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系統識別號 U0002-1009200918173600
中文論文名稱 外包加勁砂柱之數值模擬
英文論文名稱 Numerical modeling of geosynthetic-encapsulated sand columns
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 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 黃振業
研究生英文姓名 Chen-Yeh Huang
學號 696380145
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-21
論文頁數 162頁
口試委員 指導教授-洪勇善
委員-吳朝賢
委員-劉家男
中文關鍵字 地工合成材  外包加勁  數值模擬  柏松比 
英文關鍵字 geotextile  encapsulated  numerical modeling  Poisson ratio 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 在基礎工程設計中,砂石樁改良法具有經濟、迅速及彈性大等優點。傳統砂石樁雖可承受軸力與剪力,但於樁體上部結構容易因束制力不足而產生破壞,一直以來工程師不斷的尋求對砂樁土體加勁的方式,以提高砂石樁之強度。其中,對砂石樁採用地工合成材外包加勁的方法,為目前可行的方法之一。

本研究採用數值模擬方式,利用有限差分主程式FLAC針對外包砂柱的加勁行為進行模擬分析,藉由電腦快速疊代運算之功能,求得較過去實驗值或理論值分析下更為精確之結果。

模擬結果顯示:(1)在過去前人的數值分析中,砂土力學行為大多使用雙曲線模式來描述。因此無法模擬砂土在尖峰應力前的體積膨脹現象,但本研究以塑性理論來模擬土壤之尖峰前的膨脹狀況。由砂土三軸模擬結果可知,其應力-應變曲線之模擬相當吻合試驗值,最大誤差百分率均低於2%。而體積應變之模擬與實驗值也在7%以內之誤差率;雖誤差較為明顯,但已可正確性模擬出砂土在尖峰強度前之膨脹現象,分析考量上較符合真實狀況。(2)在相同艙室圍壓下且軸向應變到達10%之後,加勁材勁度越高對於體積應變的抑制效果越好。而在軸向應變於10%之前體積抑制率並無一定的趨勢,此現象主要為數值分析上加勁材本身考慮柏松比之影響,當試體的體積開始膨脹時,由體積造成之側向擠壓會因為加勁材柏松比效應有所抵銷。(3)在低艙室圍壓下,加勁材勁度越高對於試體之徑向應變抑制能力越好,而在高艙室圍壓下亦有相同之趨勢,但徑向應變抑制率明顯下降。(4)觀察加勁材束縛應力增量可發現,試體經過外包加勁材後,以低艙室圍壓而言加勁之圍壓增量之效果低於理論分析下圍壓增量約35%~50%。此現象主要為加勁材因柏松比影響,與土壤同時產生側向應變情況,抑制土壤擴張之能力將會降低。

由上述數值分析結果可知,外包加勁之效益若考量土壤膨脹行為以及加勁材柏松比影響下之加勁能力,其結果將更為精確保守。
英文摘要 The stone column technique is a low cost, time saving, and flexible construction method for ground improvement. When the stone columns are installed in soft clay soils, the lateral confinement offered by the surrounding soil may not adequate to form the stone column due to not be able to develop the required load-bearing capacity. In such soil, the required lateral confinement can be induced by encapsulating the column with tensile geotextile material.

The purpose of this study is to investigate the mechanical behavior of geotextile encasement on the sand columns using the finite difference analysis. The results from the numerical analysis studies are presented to quantify the effect of confinement and mechanism for improvement in load capacity due to encasement. Based on the results obtained from this study, the following conclusions are made:

1. The sand that would be used in the model was tested by triaxial tests to develop its stress-strain volume relationship, which provide the basis for numerical analysis. The strain hardening - softening volume dilation model of the sand in present study proved that it could suitable simulates the dilative behavior on pre-peak deviatoric stress.

2. Volumetric strain reduction percentage increase with the increase in the geotextile stiffness after 10% axial strain. Due to the Poisson effect, the volumetric strain reduction tendency is not obvious before 10% axial strain.

3. At a specific axial strain, the radial strain reduction effect is higher for stiffer geotextiles to specimen subjected to low chamber pressure. However the radial strain reduction effect degrades with higher chamber pressure.

4. The confinement stress increment in the reinforcement obviously underestimates 35% ~ 50% against the theoretical solutions.
論文目次 目錄

目錄 I
表目錄 V
圖目錄 VII
照片目錄 XI
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 論文組織及研究內容 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 砂石樁工法 3
2.1.1 擠壓砂樁工法 4
2.1.2 振動揚實法 4
2.1.3 礫石樁工法 5
2.1.4 孔穴置入法 5
2.2 外包加勁砂柱之實驗研究 5
2.3 加勁試體之破壞方式 6
2.4 非外包加勁砂土之實驗研究 7
2.4.1 纖維加勁三軸試驗 7
2.4.2 水平加勁三軸試驗 8
2.5 加勁砂柱試體應力-應變行為理論分析 10
2.5.1 粒狀土壤正規化的組成參數計算 10
2.5.2 粒狀土壤之應力-應變行為 12
2.5.3 砂柱試體應力-應變行為模擬 15
2.5.4 外包加勁束縛應力 17
2.6 加勁砂柱試體之數值模擬分析 19
第三章 數值分析模式 37
3.1 數值分析主程式FLAC 37
3.1.1 FLAC基本運算原理 37
3.1.2 FLAC數值模擬步驟 40
3.2 砂土力學行為之塑性模式 41
3.3 砂土數值分析之力學參數 44
3.3.1 砂土基本性質 44
3.3.2 彈性模數與柏松比 45
3.3.3 發揮摩擦角 46
3.3.4 體積膨脹參數 48
3.4 加勁材數值分析之力學參數 49
3.4.1 加勁材基本性質 49
3.4.2 彈性模數 50
3.4.3 柏松比 50
3.5 砂土三軸試驗之數值模擬 51
3.5.1 數值模型與邊界條件 51
3.5.2 程式驗證 51
3.5.3 模擬與驗證 52
第四章 加勁砂柱之數值模擬 75
4.1 分析模式建立 75
4.1.1 砂土與加勁材介面性質 75
4.1.2 加勁材性質 76
4.1.3 加載速率 77
4.2 模擬結果 77
4.3 加勁效果分析 78
4.3.1 加勁與未加勁試體之應力比 78
4.3.2 體積應變抑制率 80
4.3.3 束縛應力 81
第五章 結論 113
參考文獻 115
附錄1 Mohr-Coulomb模式純砂三軸程式 119
附錄2 完全塑性模式純砂三軸程式 123
附錄3 完全塑性模式外包加勁三軸程式 135

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表目錄

表3.1 試驗用砂土基本性質 53
表3.2 加勁材基本性質 53
表3.3 加勁材之彈性模數 53
表4.1 土壤-加勁材介面元素性質 83
表4.2 加勁與未加勁試體之軸差應力最大值 83
表4.3 加勁與未加勁試體之體積應變最大值 83
表4.4 加勁與未加勁試體於軸向應變20%時之徑向應變 84
表4.5 加勁試體於各階段軸向應變之圍壓應力比 84
表4.6 加勁試體於各階段軸向應變之軸差應力比 85
表4.7 加勁試體於各階段軸向應變之體積應變抑制率 86
表4.8 加勁試體於各階段軸向應變之徑向應變抑制率 87
表4.9 加勁試體於各階段軸向應變之束縛應力增量 88

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圖目錄

圖2.1 砂石樁破壞形式(取自Brauns,1978) 20
圖2.2 擠壓砂樁工法(取自Ichimoto & Suematsu,1986) 20
圖2.3 震動揚實法(取自Baumann & Bauer,1974) 20
圖2.4 礫石樁法 (取自Baumann & Bauer,1974) 21
圖2.5 孔穴置入法(取自Datye & Nagaraju,1981) 21
圖2.6 外包加勁試體之應力-應變試驗結果(取自Al-Refeai,1985) 22
圖2.7 單一隔框與複數格框之配置(取自Rajagopal,1999) 22
圖2.8 不同材質蜂巢格框加勁試體之應力-應變曲線(取自Rajagopal,1999) 23
圖2.9 不同加勁材料之試驗結果p-q圖(取自Rajagopal,1999) 23
圖2.10 不同勁度加勁材外包下之圍壓增量(取自蔡君平,2006) 24
圖2.11 不同勁度加勁材外包下之體積應變抑制率(取自蔡君平,2006) 24
圖2.12 不同纖維含量試體之應力-應變曲線(取自Wang et al.,2000) 25
圖2.13 粗細粒料加勁試體試驗結果 26
(取自Radoslaw & Michalowski,2003) 26
圖2.14 纖維加勁之三軸壓縮平面降伏準則 26
(取自Radoslaw & Michalowski,2003) 26
圖2.15 纖維加勁三軸試體之破壞包絡線 27
(取自Radoslaw & Michalowski,2003) 27
圖2.16 加勁與未加勁試體液化潛能評估結果 27
(取自Krishnaswamy & Isaac,1995) 27
圖2.17 水準加勁織物安置方式(取自Haeri & Oskoorouchi,2000) 28
圖2.18 加勁安置位置與軸差壓力之關係 28
(取自Haeri & Oskoorouchi,2000) 28
圖2.19 不同尺寸加勁試體之三軸剪力試驗結果(取自Broms,1977) 29
圖2.20 黏土層之加勁砂柱試體試驗(取自Radhey,2004) 29
圖2.21 加勁層數與土壤承載力和沉陷之關係(取自Radhey,2004) 30
圖2.22 加勁材間距與砂柱試體膨脹量之關係(取自Radhey,2004) 30
圖2.23 水準加勁下之應力-應變-體積應變關係(取自蔡伊雯,2007) 31
圖2.24 應力-應變之雙曲線模式 31
圖2.25 加勁材料束縛應力分析示意圖(取自林賢欽,1998) 32
圖2.26 數值模型設定(取自Murugesan & Rajagopal,2006) 33
圖2.27 不同加勁材勁度下對砂樁之側向膨脹率之影響 34
(取自Murugesan & Rajagopal,2006) 34
圖2.28 不同砂樁尺寸與側向膨脹抑制率之關係 34
(取自Murugesan & Rajagopal,2006) 34
圖3.1 FLAC程式計算流程 54
圖3.2 試驗砂之粒徑分佈曲線 54
圖3.3 試驗砂之應力-應變-體積變化曲線 55
圖3.3 試驗砂之應力-應變-體積變化曲線(續) 56
圖3.4 土壤彈性模數與圍壓之關係 57
圖3.5 土壤柏松比與圍壓之關係(取自朱志峯,2006) 58
圖3.6 不同圍壓下,發揮摩擦角與累積塑性剪應變之關係 59
圖3.6 不同圍壓下,發揮摩擦角與累積塑性剪應變之關係(續) 60
圖3.7 尖峰軸差應力下累積塑性剪應變與圍壓之關係 61
圖3.8 發揮膨脹角與累積塑性剪應變之關係 62
圖3.8 發揮膨脹角與累積塑性剪應變之關係(續) 63
圖3.9 初始膨脹下累積塑性剪應變與圍壓之關係 64
圖3.10 尖峰膨脹角下累積塑性剪應變與圍壓之關係 64
圖3.11 加勁材於0.24 mm/min速率下之拉伸結果 65
圖3.11 加勁材於0.24 mm/min速率下之拉伸結果(續) 66
圖3.12 單軸拉伸時材料之頸束現象(取自Giroud,2004) 67
圖3.13 砂土三軸數值模型示意圖 68
圖3.14 Mohr-Coulomb模式下,彈性完全塑性砂土三軸之應力-應變-體積變化 69
圖3.15 不同壓縮速率下之系統不平衡力 70
圖3.16 數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖 71
圖3.16 數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖(續) 72
圖4.1 外包加勁三軸數值模型示意圖 89
圖4.2 介面元素示意圖 90
圖4.3 土壤-加勁材介面直剪試驗結果 91
圖4.4 不同介面剪勁度之分析結果 92
圖4.5 土壤-加勁材介面摩擦角 93
圖4.6 外包加勁試體於不同壓縮速率下之不平衡力 94
圖4.7 Type1外包加勁試體之應力-應變-體積應變關係 95
圖4.8 Type2外包加勁試體之應力-應變-體積應變關係 96
圖4.9 Type3外包加勁試體之應力-應變-體積應變關係 97
圖4.10 Type4外包加勁試體之應力-應變-體積應變關係 98
圖4.11 Type2加勁與未加勁試體之應力-應變-體積變化 99
圖4.12 加勁試體之徑向應變-軸向應變關係 100
圖4.12 加勁試體之徑向應變-軸向應變關係(續) 101
圖4.13 加勁材提供之圍壓增量 102
圖4.13 加勁材提供之圍壓增量(續) 103
圖4.14 加勁材之環箍張力 104
圖4.14 加勁材之環箍張力(續) 105
圖4.15 加勁試體之圍壓應力比 106
圖4.15 加勁試體之圍壓應力比(續) 107
圖4.16 加勁試體之軸差應力比 108
圖4.16 加勁試體之軸差應力比(續) 109
圖4.17 加勁試體之體積應變抑制率 110

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照片目錄

照片2.1 外包加勁三軸試驗之試體照片(取自Al-Refeai,1985) 35
照片2.2 格框加勁試體(取自Rajagopal,1999) 35
照片2.3 試體破壞方式(取自Haeri,2000) 36
照片2.4 加勁纖維破壞方式(取自Radoslaw & Michalowski,2003) 36
照片3.1 試驗用矽砂顆粒形狀 73
照片4.1 砂土-加勁材介面直剪儀 111
照片4.2 加勁材介面直剪設置方式 112
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