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系統識別號 U0002-0803202110314500
中文論文名稱 節瘤型土釘與灌漿釘之三維數值模擬
英文論文名稱 Three-dimensional numerical analysis of knotted and grouted-soil nails
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 109
學期 1
出版年 110
研究生中文姓名 曹祖文
研究生英文姓名 Tsu-Wen Tsao
學號 607380325
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2021-01-14
論文頁數 120頁
口試委員 指導教授-洪勇善
委員-吳朝賢
委員-張德文
中文關鍵字 三維分析  土釘  節瘤  數值模擬  周圍土壤之漸進式破壞行為 
英文關鍵字 three dimensional simulation  soil nail  knotted  numerical analysis  progressive failure 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究主要以三維數值分析方法分別建立傳統灌漿釘、螺桿釘與節瘤釘拉出數值模型,與實驗室拉出試驗結果進行比較,並探究土釘於拉出期間周圍土壤所發展的漸進式破壞機制與應力影響範圍。
分析結果得知:(1)傳統灌漿釘數值模擬拉出力與實驗室拉出結果十分貼近,傳統灌漿釘不同釘徑其周圍土壤發展之漸進式破壞行為相似,由釘尾處的土壤開始產生解壓破壞,之後是土釘兩側之釘土界面與土壤發生剪力破壞,接下來釘土界面破壞逐漸發展到土釘頂部以及底部;當土釘拉出力達到尖峰值,緊鄰土釘頂部以及底部的土壤元素發生剪力破壞,破壞的趨勢由釘尾往釘頭發展,釘尾處的破壞區域約為0.5倍的灌漿釘直徑(2)螺桿釘周圍土壤破壞機制,是由釘尾和緊鄰釘身幾處的土壤開始產生破壞,之後再由釘身週圍慢慢擴大破壞區,最後相連完成破壞。當拉出力達尖峰值時,釘尾處的破壞區域約為2倍螺桿釘直徑。(3)節瘤直徑80 mm之節瘤釘周圍土壤的破壞過程為,尾端土壤元素開始產生解壓破壞,之後沿著節瘤表面逐漸向外擴張形成球狀剪力帶,隨拉出位移增加,節瘤前方土壤剪力破壞區域分別往前與往外漸增約1.7倍節瘤直徑。(4)雙節瘤間距240 mm之土釘拉出力會比節瘤間距80 mm來的大,拉出位移10 mm時,節瘤間距240 mm之土釘相較於節瘤間距80 mm,拉出力提升了12%。
英文摘要 In this research, three-dimensional numerical analysis methods were used to establish the numerical models of grouted,knotted and screw-soil nails. Compared with laboratory pull-out test results, it also explores the progressive failure mechanism and stress influence scope of soil nails during the pull-out period.
The analysis results show that:
(1) The pullout force of grouted nails is very close to the pullout result in the laboratory. Grouted nails with different nail diameters have similar progressive failure behavior to the soil development around the nails.
(2) The soil failure mechanism around the screw nail is begin from the soil behind the nail tail and nail body and then gradually expands the failure area ,finally connects to complete the destruction,when the pull-out force reaches the peak value,the failure area at the nail tail is about 2 times the diameter of the screw nail.
(3) The progressive failure behavior of single knot nails with the knot diameter of 80 mm is begin from the soil behind the nail tail, when the pull-out displacement is 10 mm, The soil shear failure area in front of the knot gradually increases about 1.7 times the the diameter of the knot.
(4) When the pull-out displacement is 10 mm,the pull-out force of the soil nails with the knots spacing 240 mm is increased by 12% compared to the knots spacing 80 mm.
論文目次 目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 2
1.3 論文章節與內容 2
第二章 文獻回顧 4
2.1 傳統土釘加勁原理與機制 4
2.2 現地土釘不完全灌漿之情形 6
2.3土釘試驗相關之研究 8
2.3.1 Milligan & Tei(1998)之研究 8
2.3.2 楊尚恆(2001)之研究 11
2.3.3 游原暉(2018)之研究 12
2.3.4 楊子萱(2019)之研究 15
第三章 數值模型 23
3.1 數值分析程式 23
3.1.1 FLAC 3D程式簡介 23
3.1.2 FLAC基本計算原理 23
3.2 砂土之數值分析參數 28
3.3 砂土三軸數值模擬 30
3.3.1 數值網格、邊界、初始條件 30
3.3.2 砂土模擬與驗證 34
3.3.3 砂土三軸模擬記錄 34
3.3.4 三軸壓縮速度對分析影響 35
3.4 砂箱數值驗證 39
3.4.1 砂箱數值模型建立 39
3.4.2 砂箱數值模擬驗證 39
3.5 灌漿釘數值模型建立 42
3.5.1 數值網格、邊界、初始條件 42
3.5.2 灌漿釘材料參數 42
3.5.3 界面元素 45
3.5.4 土釘拉出速度 47
3.6 螺桿釘與節瘤釘數值之模型建立 49
3.6.1 數值網格、邊界、初始條件 49
3.6.2 螺桿釘與節瘤釘材料參數 49
3.6.3 螺桿釘建模 51
3.6.4 界面元素 51
3.6.5 螺桿釘模擬過程問題探討 53
3.6.6 小結 59
3.6.7 虛擬螺桿釘 59
3.6.8 節瘤型土釘數值模型建立 61
3.6.9 節瘤型土釘界面參數 61
第四章 數值分析結果與討論 65
4.1 灌漿釘拉出之數值模擬 65
4.1.1 灌漿釘數值分析與試驗之比較 65
4.1.2 灌漿釘周圍土壤之應力變化 67
4.1.3 灌漿釘周圍土壤之破壞情形 82
4.1.4 灌漿釘周圍土壤之漸進式破壞行為 85
4.1.5 灌漿釘周圍土壤主應力方向的變化 92
4.2 螺桿釘拉出之數值模擬 95
4.2.1 螺桿釘數值分析與試驗之比較 95
4.2.2 螺桿釘周圍土壤之漸進式破壞行為 97
4.3 節瘤釘拉出之數值模擬 99
4.3.1 單節瘤釘數值分析與試驗之比較 99
4.3.2 單節瘤釘周圍土壤之漸進式破壞行為 100
4.3.3 節瘤釘周圍土壤之應力路徑 106
4.3.4 雙節瘤釘數值分析與試驗之比較 111
4.3.5雙節瘤釘周圍土壤之漸進式破壞行為 112
第五章 結論 118
參考文獻 120


圖目錄
圖1.1 研究計畫流程圖 3
圖2.1 土釘結構受力機制示意圖 6
圖2.2 灌漿未達設計深度 (Jayawickrama,et al.,2007) 7
圖2.3 坍孔影響之灌漿不確實 (Jayawickrama,et al.,2007) 8
圖2.4 實驗室大型土釘拉出試驗儀平面圖(游原暉,2018) 12
圖2.5 純螺桿與單一節瘤(游原暉,2018) 13
圖2.6 單一節瘤拉出力–位移(游原暉,2018) 14
圖2.7 傳統灌漿釘拉出力–位移(游原暉,2018) 14
圖2.8 灌漿釘數值網格模型(楊子萱,2019) 16
圖2.9 螺桿釘數值網格模型(楊子萱,2019) 17
圖2.10 單一節瘤釘數值網格模型(楊子萱,2019) 18
圖2.11數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖(楊子萱,2019) 19
圖2.12 拉出位移30 mm,螺桿釘周圍土壤破壞發展情形(楊子萱,2019) 20
圖2.13 拉出位移30 mm,單一節瘤40 mm周圍土壤破壞發展情形
(楊子萱,2019) 21
圖2.14 拉出位移30 mm,單一節瘤80 mm周圍土壤破壞發展情形
(楊子萱,2019) 22
圖3.1 FLAC程式計算流程 27
圖3.2 實驗室砂土之顆粒形狀(朱志峯,2006) 28
圖3.3 砂土粒徑分佈曲線(朱志峯,2006) 29
圖3.4 FLAC3D砂土三軸數值網格 31
圖3.5 三軸數值模擬 32
圖3.6 三軸數值模擬之收斂情形 33
圖3.7數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係與實驗比對 36
圖3.8 不同壓縮速度對三軸模擬之影響 37
圖3.9 不同壓縮速度對模擬收斂之影響 38
圖3.10 FLAC3D砂箱數值模型 40
圖3.11 砂箱數值模擬驗證 41
圖3.12 實驗室大型拉出試驗儀 (游原輝,2018) 43
圖3.13 FLAC3D灌漿釘數值網格 44
圖3.14 實驗室灌漿釘拉出力-位移曲線(游原暉,2018) 46
圖3.15 不同拉出速度之拉出力-位移比較圖 47
圖3.16 不同拉出速度之模擬收斂情形 48
圖3.17 螺桿釘三維建模之模型 50
圖3.18 實際螺桿釘 50
圖3.19 FLAC3D總網格數4×104之螺桿釘數值模型 52
圖3.20 不同拉出速度之拉出力-位移圖與實驗值比較 53
圖3.21 不同拉出速度對模擬收斂的影響 54
圖3.22 FLAC3D總網格數3×105之螺桿釘數值模型 55
圖3.23 螺桿釘不同總網格數之拉出力-位移圖與實驗值比較 56
圖3.24 不同網格數與拉出速度之界面滑動情形 58
圖3.25 虛擬螺桿釘數值模型 60
圖3.26 光滑土釘與粗糙土釘之拉出力-位移曲線(楊尚恆,2001) 62
圖3.27 單節瘤土釘數值模型 63
圖3.28 雙節瘤土釘數值模型 63
圖3.29 實驗室節瘤模型 64
圖3.30 單節瘤土釘實驗室模型 64
圖3.31 雙節瘤土釘實驗室模型 64
圖4.1 灌漿釘數值模擬與實驗室拉出力-位移曲線 66
圖4.2 土釘上方土壤元素觀測點之示意圖 67
圖4.3 釘徑40 mm不同拉出位移時上方土壤最大主應力分佈 70
圖4.4 釘徑50 mm不同拉出位移時上方土壤最大主應力分佈 70
圖4.5 釘徑60 mm不同拉出位移時上方土壤最大主應力分佈 71
圖4.6 釘徑80 mm不同拉出位移時上方土壤最大主應力分佈 71
圖4.7 土釘下方土壤元素觀測點之示意圖 72
圖4.8 釘徑40 mm不同拉出位移時下方土壤最大主應力分佈 75
圖4.9 釘徑50 mm不同拉出位移時下方土壤最大主應力分佈 75
圖4.10 釘徑60 mm不同拉出位移時下方土壤最大主應力分佈 76
圖4.11 釘徑80 mm不同拉出位移時下方土壤最大主應力分佈 76
圖4.12 土釘側方土壤元素觀測點之示意圖 77
圖4.13 釘徑40 mm不同拉出位移時側方土壤最大主應力分佈 80
圖4.14 釘徑50 mm不同拉出位移時側方土壤最大主應力分佈 80
圖4.15 釘徑60 mm不同拉出位移時側方土壤最大主應力分佈 81
圖4.16 釘徑80 mm不同拉出位移時側方土壤最大主應力分佈 81
圖4.17 拉出位移0.2 mm周圍土壤破壞行為 82
圖4.18 拉出位移0.6 mm周圍土壤破壞行為 83
圖4.19 拉出位移1 mm周圍土壤破壞行為 83
圖4.20 拉出位移1.5 mm周圍土壤破壞行為 84
圖4.21 拉出位移4.5 mm周圍土壤破壞行為 84
圖4.22 釘徑40 mm灌漿釘周圍土壤破壞情形 88
圖4.23 釘徑50 mm灌漿釘周圍土壤破壞情形 89
圖4.24 釘徑60 mm灌漿釘周圍土壤破壞情形 90
圖4.25 釘徑80 mm灌漿釘周圍土壤破壞情形 91
圖4.26 砂箱灌漿釘模型 93
圖4.27 初始狀態灌漿釘與土壤元素主應力方向 93
圖4.28 拉出位移2 mm灌漿釘與土壤元素主應力方向 94
圖4.29 螺桿釘數值模擬與實驗拉出力-拉出位移圖 96
圖4.30 螺桿釘周圍土壤破壞情形 98
圖4.31 不同節瘤直徑之節瘤釘數值模擬與實驗比較 99
圖4.32 釘徑40 mm之節瘤釘周圍土壤破壞情形 103
圖4.33 釘徑80 mm之節瘤釘周圍土壤破壞情形 105
圖4.34 節瘤直徑80 mm不同位置土壤元素之紀錄點 107
圖4.35 點號1位置土壤之p-q圖 108
圖4.36 點號2位置土壤之p-q圖 108
圖4.37 點號3位置土壤之p-q圖 109
圖4.38 點號4位置土壤之p-q圖 109
圖4.39 點號5位置土壤之p-q圖 110
圖4.40 點號6位置土壤之p-q圖 110
圖4.41 節瘤直徑80 mm不同間距之雙節瘤土釘拉出數值模擬結果 111
圖4.42 節瘤直徑80mm間距1倍節瘤直徑土釘之周圍土壤破壞模式 115
圖4.43 節瘤直徑80mm間距3倍節瘤直徑土釘之周圍土壤破壞模式 117

表目錄
表2.1 土釘極限拉出阻抗 (Elias & Juran,1991) 5
表3.1 No.201砂基本性質(朱志峯,2006) 29
表3.2 灌漿釘材料參數 43
表3.3 灌漿釘徑與界面剪向勁度及摩擦角之關係 46
表3.4 螺桿釘材料參數 49
表3.5 螺桿釘界面參數與網格設置 51
表3.6 不同節瘤直徑下的等效錐體頂部與底部直徑 61
表3.7 節瘤界面參數與網格設置 62

參考文獻 1. 楊尚恆(2001),「砂土層中土釘拉出之實驗研究」,私立淡江大學土木工程研究所,碩士論文,台北。
2. 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。
3. 游原暉(2018),「節瘤型土釘之最佳節瘤間距之研究」,私立淡江大學土木工程研究所,碩士論文,台北。
4. 楊子萱(2019),「單一節瘤土釘二維數值模擬之初步研究」,私立淡江大學土木工程研究所,碩士論文,台北。
5. McGown,A.,Murray, R. T. and Jewell, A. (1989) : “Statethe art report on reinforced soil,”Proc. 12th Int.Conf.SMFE,Rio de Janeiro, Vol.4, pp.2367-2648.
6. Elias, V. and Juran, I.(1991), “Soil nailing for stabilization of highway slopes and excavations,” Federal Highway Administration, FHWA-RD-89-198, 221P.
7. Milligan, G. W. E., and Tei, k. (1998) "The pull-out resistance of model soil nails." Soils and Foundations, 38 (2), pp:179-190.
8. 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.
論文使用權限
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