, A.F. (1994). "Constitutive Equations for Engineering Materials 2nd Edition." John Wiley, New York. 6.Cheng, S.H., Chang, D.W. and Lee, W.F. (2008). "Real-Time Acoustic Monitoring Test and Numerical Simulation of Ground Anchor Failure." Proceeding, 3rd International Conference on Site Characterization, Taipei, Taiwan. 7.Deutsche Industries Norm (DIN 4125) (1988). "Verpressaker fur Vorubergehende Zwecke im Lockergestein." Bemessung, Ausfuhrung und Prufung. 8.Hibbitt, K. and Scorensen. (2006). "ABAQUS User’s Manual Version 6.6." ABAQUS Inc. 9.Ivanovic, A. (2001). "The Dynamic Response of Ground Anchorage Systems." PhD Thesis, University of Aberdeen. 10.Ivanovic, A., Neilson, R.D. and Rodger, A.A. (2001). "Numerical Modeling of Single Tendon Ground Anchorage Systems." Geotechnical Engineering, Vol. 149 (2), pp. 103-113. 11.Ivanovic, A., Neilson, R.D. and Rodger, A.A. (2002). "Influence of Prestress on the Dynamic Response of Ground Anchorages." Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 128 (3), pp. 237-249. 12.Ivanovic, A., Starkey, A., Neilson, R.D. and Rodger, A.A. (2003). "The Influence of Load on the Frequency Response of Rock Bolt Anchorage." Advances in Engineering Software, Vol. 34 (11-12), pp. 697-705. 13.Janbu, N. (1963). "Soil Compressibility as Determined by Oedometer and Triaxial Tests." Proceeding, 3rd European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 1, pp. 19-25. 14.Kim, N.K., Park, J.S. and Kim, S.K. (2007). "Numerical Simulation of Ground Anchor." Computers and Geotechnics, Vol. 34 (6), pp. 498-507. 15.Konder, R.L. (1963). "Hyperbolic Stress-Strain Response of Cohesive Soils." Journal of Soil Mechanics and Foundations Devision, Vol. 89, pp. 115-143. 16.Liao, H.J. and Hsu, S.T. (2003). "Uplift Behavior of Blade-Underreamed Anchors in Sility Sand." Journal of Geothechnical and Geoenvironmental Engineering Division, Vol. 129 (6), pp. 560-568. 17.National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) (2002). "Recommended Practice for Evaluation of Metal-Tensioned Systems in Geotechnical Applications". NCHRP REPORT 477, Washington, D. C. 18.Ostermayer, H. (1974). "Construction, Carrying Behavior and Creep characteristics of Ground anchors." Proceeding, Conference on Diaphragm Wall and Anchorages, The Institution of Civil Engineers, London. 19.PCI Bridge Design Mannual (1997). "Precast, Prestressed Concrete Bridges-The High Performance Solution." Precast/Prestressws Concrete Institute, Chicage, IL. Ⅱ、中文部分 (按姓氏筆劃排列) 1.于作安 (1999),"木山層砂岩高圍壓之變形行為",碩士論文,台灣大學,台灣,台北。 2.石亦平、周玉蓉 (2006),「ABAQUS有限元實例分析詳解」,機械工業出版社。 3.李維峰、陳育聖、王淳讙、林主潔、卓大鈞 (2004),「Advitam預力監測系統研發推廣計畫」,派爾國際工程股份有限公司委託案。 4.李佳龍 (2003),"音射定位法於岩石材料之應用",碩士論文,國立成功大學,台灣,台南。 5.陳育聖、李維峰、王淳讙 (2005),"SoundPrint監測系統於預力地錨之應用",第十一屆大地工程學術研究討論會論文摘要集,第104頁。 6.游有方 (2002),"關廟層砂岩之力學特性",碩士論文,國立成功大學,台灣,台南。 7.鄭世豪 (2009),"聲坡監測應用於地錨結構破壞之模擬和訊號分析",博士論文,淡江大學,台灣,台北。 8.簡郁珊(2005),"仙渡電廠基樁動力試驗與數值模擬分析",碩士論文,國立台灣大學,台灣,台北。 |
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