系統識別號 | U0002-0703201704124800 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2017.00234 |
論文名稱(中文) | 軟弱黏土中層狀加勁砂柱承載行為之數值模擬 |
論文名稱(英文) | Numerical Analysis of Geosynthetic-laminated Sand Columns under Vertical Loading in Soft Clay |
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 | 105 |
學期 | 1 |
出版年 | 106 |
研究生(中文) | 林明瑋 |
研究生(英文) | Ming-Wei Lin |
學號 | 604380104 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2017-01-10 |
論文頁數 | 156頁 |
口試委員 |
指導教授
-
吳朝賢
委員 - 洪勇善 委員 - 楊國鑫 |
關鍵字(中) |
砂石樁 層狀加勁 加勁材 軟弱黏土 數值模擬 承載力 |
關鍵字(英) |
sand column laminated soft clay numerical modeling bearing capacity |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
本研究利用有限差分軟體FLAC撰寫數值分析程式,藉由分析結果探討軟弱黏土中層狀加勁砂柱之力學行為,由模型試驗為基準,驗證數值分析之正確性,而後建立現場軟弱填土中層狀加勁砂石樁數值模型,依據影響層狀加勁砂石樁承載行為之重要參數,如加勁材勁度、間距比S/D、加勁範圍Lr/L及樁徑,進行實體砂石樁之參數研究,剖析加載過程中樁體變形、黏土側向壓力與加勁材受力情形等,並以砂土內部最小主應力分佈為基準,加以分析加勁材於砂石樁內之影響範圍。 由研究結果分析可得,加勁材之勁度對於樁體變形以及黏土提供之側向壓力,並無顯著之影響,其加勁提升效果會依間距比不同而有所不同,當間距比愈小時提升效果較愈加。當間距比為1.0、0.5以及0.25時,其加勁深度只需3 m、5 m以及8 m即可與全段加勁效果相同,若低於各臨界加勁深度其承載力將小於全段加勁。由加勁砂石樁砂土最小主應力分佈情形,可知其軸心受到加勁材影響最大,由軸心向外圍遞減,但遞減範圍依間距比不同而有所差異。當間距比為1.0時其內部砂土受加勁材影響範圍有限,故於加勁材勁度不同時其提升效果較差。當間距比為0.25時其內部砂土受加勁材影響範圍為全段,故於加勁材勁度不同時其提升較佳,結果可得加勁材之勁度對其影響範圍內產生作用,對於加勁範圍影響較小,加勁材勁度越高,對砂土束制力較強,對其加勁範圍內的圍壓增量提升最高,能夠達到最有效加勁效果。 |
英文摘要 |
The purpose of this study is to investigate the mechanical behavior of geosynthetic-laminated sand columns embedded in soft clay using the finite difference software FLAC. Numerical analysis results are verified by laboratory test results. Based on the important parameters affecting the behavior of the laminated column, reinforcement stiffness, S/D ratio, reinforced length ratio and column diameter are chosen to investigate the mechanical behavior of sand columns in this study. The influence of laminated reinforcement in terms of column deformation, later pressure of the clay and the circumferential tensile stress of the geotextiles during the loading process are investigated. The results of the analysis show that: (1) Reinforcement stiffness has insignificant effect on the deformation of the column and the later pressure of the clay, (2) The effect of reinforcement stiffness varies with the S/D ratio, reinforcement is more effective for column with smaller S/D ratio, (3) For columns with S/D=1.0, 0.5, and 0.25, the columns have reinforced depth of 3 m, 5 m and 8 m, respectively produce the same vertical loading as the fully reinforced column, (4) According to the distribution of the minor principal stress in sand column, the contribution in providing confining stress of the laminated reinforcement decrease from the axis to the periphery; the degree of variation varies with S/D ratio, (5) The influence area of the sand by the reinforcement depends on the S/D ratio only, however, reinforcement stiffness affects the magnitude of the stress. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
章節目錄 章節目錄 I 圖目錄 IV 表目錄 X 第一章 緒論 1 1-1研究動機與目的 1 1-2研究方法 1 1-3研究架構與內容 5 第二章 文獻回顧 7 2-1砂石樁工法 8 2-2砂石樁加勁方式 8 2-3層狀加勁之研究 10 2-3-1加勁材勁度及強度對加勁效果之影響 10 2-3-2加勁材層數及安置位置之影響 12 2-3-3加勁材界面摩擦角對加勁效果影響 15 2-4層狀加勁砂柱試驗之數值模擬分析 18 2-5軟弱黏土中層狀加勁砂柱之數值模擬分析 20 第三章 砂土、加勁材以及黏土之數值分析模式 23 3-1 FLAC數值分析程式 23 3-1-1 FLAC 簡介 23 3-1-2 FLAC 運算原理 24 3-1-3 FLAC數值模擬步驟與流程 28 3-2砂土之數值分析模式 29 3-2-1砂土基本性質 29 3-2-2砂土塑性模式 31 3-2-3砂土數值參數 36 3-2-4砂土三軸試驗數值模擬 45 3-3加勁材之數值分析模式 50 3-3-1加勁材基本性質 50 3-3-2加勁材彈性模數 50 3-3-3加勁材-砂土介面力學行為 53 3-4黏土之數值分析模式 56 3-4-1黏土基本性質 56 3-4-2修正劍橋黏土模式 57 3-4-3黏土之數值模擬參數建立 63 第四章 軟弱黏土中層狀加勁砂柱之數值模擬 65 4-1軟弱黏土承載行為之數值模擬 65 4-1-1數值網格、邊界、初始條件 65 4-1-2黏土-鋼版之界面參數 66 4-1-3 數值模擬分析結果 67 4-2軟弱黏土中砂柱承載行為之數值模擬 67 4-2-1數值網格、邊界、初始條件 67 4-2-2砂土-鋼版之界面參數 68 4-2-3 數值模擬分析結果 70 4-3軟弱黏土中層狀加勁砂柱承載行為之數值模擬 74 4-3-1砂柱模型配置、數值邊界以及初始條件 74 4-3-2 GT3 5層加勁砂柱承載行為之數值模擬 77 4-3-3 GT3 10層加勁砂柱承載行為之數值模擬 83 4-3-4 GT2-5層加勁砂柱承載行為之數值模擬 90 第五章 現地層狀加勁砂石樁承載行為之研究 98 5-1現地黏土材料之參數 98 5-1-1黏土性質 98 5-1-2黏土參數 99 5-2黏土邊界效應 101 5-2-1 邊界效應之數值網格與初始條件 101 5-2-2邊界效應之分析結果 103 5-3參數研究 104 5-3-1參數研究之規劃 104 5-3-2加載程度 106 5-3-3加勁材勁度影響 107 5-3-4間距比S/D影響 119 5-3-5 加勁範圍Lr/L影響 122 5-3-6樁徑影響 128 5-3-7加勁砂石樁之內部應力 134 第六章 結論與建議 152 參考文獻 154 圖目錄 圖1-1研究計畫流程圖 4 圖2-1砂石樁破壞模式(Brauns,1978) 8 圖2-2合成材不同加勁方式(Latha & Murthy,2007) 9 圖2-3不同加勁方式之三軸試驗結果(Latha & Murthy,2007) 9 圖2-4圍壓100kPa下之三軸試驗結果(Haeri et al.,2000) 11 圖2-5 不同加勁材10層加勁承載試驗結果(陳冠龍,2015) 11 圖2-6 加勁材安置方式(Haeri et al.,2000) 12 圖2-7 加勁材各安置位置與不同層數之三軸試驗結果(Haeri et al.,2000) 12 圖2-8不同半徑與a0/s之應力應變圖(Wu & Hong ,2008) 13 圖2-9 加勁材配置示意圖(陳冠龍,2015) 14 圖2-10相同加勁材不同層數之試驗結果(a)GT1(b)GT3(陳冠龍,2015) 14 圖2-11 模型試驗柱體變形圖(a)GT3-5層(B)GT3-10層(陳冠龍,2015) 14 圖2-12 GT3-不同間距與不同加勁範圍試驗結果(陳冠龍,2015) 15 圖2-13 砂土-加勁材界面摩擦角對於層狀加勁砂柱之行為(Hong & Wu,2013) 16 圖2-14不同間距兩連續加勁材間圍壓應力高程分佈(軸應變20%)(Hong & Wu,2013) 17 圖2-15 數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積應變關係圖(黃振業,2009) 18 圖2-16 數值模擬8層水平加勁砂柱三軸之應力-應變-體積應變關係圖 19 圖2-17數值分析模型示意圖(a)外包加勁砂柱(b)層狀加勁砂柱 (Hosseinpour et al.,2014) 20 圖2-18(a)五層加勁示意圖(b)水平加勁(n=5)與未加勁砂柱(n=0)實驗與數值之比較圖(Iman Hosseinpour, Mario Riccio & Marcio S.S.,2014) 21 圖2-19(a)不同加勁方式載重與沉陷量關係圖(b)不同加勁方式及間距比與砂柱徑向應變關係圖(Hosseinpour et al.,2014) 22 圖3-1 FLAC程式計算流程 27 圖3-2 試驗用砂土之粒徑分佈曲線(陳冠龍,2015) 29 圖3-3 砂土之圍壓與摩擦角關係圖(郭建明,2013) 31 圖3-4 No.201試驗砂之應力-應變-體積變化曲線 (朱志峯,2006) 36 圖3-5 土壤彈性模數與圍壓之關係(郭建明,2013) 38 圖3-6 不同圍壓下發揮摩擦角與累積剪塑性應變之關係(郭建明,2013) 40 圖3-7 尖峰軸差應力下累積剪塑性應變與圍壓之關係(郭建明,2013) 41 圖3-8 發揮膨脹角與累積剪塑性應變之關係(郭建明,2013) 42 圖3-9 初始膨脹下累積剪塑性應變與圍壓之關係(郭建明,2013) 43 圖3-10 尖峰膨脹角下累積剪塑性應變與圍壓之關係(郭建明,2013) 44 圖3-11 Mohr-Coulomb彈性完全塑性砂土三軸應力-應變-體積變化關係圖 46 圖3-12 砂土三軸數值網格模型 47 圖3-13 數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖 49 圖3-14 GT2之軸向拉伸試驗結果 51 圖3-15 GT3之軸向拉伸試驗結果 52 圖3-16 GT2XD 界面剪力試驗結果(林致瑋,2013) 54 圖3-17 GT2MD 界面剪力試驗結果(林致瑋,2013) 54 圖3-18 GT3XD 界面剪力試驗結果(林致瑋,2013) 55 圖3-19 GT3MD 界面剪力試驗結果(林致瑋,2013) 55 圖3-21 飽和黏土均向壓密之 曲線 59 圖3-22飽和黏土之均向壓密與單向度壓密之 曲線 60 圖3-23 p-q平面內黏土之臨界狀態線 (Wood,1990) 61 圖3-24 座標平面內之臨界狀態線(Wood,1990) 62 圖3-25參考壓力對應於正常壓密線與臨界狀態線上之比體積 63 圖4-1黏土承載行為之數值分析網格 66 圖4-2 黏土承載行為之數值模擬結果 67 圖4-3軟弱黏土中純砂柱之數值分析網格 68 圖4-4界面直剪試驗之剪位移及剪應力關係圖(郭建明,2013) 69 圖4-5 直剪試驗之不同正向應力之剪勁度關係圖(郭建明,2013) 69 圖4-6 界面直剪試驗之砂土-鋼板界面摩擦角(郭建明,2013) 70 圖4-7軟弱黏土中純砂柱承載行為之數值模擬結果 71 圖4-8沉陷量10 mm下之柱體變形與黏土側向壓力 72 圖4-9 沉陷量30 mm下之柱體變形與黏土側向壓力 73 圖4-10 沉陷量50 mm下之柱體變形與黏土側向壓力 73 圖4-11 數值模擬之砂柱配置圖 75 圖4-12不同加載速率下柱體垂直位移及沉陷量數值模擬結果 75 圖4-13不同加載速率下沉陷量及不平衡力關係圖 76 圖4-14數值程式網格變形圖 76 圖4-15軟弱黏土中GT3 5層加勁砂柱之數值分析網格 77 圖4-16軟弱黏土中GT3 5層加勁砂柱之數值分析結果 78 圖4-17沉陷量10 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 79 圖4-18沉陷量10 mm下之黏土側向壓力 79 圖4-19沉陷量20 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 80 圖4-20沉陷量20 mm下之黏土側向壓力 80 圖4-21沉陷量30 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 81 圖4-22沉陷量30 mm下之黏土側向壓力 81 圖4-23 加勁砂柱各層加勁材所受張力圖 82 圖4-24軟弱黏土中GT3 10層加勁砂柱之數值分析網格 83 圖4-25軟弱黏土中GT3 10層加勁砂柱之數值分析結果 84 圖4-26沉陷量10 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 85 圖4-27沉陷量10 mm下之黏土側向壓力 86 圖4-28沉陷量20 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 86 圖4-29沉陷量20 mm下之黏土側向壓力 87 圖4-30沉陷量30 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 87 圖4-31沉陷量30 mm下之黏土側向壓力 88 圖4-32 加勁砂柱各層加勁材所受張力關係圖 89 圖4-33軟弱黏土中GT2 5層加勁砂柱之數值分析網格( ) 90 圖4-34軟弱黏土中GT2 5層加勁砂柱之數值分析網格( ) 91 圖4-35軟弱黏土中GT2 5層加勁砂柱之數值分析網格( ) 91 圖4-36不同網格數柱體垂直壓力及沉陷量數值模擬結果 92 圖4-37軟弱黏土中GT2 5層加勁砂柱之數值分析結果 93 圖4-38沉陷量10 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 94 圖4-39沉陷量10 mm下之黏土側向壓力 94 圖4-40沉陷量20 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 95 圖4-41沉陷量20 mm下之黏土側向壓力 95 圖4-42沉陷量30 mm下之柱體變形與砂柱徑向應變 96 圖4-43沉陷量30 mm下之黏土側向壓力 96 圖4-44加勁砂柱各層加勁材所受張力關係圖 97 圖5-1現地土壤性質與地質分布狀況(取自Bergado et al.,1998) 98 圖5-2邊界半徑20 m之數值網格模型 102 圖5-3不同邊界半徑之砂石樁承載行為數值模擬結果 103 圖5-4不同邊界半徑之砂石樁樁體變形及黏土提供之側向壓力 104 圖5-5層狀加勁砂石樁承載行為之數值模擬結果 106 圖5-6間距比S/D=1.0之數值網格模型38 72格(水平 垂直) 108 圖5-7間距比S/D=0.5之數值網格模型38 118格(水平 垂直) 109 圖5-8間距比S/D=0.25之數值網格模型38 163格(水平 垂直) 110 圖5-9間距比S/D=1.0時不同勁度下層狀加勁砂石樁之承載行為 111 圖5-10間距比S/D=0.5時不同勁度下層狀加勁砂石樁之承載行為 112 圖5-11間距比S/D=0.25時不同勁度下層狀加勁砂石樁之承載行為 113 圖5-12間距比S/D=1.0時不同勁度下之樁體變形與黏土提供之壓力 114 圖5-13間距比S/D=0.5時不同勁度下之樁體變形與黏土提供之壓力 115 圖5-14間距比S/D=0.25時不同勁度下之樁體變形與黏土提供之壓力 116 圖5-15間距比S/D=1.0時不同勁度下之各位置加勁材之張力圖 117 圖5-16間距比S/D=0.5時不同勁度下之各位置加勁材之張力圖 118 圖5-17間距比S/D=0.25時不同勁度下之各位置加勁材之張力圖 119 圖5-18不同間距比之層狀加勁砂石樁承載力-沉陷量關係 120 圖5-19不同間距比之樁體變形與黏土提供之壓力 121 圖5-20不同間距比各位置加勁材之張力分佈圖 122 圖5-21間距比S/D=1.0時不同加勁範圍之層狀加勁砂石樁承載行為 123 圖5-22間距比S/D=1.0時加勁深度與砂石樁承載力關係 123 圖5-23間距比S/D=1.0時不同加勁範圍之樁體變形與黏土提供之壓力 124 圖5-24間距比S/D=0.5時不同加勁範圍之層狀加勁砂石樁承載力與沉陷量關係 125 圖5-25間距比S/D=0.5時加勁深度與砂石樁承載力關係 125 圖5-26間距比S/D=0.5時不同加勁範圍之樁體變形與黏土提供之壓力 126 圖5-27間距比S/D=0.25時不同加勁範圍層狀加勁砂石樁承載力與沉陷量關係 127 圖5-28間距比S/D=0.25時加勁深度與砂石樁承載力關係 127 圖5-29間距比S/D=0.25時不同加勁範圍之樁體變形與黏土提供之壓力 128 圖5-30間距比S/D=1.0時不同樁徑之層狀加勁砂石樁承載力與沉陷量關係 130 圖5-31間距比S/D=0.5時不同樁徑之層狀加勁砂石樁承載力與沉陷量關係 131 圖5-32間距比S/D=1.0時不同樁徑之樁體變形與黏土提供之壓力 132 圖5-33間距比S/D=0.5時不同樁徑之樁體變形與黏土提供之壓力 133 圖5-34間距比S/D=1.0時砂石樁砂土內部圍壓分佈圖 135 圖5-35間距比S/D=0.5時砂石樁砂土內部圍壓分佈圖 138 圖5-36間距比S/D=0.25時砂石樁砂土內部圍壓分佈圖 143 圖5-37間距比S/D=1.0時砂石樁上部砂土內部圍壓分佈圖 145 圖5-38間距比S/D=0.5時砂石樁上部砂土內部圍壓分佈圖 146 圖5-39間距比S/D=0.25時砂石樁上部砂土內部圍壓分佈圖 151 表目錄 表2-1試驗用加勁材之力學性質(Haeri et al.,2000) 10 表2-2材料參數以及數值分析所採用之模式(Hosseinpour et al.,2014) 21 表3-1 試驗用砂土之基本性質 30 表3-2加勁材基本物理性質 50 表3-3 加勁材-砂界面剪力試驗結果(林致瑋,2013) 53 表3-4 試驗用黏土之基本性質 56 表5-1現地土壤初始有效應力(取自Bergado et al.,1998) 99 表5-2現地土壤Modified Cam-clay model臨界破壞理論模式之參數 (取自Bergado et al.,1998) 99 表5-3本研究所採用之影響參數 105 |
參考文獻 |
參考文獻 1. 朱志峯(2006),「土釘拉出行為的實驗與理論探討」,碩士論文,淡江大學土木研究所,臺北。 2. 黃振業(2009),「外包加勁砂柱之數值模擬」,碩士論文,淡江大學土木研究所,臺北。 3. 陳治夫(2012),「水平加勁砂柱之數值模擬」,碩士論文,淡江大學土木研究所,臺北。 4. 余易昇 (2013),「軟弱黏土層外包加勁砂柱承載行為之模型試驗」,碩士論文,淡江大學土木研究所,臺北。 5. 林致瑋 (2013),「外包與層狀加勁砂柱力學行為之比較研究」,碩士論文,淡江大學土木研究所,臺北。 6. 郭建明(2013),「軟弱黏土中外包加勁砂柱承載行為之數值模擬」,碩士論文,淡江大學土木研究所,臺北。 7. 陳冠龍(2015),「軟弱粘土層中水平層狀加勁砂樁承載試驗」,碩士論文,淡江大學土木研究所,臺北。 8. Brauns, J. (1978), “Initial Bearing Capacity of Stone Columns and Sand Piles”, Symposium on Soil Reinforcing and Stabilising Techniques, Sidney, Australia, pp.477-496. 9. Britto, A. M. and Gunn, M. J. (1987), “Critical State Soil Mechanics via Finite Elements”, Chichester U.K.: Ellis Horwood Ltd. 10. Bergado, D. T., Chai, J. C., Miura, N. and Balasubremaniam, A. S. (1998), “PVD Improvement of Soft Bangkok Clay with Combined Vacuum and Reduced Sand Embankment Preloading”, Geotechnical Engineering, Journal of Southeast Asian Geotechnical Society, Vol.29, pp.95-122. 11. Bergado , D .T., Youwai , S., Hai , C .N., Voottipruex,P .(2001) “Interaction of nonwoven needle-punched geotextiles under axisymmetric loading conditions”, Geotextiles and Geomembranes, Vol.19, pp.299-328. 12. Duncan, J. M. and Chang, C. Y. (1970), “Nonlinear Analysis of Stress and Strain in Soils”, Journal of Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol.96, No.SM5, pp.1629-1653. 13. Gray, D. H. and Ohashi, H. (1983), “Mechanics of Fiber Reinforcement in Sand”, Journal of Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol.109, No.3, pp.335-353. 14. Hughes, J. M. O. and Withers, N. J. (1974), “Reinforcing of Soft Chohesive Soils with Stone Columns”, Ground Engineering, Vol.7, pp.42-49. 15. Haeri, S. M., Noorzad, R. and Osakoorouchi, A. M. (2000), “Effect of Geotextile Reinforcement on the Mechanical Behavior of Sand”, Geotextiles and Geomembranes, Vol.18, pp.385-402. 16. Hong, Y. S. and Wu, C. S. (2013) , “The performance of a sand column internally reinforced with horizontal reinforcement layers”, Geotextiles and Geomembranes, Vol.41, pp.36-49. 17. Hosseinpour, I. , Riccio, M. , and Almeida, M.S.S. (2014), “Numerical evaluation of a granular column reinforced by geosynthetics using encasement and laminated disks”, Geotextiles and Geomembranes, Vo42, pp.363-373. 18. Latha, G. M. and Murthy, V. S. (2007), “Effects of reinforcement form on the behavior of geosynthetic reinforced sand”, Geotextiles and Geomembranes, Vol.25, No.1, pp.23-32. 19. Miura, S. and Toki, S. (1982), “A simple preparation method and its effect on static and cyclic deformation-strength properties of sand”, Soil and Foundations, Vol.22, No.1, pp.61-77. 20. Wood, D. M. (1990) “Soil Behaviour and Critical State Soil Mechanics”, Cambridge Cambridge University Press. 21. Wu, C. S. and Hong, Y. S. (2008), “The behavior of a laminated reinforced granular column”, Geotextiles and Geomembranes, Vol.26, pp.302-316. |
論文全文使用權限 |
如有問題,歡迎洽詢!
圖書館數位資訊組 (02)2621-5656 轉 2487 或 來信