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系統識別號 U0002-0903202009441700
中文論文名稱 壁樁受靜態側向力作用之行為與承載機制研究
英文論文名稱 Study on Lateral Load Behaviors and Bearing Mechanism of Barrette Piles
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 108
學期 1
出版年 109
研究生中文姓名 黃達瑋
研究生英文姓名 Da-wei Huang
學號 607384038
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-01-07
論文頁數 98頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-鄭世豪
委員-洪勇善
中文關鍵字 壁樁  有限元素分析  LPILE  P-Y曲線  側向力  張有齡公式 
英文關鍵字 Barrette  FEM analysis  LPILE  P-y curve  Lateral load  Chang’s formula 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究以壁樁受靜態側向力之行為與承載力詮釋為研究主題,研究係以三維有限元素分析軟體Midas GTS NX為主,所考慮的混凝土壁樁模型其截面長度為2.8m、寬度為1.2m,壁樁長度可分為20m和50m。黏土與砂土之土壤採莫爾庫倫破壞模式,混凝土壁樁為線彈性,觀察黏土層和砂土層壁樁在長側受力(橫向受力)與短側受力(縱向受力)的力學行為差異。研究發現:1.隨著土壤強度越低,壁樁的位移量與彎矩會越大。2. 短的壁樁撓曲變形小,但內力將分布於全部樁身。3. 長樁在長側受力之最大位移和短樁長側受力最大位移相似,撓曲變形的反曲現象特別明顯,樁身內力影響深度約為0.4倍樁長;若在短側受力,內力影響深度將達0.6倍樁長。
此外,本研究並建議壁樁樁身正規化變形曲線的回歸方程式,以及壁樁長樁和短樁條件,可涵蓋不同土壤強度對其定義影響,研究發現: 4. 黏土層壁樁在長側受力時,L/R>5即可視為長樁;在短側受力時,L/R<3為剛性樁,L/R>7為長樁。若為砂土層壁樁,則無論在長側或短側受力時,L/R<2可視為剛性樁,L/R>6即可視為長樁。
為了解工程界常用的張有齡公式和LPILE分析應用於壁樁可行性,本研究亦將壁樁視為等效圓樁,以淺層土壤P-y曲線的最大地盤反力係數k進行分析,並和Midas結果比較。結果顯示: 5. LPILE分析過於保守,僅在部分砂土層長側受力狀態和砂土層短側受力時和Midas分析結果相似。6. 張氏法僅能滿足壁樁在長側(橫向)受力的設計所需;作用力在短側下,使用張氏法將會低估樁身彎矩。另研究也以不同詮釋法解讀壁樁的力位移曲線圖,7. 研究發現: 一般詮釋法較難估計壁樁側向承載力,雙曲線法或許適合判讀壁樁側向承載力,但其載重需遠超過一般試驗荷重。
英文摘要 This study is on barrette behaviors under lateral loads. Three dimensional FEM analysis using program Midas GTS NX was conducted on a 2.8m×1.2m barrette model embedded in clays and sands. 20m and 50m barrettes were studied with loads acting on the longitudinal and transverse directions of the barrette respectively. LPILE analysis and the solutions associated with the Chang’s formulas were also conducted to make the comparisons. Four interpretation methods were adopted to check the lateral capacity of the barrette. The conclusions are summarized as follows, 1. The barrette displacements and bending moments will become larger as the soils get softer. 2. Shorter barrette bends less but will have internal stresses along the whole structure. 3. Longer barrette with load at the transverse direction will have moments and shears existing in the upper region of the barrette (0.4 times its length). If it was loaded at the longitudinal direction, then it became more rigid and the internal stress affected more regions of the barrette (0.6 times its length). The modulus of subgrade reaction of the barrette k was found much larger when the barrette is subjected to the loads in the longitudinal direction. Polynomial functions of the normalized deflections of the barrette were suggested regardless of the soil stiffness, however they must be calibrated if the load magnitude was changed. 4. The definitions of long barrette and short barrette were studied by checking the deflection ratio of u/R, v/R or u/T, v/T along the barrette shaft. The criteria were made. 5. LPILE was found to provide significant overestimations of the displacements and internal stresses of the barrette in clays. 6. Chang’s formulas were found applicable when barrette was subjected to load in transverse direction, for barrette with load in longitudinal direction, the formula will underestimate the bending moments. 7. The interpretation methods will encounter difficulty to estimate the lateral capacity of barrette because the resistance of the barrette is really significant compared to ordinary piles. The hypoblic method perhaps is applicable in this case.
論文目次 目錄​I
圖目錄​III
表目錄​VIII
第一章 緒論​1
1.1 研究動機與目的​1
1.2 研究方法​1
第二章 文獻回顧​3
2.1 案例蒐集​3
2.2 有限元素法​6
2.3 詮釋法​8
2.3.1 變位或旋轉界限法​9
2.3.2 雙曲線詮釋法(Manoliu et al., 1985)​9
2.3.3 轉折圖解法(Slack and Walker, 1970)​10
2.4 張有齡解析法​10
2.5 長短樁定義​13
2.6 土壤参数​15
第三章 研究工具​17
3.1 有限元素軟體Midas GTS NX​17
3.1.1 Midas GTS NX 簡介​17
3.1.2 Midas GTS NX 分析模式​18
3.1.3 Midas GTS NX 土壤材料模式​19
3.1.4 Midas GTS NX 邊界條件設置​20
3.1.5 Midas GTS NX 介面元素設定​21
3.1.6 Midas GTS NX 數值模型構建步驟​23
3.1.7 Midas GTS NX 分析設定介紹​25
3.1.8 Midas GTS NX 案例驗證​27
3.2 LPILE 6.0 數值模擬設定​28
3.2.1 LPILE 6.0 執行步驟​29
第四章 壁樁之力學行為​32
4.1 Midas GTS NX數值模擬​32
4.1.1 數值模型建構概述​32
4.1.2 土壤與結構材料​33
4.1.3 分析域選定​34
4.2 黏土層壁樁受力行為​35
4.3 砂土層壁樁受力行為​40
4.5正規化樁身位移曲線​48
4.6壁樁長樁短樁定義​55
第五章 壁樁數值分析比較​62
5.1 有限差分軟體LPILE 6.0比較​62
5.1.1 LPILE 6.0 數值模擬設定​62
5.1.2 LPILE 6.0 模擬結果​64
5.2 張有齡解析法比較​80
5.3 詮釋法​86
5.3.1 黏土層​86
5.3.2砂土層​87
第六章 結論與建議​91
參考文獻​96

圖目錄
圖 1-1 研究流程圖 2
圖 2-1 力-位移曲線圖(摘自Zhang, 2003) 3
圖 2-2 樁身變位圖(摘自Zhang, 2003) 3
圖2-3 砂土層壁樁相對密度圖 (摘自Wakil and Nazir,2012) 4
圖2-4 隨水平荷載增加之壁樁裂縫分佈 (摘自Conte et al., 2012) 5
圖2-5 荷載-位移曲線 (摘自Conte et al., 2012) 5
圖2-6 線性模式、MC和HS非線性模式分析比對 (摘自Bahloul, 2016) 6
圖2-7 有限元素法分析流程 7
圖2-8 雙曲線詮釋法示意圖 9
圖2-9 Chang 理論解示意圖 13
圖3-1 庫倫摩擦法則 21
圖3-2 MIDAS/GTS NX介面元素設定視窗 22
圖3-3 二維平面網格最小元素尺寸 24
圖3-4 階段施工步驟(一) 25
圖 3-5 施工階段步驟(二) 26
圖 3-6 施工階段步驟(三) 26
圖 3-7 力-位移曲線圖 (摘自Bahloul, 2016) 27
圖 3-8力-位移曲線比較圖 27
圖 3-9 LPILE 6.0 基樁尺寸和材料參數輸入圖 29
圖 3-10 LPILE 6.0 地表幾何形狀輸入圖 30
圖 3-11 LPILE 6.0 土壤材料參數輸入圖 30
圖 3-12 LPILE 6.0樁頂外力輸入圖 31
圖 4-1 MIDAS/GTS NX土層模型 33
圖 4-2 MIDAS/GTS NX 壁樁模型 33
圖 4-3 20m壁樁分析域之平面分析比比較 34
圖 4-4 50m壁樁分析域之深度分析比較 34
圖 4-5 黏土層20m壁樁長側受力力學行為圖示 36
圖 4-6 黏土層20m壁樁短側受力力學行為圖示 37
圖 4-7 黏土層50m壁樁長側受力力學行為圖示 38
圖 4-8 黏土層50m壁樁短側受力力學行為圖示 39
圖 4-9 砂土層20m壁樁長側受力力學行為圖示 41
圖 4-10 砂土層20m壁樁短側受力力學行為圖 42
圖 4-11 砂土層50m壁樁長側受力力學行為圖示 43
圖 4-12 砂土層50m壁樁短側受力力學行為圖示 44
圖 4-13 土壤反力P值於土壤元素取值示意圖 45
圖 4-14 黏土層壁樁長側受力和短側受力之P-Y曲線 46
圖 4-15 砂土層壁樁長側受力和短側受力P-Y曲線 46
圖 4-16 黏土層20m壁樁長側受力變位正規化曲線 49
圖 4-17 黏土層20m壁樁短側受力變位正規化曲線 49
圖 4-18 黏土層50m壁樁長側受力正規化變位曲線 50
圖 4-19 黏土層50m壁樁短側受力正規化變位曲線 50
圖 4-20黏土層壁樁長側受力受作用力大小影響之正規化變位曲線 51
圖 4-21 黏土層壁樁短側受力受作用力大小影響之正規化變位曲線 51
圖 4-22 砂土層20m壁樁長側受力正規化變位曲線 52
圖 4-23 砂土層20m壁樁短側受力正規化變位曲線 53
圖 4-24 砂土層50m壁樁長側受力正規化變位曲線 53
圖 4-25 砂土層50m壁樁短側受力正規化變位曲線 54
圖 4-26 砂土層壁樁長側受力受作用力大小影響之正規化變位曲線 54
圖 4-27 砂土層壁樁短側受力受作用力大小影響之正規化變位曲線 55
圖 4-28黏土層(Vs=120m/s)不同長度壁樁在長側和短側受力之變位正規化曲線 56
圖 4-29黏土層(Vs=150m/s)不同長度壁樁在長側和短側受力之正規化變位曲線 57
圖 4-30黏土層(Vs=180m/s)不同長度壁樁在長側和短側受力之正規化變位曲線 58
圖 4-31 砂土層(Vs=120m/s)不同長度壁樁在長側和短側受力之正規化變位曲線 59
圖 4-32 砂土層(Vs=150m/s)不同長度壁樁在長側和短側受力之正規化變位曲線 60
圖 4-33 砂土層(Vs=180m/s)不同長度壁樁在長側和短側受力之正規化變位曲線 61
圖 5-1 LPILE程式壁樁參數輸入畫面 62
圖 5-2 LPILE黏土層模型參數輸入畫面 63
圖 5-3 LPILE 6.0側向力輸入參數 64
圖 5-4 LPILE 6.0黏土層 Vs=120m/s分析結果(長側受力) 65
圖 5-5 LPILE 6.0黏土層(Vs=150m/s)分析結果(長側受力) 66
圖 5-6 LPILE 6.0黏土層 Vs=180m/s分析結果(長側受力) 67
圖 5-7 Midas壁樁黏土層長側受力樁身位移、彎矩和剪力 68
圖 5-8 LPILE 6.0黏土層 Vs=120m/s分析結果(短側受力) 69
圖 5-9 LPILE 6.0黏土層 Vs=150m/s分析結果(短側受力) 70
圖 5-10 LPILE 6.0黏土層 Vs=180m/s分析結果(短側受力) 71
圖 5-11 Midas黏土層壁樁短側受力位移、彎矩和剪力 72
圖 5-12 LPILE 6.0砂土層 Vs=120m/s分析結果(長側受力) 73
圖 5-13 LPILE 6.0砂土層 Vs=150m/s分析結果(長側受力) 74
圖 5-14 LPILE 6.0砂土層 Vs=180m/s分析結果(長側受力) 75
圖 5-15 砂土層壁樁長側受力位移,彎矩和剪力 76
圖 5-16 LPILE 6.0砂土層 Vs=120m/s分析結果(短側受力) 77
圖 5-17 LPILE 6.0砂土層 Vs=150m/s分析結果(短側受力) 78
圖 5-18 LPILE 6.0砂土層 Vs=180m/s分析結果(短側受力) 79
圖 5-19 砂土層壁樁短側受力位移、彎矩和剪力 80
圖 5-21 黏土層壁樁長側受力彎矩比較 (Chang and Midas) 81
圖 5-20 黏土層壁樁長側受力變位比較 (Chang and Midas) 81
圖 5-22 黏土層壁樁長側受力剪力比較(Chang and Midas) 81
圖 5-23 黏土層壁樁短側受力變位比較 (Chang and Midas) 82
圖 5-25 黏土層壁樁短側受力剪力比較(Chang and Midas) 82
圖 5-24 黏土層壁樁短側受力彎矩比較(Chang and Midas) 82
圖5-26砂土層壁樁長側受力變位比較(Chang and Midas) 83
圖 5-27 砂土層壁樁長側受力彎矩比較(Chang and Midas) 83
圖 5-28 砂土層壁樁長側受力剪力比較(Chang and Midas) 84
圖 5-29 砂土層壁樁短側受力變位比較 (Chang and Midas) 84
圖 5-30 砂土層壁樁短側受力彎矩比較(Chang and Midas) 84
圖5-31 砂土層壁樁短側受力剪力比較(Chang and Midas) 85
圖 5-32變位詮釋法(黏土層長側受力) 86
圖 5-34轉折圖解法(黏土層長側受力) 86
圖 5-33雙曲線詮釋法(黏土層長側受力) 86
圖 5-36雙曲線詮釋法(黏土層短側受力) 87
圖 5-37轉折圖解法(黏土層短側受力) 87
圖 5-35變位詮釋法(黏土層短側受力) 87
圖 5-39雙曲線詮釋法(砂土層長側受力) 88
圖 5-38變位詮釋法(砂土層長側受力) 88
圖 5-40轉折圖解法(砂土層長側受力) 88
圖 5-41變位詮釋法(砂土層短側受力) 89
圖5-42雙曲線詮釋法(砂土層短側受力) 89
圖 5-43 轉折圖解法(砂土層短側受力) 89

表目錄
表 2-1 變位或旋轉界限詮釋法一覽表 8
表 2-2 變位詮釋法 9
表 2-3側向荷重基樁理論解(Chang, 1937) 10
表 2-4 樁頭自由與旋轉拘限情況之彈性理論解 12
表 2-5 本研究所用Chang理論解整理 13
表 2-6 力作用於壁樁縱向之Kx與Rx參數 14
表 2-7 力作用於壁樁橫向之Ky與Ry參數 14
表 2-8剪力波速與地盤反力係數關係 (摘自Salacak Mh,2012) 15
表 2-9剪力波速與黏土不排水剪力強度關係 15
表 2-10剪力波速與砂土摩擦角關係 16
表 3-1 Midas GTS NX三維分析種類整理 18
表 3-2 Midas GTS NX分析模式說明 19
表 3-3 Midas GTS NX 材料模式說明 20
表 3-4 邊界條件分類 20
表 3-5 介面元素參數 22
表 3-6 LPILE 6.0輸入方式 29
表 4-1 壁樁與分析域尺寸 32
表4-2 本研究黏土層和砂土層壁樁P-y曲線所對應之地盤反力係數 47
表 4-3 黏土層壁樁長側受力之Rx轉換 48
表 4-4黏土層壁樁長側受力之Ry轉換 49
表 4-5砂土層壁樁受力之Tx和Ty值 52
表 4-7 黏土層(Vs=120m/s)不同長度壁樁短側受力L/R值 56
表 4-6 黏土層(Vs=120m/s)不同長度壁樁長側受力L/R值 56
表 4-8 黏土層(Vs=150m/s)不同長度壁樁長側受力L/R值 57
表 4-9 黏土層(Vs=150m/s)不同長度壁樁短側受力L/R值 57
表 4-11 黏土層(Vs=180m/s)不同長度壁樁短側受力L/R值 58
表 4-10 黏土層(Vs=180m/s)不同長度壁樁長側受力L/R值 58
表 4-12 砂土層(Vs=120m/s)不同長度壁樁長側受力L/T值 59
表 4-13 砂土層(Vs=120m/s)不同長度壁樁短側受力L/T值 59
表 4-14 砂土層(Vs=150m/s)不同長度壁樁長側受力L/T值 60
表 4-15 砂土層(Vs=150m/s)不同長度壁樁短側受力L/T值 60
表 4-16 砂土層(Vs=180m/s)不同長度壁樁長側受力L/T值 61
表 4-17 砂土層(Vs=180m/s)不同長度壁樁短側受力L/T值 61
表 5-1 各類詮釋法結果整理表 90
參考文獻 參考文獻
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