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系統識別號 U0002-0609201710201100
中文論文名稱 液化地盤之群樁行為研究
英文論文名稱 Seismic Behaviors of Group Piles in Liquefied Soils
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 105
學期 2
出版年 106
研究生中文姓名 林佑軒
研究生英文姓名 You-Syuan Lin
學號 605380053
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2017-07-18
論文頁數 138頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-葛宇甯
委員-趙紹錚
中文關鍵字 群樁基礎  液化模式  波動方程  動力分析  三維有限元素分析 
英文關鍵字 Group Pile Foundation  Liquefaction Model  Wave Equation Analysis  Dynamic Analysis  Three-dimensional Finite Element Analysis 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究係採用 EQWEAP (EarthQuake Wave Equation Analysis for Piles)一維波動方程式分析群樁基礎行為,並進行液化地盤下的基礎行為分析。透過不同地震加速度歷時紀錄進行動力分析,以了解不同地震歷時紀錄下該項分析的適用性。研究首先將重點置於土壤液化模式的驗證之上,以其他學者的實驗數據了解本研究所選用的模式參數影響,再進行自由場地盤反應分析,了解不同地震影響;再以單樁和群樁基礎進行分析,了解不同分析的可能差別。以地盤液化對樁基礎影響為研究重點,本研究係採用集中質塊法、波動方程式所開發的EQWEAP 做為模擬基礎底層土壤-樁基承受地震力之工具,土壤模式選用為模擬動態地震力和土壤液化行為所需考慮之問題,自由場採用Byrne(2004)所建議之UBCSAND model 模擬飽和砂土在地震力下所產生的超額孔隙水壓激發,再配合知名地震記錄,模擬單一均質的土壤行為,並以三維有限元素動力分析 Midas GTS NX 軟體做為比較工具,採用2016年版新增之土壤組成律Modified UBCSAND model (Byrne, 1998)進行非線性動力分析模擬群樁基礎。
研究結果顯示: 1. UBCSAND model(Byrne, 2004)可做為砂土材料,液化行為經與實驗室數據比較證明其可行性。2. 根據不同地震對自由場的模擬,研究發現地震歷時函數將為地盤反應關鍵參數。加速度傅氏譜卓越週期或累積振幅量愈大者地盤反應愈明顯,且會造成較大的永久變位。3. 採用簡易一維集中質塊分析配合Byrne (2004)模式可掌握地盤的液化行為(位移、應力和應變等),其結果在位移上與三維有限元素分析結果差異不大。4. 採用EQWEAP分析可模擬群樁基礎受震反應,各樁的分配力對基樁受震反應影響不明顯;同時,單樁的受震反應將取決於地盤運動,不隨樁數增加、樁長變化而產生較大的影響。5. EQWEAP分析無法模擬地盤對樁身所造成的永久位移影響,但其內力和扣除永久變位後的有限元素分析所得結果相似;且非線性基樁和線性基樁分析差異不大,顯示使用線性基樁分析在實務上的合理性。
英文摘要 This study intends to discuss the seismic behaviors of group piles with the one- dimensional wave-equation modeling EQWEAP (EarthQuake Wave Equation Analysis for Piles) in liquefied soils through different seismic acceleration records. The suitability of EQWEAP applies in liquefied soils is investigated. First of all, the research focuses on the validation of soil liquefaction model, supported by the experimental data from other scholars to validate the UBCSAND model (Byrne, 2004). Moreover, the implementation of free field reaction analysis is to understand the impact of different earthquakes and their influences on single pile and grouped piles. By applying the UBCSAND model to obtain the solution of EQWEAP, the seismic free-field response of the site was computed from the lumped mass analysis and excess pore water pressure model; the soil deformations were imposed onto the pile foundation to conduct the wave equation analysis. One-dimensional EQWEAP analysis is compared to three-dimensional finite element analysis program MIDAS GTS NX to ensure the reliability of the EQWEAP analysis in the applications.
The results are summarized as follows: (1) The solutions from UBCSAND model at material level were found similar to experimental data shown by other scholars on cyclic simple shear and dynamic triaxial tests. (2) According to the simulation of the free field on different earthquakes, it is found that the key point is the ground response. The greater predominant period and larger accumulated Fourier amplitudes of the acceleration at 0-100 Hz will create larger responses of the site, and it will cause greater permanent displacements. (3) By comparing EQWEAP analysis with MIDAS GTS NX analysis on piles, the results were found compatible. (4) It is found that the responses of grouped piles are very similar to each other. The changes of water level, SPT-N value, and pile length caused minor effects to the displacements and internal stresses of the piles. (5) EQWEAP analysis does not simulate the permanent displacement, but the internal stresses found are similar to the finite element analysis after the deduction of permanent displacements. In addition, the difference between nonlinear pile and linear pile is not distinctive.
論文目次 目錄
目錄 I
表目錄 III
圖目錄 IV
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研究流程 3
第二章 文獻回顧 5
§2-1土壤液化發生機制與影響 5
§2-2波動方程式於樁基礎地震反應之應用 16
§2-3孔隙水壓模式 18
§2-4 Midas GTS NX 20
第三章 理論與方法 23
§3-1集中質塊法 23
§3-2有限元素法 32
第四章 土壤液化行為 42
§4-1實驗室土壤行為 42
§4-2地盤反應行為 53
第五章 液化地盤之樁基礎行為 84
§5-1數值模型 84
§5-2單樁行為 87
§5-3群樁基礎之行為 101
§5-4相關參數影響 110
第六章 結論與建議 120
§6-1結論 120
§6-2未來展望 122
參考文獻 123
附錄A 131
附錄B 135
附錄C 138


表目錄
表2-1 EQWEAP砂土模式演進過程 19
表2-2 以MIDAS/GTS進行學術研究之文獻整理 22
表3-1 UBCSAND model材料參數定義 38
表4-1 反覆單剪試驗參數 43
表4-2 動三軸試驗參數 49
表4-3 砂土材料參數 54
表4-4 各地震之特性比較 62
表4-5 案例1數值模型分析時間比較 72
表5-1 樁基礎線彈性模式參數 85
表5-2 群樁基礎分析時間比較 109
表6-3 群樁基礎力分配 118
表6-4 群樁基礎承載係數 118



圖目錄
圖1-1 研究流程圖 4
圖2-1 土壤液化過程應力變化圖 5
圖2-2 飽和砂土不排水試驗液化潛能狀態示意圖 6
圖2-3 流動液化發生機制示意圖 7
圖2-4 反覆流動性發生機制示意圖 9
圖2-5 土壤液化造成之損壞模式示意圖 15
圖2-6 樁基受震波動方程分析示意圖 17
圖2-7 EQWEAP分析程序示意圖 17
圖2-8 有限元素法分析流程 20
圖3-1 自由場集中質量分解模擬示意圖 23
圖3-2 孔隙水壓模式完整流程圖 27
圖3-3 降伏軌跡移動趨勢圖 29
圖3-4 塑性應變增量與應力比關係圖 29
圖3-5 UBCSAND model(Byrne, 2004)流程圖 31
圖3-6 有限元素法分析流程 32
圖3-7 二維平面元素 34
圖3-8 三維樁基礎元素 34
圖3-9 三維土層元素 34
圖3-10 樁土間考量介面元素 34
圖3-11 三維模型邊界自由度束制示意圖 35
圖3-12 依據塑性應變方向模擬剪脹及剪縮 36
圖3-13 塑性剪切硬化行為 37
圖3-14 介面元素之Coulomb Friction function定義 39
圖3-15 動力分析歷時設定示意圖 41
圖4-1 單剪試驗之土壤液化行為:(a)剪應力與反覆荷載關係圖,(b)侧向有效應力 與反覆荷載關係圖,(c)剪應變與反覆荷載關係圖;(d)~(f)為本研究所得到結果 44
圖4-2 單剪試驗之土壤液化行為:(a)剪應力與均質有效應力關係圖,(b)剪應力與 剪應變關係圖;(c) (d)為本研究所得到結果 45
圖4-3 剪切模數與反覆荷載關係圖 (本研究) 46
圖4-4 孔隙水壓與反覆荷載關係圖 (本研究) 46
圖4-5 應力比與反覆荷載關係圖 (本研究) 46
圖4-6 三軸試驗儀器示意圖 48
圖4-7 動三軸試驗之土壤液化行為:(a)反覆應力比與反覆荷載關係圖;(b)剪應變與反覆荷載關係圖;(c)孔隙水壓比與反覆荷載關係圖;(d)軸差應力與均質有效應力關係圖;(e)軸差應力與應變關係圖 (from Ishihara et al., 2004) 50
圖4-8 本研究分析結果:(a)反覆應力比與反覆荷載關係圖;(b)剪應變與反覆荷載關係圖;(c)孔隙水壓比與反覆荷載關係圖;(d)軸差應力與均質有效應力關係圖;(e)軸差應力與應變關係圖 51
圖4-9 分析域示意圖 53
圖4-10 集集地震原始地震加速度歷時與加速度譜 55
圖4-11 集集地震縮放地震加速度歷時與加速度譜 56
圖4-12 阪神地震原始地震加速度歷時與加速度譜 57
圖4-13 阪神地震縮放地震加速度歷時與加速度譜 58
圖4-14 基督城地震原始地震加速度歷時與加速度譜 59
圖4-15 基督城地震縮放地震加速度歷時與加速度譜 60
圖4-16 基督城地震原始地震加速度歷時與加速度譜 61
圖4-17 基督城地震縮放地震加速度歷時與加速度譜 62
圖4-18 不同深度土壤之水平歷時位移量 63
圖4-19 不同深度土壤之垂直歷時位移量 63
圖4-20 不同深度土壤之孔隙水壓與有效應力歷時 64
圖4-21 不同深度土壤之應力應變關係圖(左側為Midas,右側為LMA) 65
圖4-22 不同深度土壤之水平歷時位移量 66
圖4-23 不同深度土壤之垂直歷時位移量 66
圖4-24 不同深度土壤之孔隙水壓與有效應力歷時 67
圖4-25 不同深度土壤之應力應變關係圖(左側為Midas,右側為LMA) 68
圖4-26 不同深度土壤之水平歷時位移量 69
圖4-27 不同深度土壤之垂直歷時位移量 69
圖4-28 不同深度土壤之孔隙水壓與有效應力歷時 70
圖4-29 不同深度土壤之應力應變關係圖(左側為Midas,右側為LMA) 71
圖4-30 不同深度土壤之水平歷時位移量 74
圖4-31 不同深度土壤之垂直歷時位移量 74
圖4-32 不同深度土壤之孔隙水壓與有效應力歷時 75
圖4-33 不同深度土壤之應力應變關係圖(左側為Midas,右側為LMA) 76
圖4-34 不同深度土壤之水平歷時位移量 77
圖4-35 不同深度土壤之垂直歷時位移量 77
圖4-36 不同深度土壤之孔隙水壓與有效應力歷時 78
圖4-37 不同深度土壤之應力應變關係圖(左側為Midas,右側為LMA) 79
圖4-38 不同深度土壤之水平歷時位移量 80
圖4-39 不同深度土壤之垂直歷時位移量 80
圖4-40 不同深度土壤之孔隙水壓與有效應力歷時 81
圖4-41 不同深度土壤之應力應變關係圖(左側為Midas,右側為LMA) 82
圖5-1 群樁平面示意圖 84
圖5-2 單樁三維模型示意圖 85
圖5-3 群樁基礎頂面點位示意圖 86
圖5-4 Midas GTS NX 群樁基礎案例模型示意圖 86
圖5-5 (a)集集地震樁頂位移歷時反應;(b)樁身瞬時最大變形量 87
圖5-6 基樁樁身受震瞬時最大樁身位移、斜率及內力分佈圖 88
圖5-7 基樁樁身受震瞬時最大樁身位移、斜率及內力分佈圖 89
圖5-8 (a)阪神地震樁頂位移歷時反應;(b)樁身瞬時最大變形量 91
圖5-9 基樁樁身受震瞬時最大樁身位移、斜率及內力分佈圖 92
圖5-10 基樁樁身受震瞬時最大樁身位移、斜率及內力分佈圖 94
圖5-11 (a)基督城地震樁頂位移歷時反應;(b)樁身瞬時最大變形量 96
圖5-12 基樁樁身受震瞬時最大樁身位移、斜率及內力分佈圖 97
圖5-13 基樁樁身受震瞬時最大樁身位移、斜率及內力分佈圖 99
圖5-14 集集地震樁頂位移歷時反應 101
圖5-15 樁身瞬時最大變形量 101
圖5-16 基樁樁身受震瞬時最大樁身位移、斜率及內力分佈圖 102
圖5-17 阪神地震樁頂位移歷時反應 104
圖5-18 樁身瞬時最大變形量 104
圖5-19 基樁樁身受震瞬時最大樁身位移、斜率及內力分佈圖 105
圖5-20 基督城地震樁頂位移歷時反應 107
圖5-21 樁身瞬時最大變形量 107
圖5-22 基樁樁身受震瞬時最大樁身位移、斜率及內力分佈圖 108
圖5-23 Midas GTS NX 群樁基礎(5×5)案例模型示意圖 110
圖5-24 Midas GTS NX 群樁基礎(7×7)案例模型示意圖 110
圖5-25 (a)基督城地震樁頂位移歷時反應;(b)樁頂最大位移圖;(c)樁身變形圖 111
圖5-26 (a)基督城地震樁頂位移歷時反應;(b)樁頂最大位移圖;(c)樁身變形圖 112
圖5-27 (a)基督城地震樁頂位移歷時反應;(b)樁頂最大位移圖;(c)樁身變形圖 113
圖5-28 (a)基督城地震樁頂位移歷時反應;(b)樁頂最大位移圖;(c)樁身變形圖 114
圖5-29 (a)基督城地震樁頂位移歷時反應;(b)樁頂最大位移圖;(c)樁身變形圖 115
圖5-30 群樁基礎垂直均佈力加載示意圖 117
圖5-31 (a)基督城地震樁頂位移歷時反應;(b)樁頂最大位移圖 119
圖A-1 日本東北地震(a)地表位移歷時;(b)不同深度土壤之剪力模數歷時 131
圖A-2 日本東北地震不同深度土壤之孔隙水壓與有效應力歷時 131
圖A-3 日本東北地震不同深度土壤之應力比(η=τ/σm')歷時 132
圖A-4 日本東北地震不同深度土壤之應力應變關係圖 133
圖A-5 日本東北地震基樁樁身受震瞬時最大樁身位移、斜率及內力分佈圖 134
圖B-1 (a)各地震樁頂最大位移圖;(b) 各地震樁底最大位移圖 135
圖B-2 (a)各地震樁頂最大位移圖;(b) 各地震樁底最大位移圖 135
圖B-3 (a)各地震樁頂最大位移圖;(b) 各地震樁底最大位移圖 136
圖B-4 (a)各地震樁頂最大位移圖;(b) 各地震樁底最大位移圖 136
圖B-5 各地震樁身瞬時最大位移圖 137
圖C-1 Midas單樁瞬時位移示意圖 138
圖C-2 Midas群樁瞬時位移示意圖 138
圖C-3 Midas群樁瞬時位移示意圖 138

參考文獻 第一部分、英文 (按英文字母順序排列)
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第二部分、中文 (按姓氏筆畫排列)
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