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系統識別號 U0002-1207201222382300
中文論文名稱 變圍壓三軸試驗對外包加勁砂柱行為之模擬研究
英文論文名稱 Triaxial Test Simulation on Geosynthetic-Encapsulated Sand Column Behavior
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 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 孫強森
研究生英文姓名 Chiang-Sen Sun
電子信箱 johnson80005@yahoo.com.tw
學號 698380150
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-26
論文頁數 106頁
口試委員 指導教授-吳朝賢
委員-楊國鑫
委員-洪勇善
中文關鍵字 尺寸效應  砂石樁  外包加勁  地工合成材  三軸試驗  變圍壓 
英文關鍵字 size effect  granular column  reinforced  geosynthetic  triaxial test  converted confining pressure 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 砂石樁通常用於土壤改良,目的為使基地土壤足以承受上部載重。而眾多土壤改良工法當中,砂石樁改良法施工迅速,除了可以傳遞荷重外,並能加速地盤排水及減少土壤沉陷。砂石樁雖可承受軸向力,但於樁體上部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,以提高砂石樁之承載能力。地工合成材具有柔性和抗張能力,多年來已逐漸被應用於砂石樁之加勁用途,研究結果顯示以地工合成物加勁砂石樁後,可有效提高砂石樁之承載力,並減少樁體的側向膨脹。
本研究利用三軸試驗,探討以變化圍壓的方式代替外包加勁材料於砂柱試體的可行性。本試驗對三種直徑試體(5、7和10 公分),進行外包加勁材料後於固定艙壓下施加軸力;及對未加勁試體於變化圍壓下施加軸力。變化之圍壓乃是從外包加勁試體進行三軸試驗中,所量測之體積應變推估所得。把推估的束縛應力視成加勁材的效應,並依據每軸應變階段之束縛應力增量,施加到未加勁的試體中,試驗當中量測軸差應力與體積應變,最後與外包加勁試驗結果做比較,以觀察變圍壓試驗是否可以模擬外包加勁試驗之應力-應變及體積關係。
研究結果顯示,隨著初始艙壓由20 kPa增到200 kPa,變圍壓試驗之軸應力比外包加勁結果由高估到低估,最大高估值與最大低估值分別都在直徑5公分試體,以軸應變25%為基準,最大相對差異為 33%。體積應變則均可模擬相同趨勢,以外包加勁三軸試驗之體積應變為基準,其相對差異在9%以內。試體直徑越大,以變圍壓方式模擬外包加勁砂柱之效果越好,在25%軸應變時,直徑10 公分試體之軸應力差異皆小於14%。由此顯示變圍壓方式可代替對外包加勁試體進行三軸試驗,試體直徑越大其試驗結果之代表性越好。
英文摘要 Encasing the cylindrical granular column with tensile resistant material is proven an effective practice to improve granular column strength. In the laboratory, the triaxial compression test was employed to conduct tests on encased granular column to study the reinforcing effect of the tensile resistant material. This study explores the behavior of geosynthetic-encased sand columns using simplified approach to reduce laborious experimental efforts. The encased column behavior is simulated by applying persistently increased chamber pressure to the column specimen. Triaxial compression tests were conducted on three diameters of column specimens, 5, 7 and 10 cm to study scale effect. The test results indicate that the simplified approach simulates larger diameter encased column well.
論文目次 目錄
目錄 I
圖目錄 V
表目錄 IX
照片目錄 XI
第一章 緒論 1
1-1 研究目的與動機 1
1-2 研究方法 1
1-3 研究架構與內容 2
第二章 文獻回顧 5
2-1 砂石樁工法 5
2-1-1 擠壓砂樁工法 6
2-1-2 震動揚實法 7
2-1-3 礫石樁工法 7
2-1-4 孔穴置入法 8
2-2 三軸試體之體積變化 9
2-3 相關加勁砂土之三軸試驗研究 10
2-4 加勁試體之破壞機制 23
2-5 三軸試體尺寸效應 24
第三章 試驗計劃與內容 31
3-1 試驗材料之基本性質 31
3-1-1 試驗砂土之基本性質 31
3-1-2 加勁材料基本性質 33
3-2 試驗儀器與設備 34
3-2-1 ELE Tri-Flex 2靜態三軸試驗儀 34
3-2-2 改良體積應變量測裝置 42
3-2-3 電腦系統萬能材料試驗儀 44
3-3 儀器校正 46
3-3-1 應力環校正 46
3-3-2 控壓系統量管校正 48
3-3-3 體積量測系統校正 48
3-4 加勁材拉伸試驗敘述 51
3-5 試驗施作程序 54
3-5-1 外包加勁膜之製作 54
3-5-2 試體準備與製作 56
3-5-3 控壓系統操作方法 61
第四章 試驗結果與討論 63
4-1 加勁材基本性質試驗 63
4-1-2 加勁材寬幅拉伸試驗 63
4-1-3 縫合後加勁材寬幅拉伸試驗 65
4-2 靜態三軸試驗 66
4-2-1 未加勁試體之三軸試驗 67
4-2-2 加勁試體之三軸試驗 71
4-2-3 圍壓增量推估 76
4-3 變圍壓靜態三軸試驗 80
4-3-1 5公分直徑砂柱之變圍壓結果分析 80
4-3-2 7公分直徑砂柱之變圍壓結果分析 85
4-3-3 10公分直徑試體之變圍壓結果分析 90
4-3-4 三種尺寸下之應力路徑p-q圖與模擬差異比較 95
4-3-5 三種尺寸之試驗結果討論 98
4-4 加勁材厚度變化 100
第五章 結論與建議 103
5-1 結論 103
5-2 展望與建議 104
參考文獻 105

圖目錄
圖1-1 研究流程圖 3
圖2-1 砂石樁破壞形式(取自Brauns,1987) 6
圖2-2 擠壓砂樁工法(Aboshi and Suematsu,1985) 6
圖2-3 震動揚實法(取自Baumann & Bauer,1974) 7
圖2-4 礫石樁法(取自Baumann & Bauer,1974) 8
圖2-5 孔穴置入法(取自Datye & Nagaraju,1975) 8
圖2-6 影響體積應變量測系統的因素(摘自Georgopoulos and Vardoulakis,2005) 9
圖2-7 橡皮膜貫入效應(重繪自Head,1986) 10
圖2-8 外包加勁試體試驗結果(取自Al-Refeai,1985) 11
圖2-9 單一隔框與複數格框之配置(取自Rajagopal,1999) 12
圖2-10 不同材質格框加勁試體之應力-應變曲線(取自Rajagopal,1999) 13
圖2-11 不同加勁材料之試驗結果p-q圖(取自Rajagopal,1999) 14
圖2-12 加勁與未加勁試體液化潛能評估結果(取自Krishnaswamy & Isaac,1995) 15
圖2-13 粗細粒料加勁試體試驗結果(取自Radoslaw&Michalowski,2003) 16
圖2-14 纖維加勁三軸試體之破壞包絡線(取自Radoslaw,2003) 18
圖2-15 不同纖維含量試體之應力-應變曲線(取自Wang,2000) 19
圖2-16 加勁織物安置方式(取自Haeri,2000) 20
圖2-17 加勁安置位置與軸差壓力之關係(取自Haeri,2000) 20
圖2-18 不同水平加勁試體之三軸剪力試驗結果(取自Broms,1977) 21
圖2-19 黏土層之加勁砂柱試體試驗(取自Radhey,2004) 22
圖2-20 加勁層數與土壤承載力和沉陷之關係(取自Radhey,2004) 22
圖2-21 加勁層數與砂柱式體膨脹量之關係(取自Radhey,2004) 23
圖2-22 不同加勁層數試體試驗結果(取自Chandrasekaran,1989) 25
圖2-23 不同試體尺寸之三軸試驗結果(取自Wei et al.,2011) 28
圖2-24 岩石材料三軸試驗結果(取自Wei et al.,2011) 29
圖2-25 岩石材料三軸試驗後粒徑分佈圖(取自Wei et al.,2011) 29
圖3-1 渥太華標準砂粒徑分怖曲線 32
圖3-2 加勁材未縫合之張力-應變曲線 33
圖3-3 三軸室構造(取自ELE OPERATING INSTRUCTIONS) 36
圖3-4 主要控制面板(取自ELE OPERATING INSTRUCTIONS) 37
圖3-5 荷重架操作面板(取自ELE OPERATING INSTRUCTIONS) 37
圖3-6 荷重架後方配置(取自ELE OPERATING INSTRUCTIONS) 38
圖3-7 荷重架(取自ELE OPERATING INSTRUCTIONS) 38
圖3-8 應力環(取自ELE OPERATING INSTRUCTIONS) 39
圖3-9 產生體積變化之因素 43
圖3-10 萬能試驗儀儀器結構 44
圖3-11 改良式夾具 45
圖3-12 應力環校正 47
圖3-13 體積量測系統校正-S管 49
圖3-14 體積量測系統校正-M管 49
圖3-15 體積量測系統校正-L管 50
圖3-16 不織布寬幅拉伸試驗試片規格 52
圖3-17 不織布縫合處寬幅拉伸試驗試片規格 52
圖3-18 外包不織布縫合方式 55
圖4-1 未縫合與縫合加勁材寬幅拉伸試驗結果 64
圖4-2 渥太華砂未加勁 5 公分試體之應力-應變及體積關係 68
圖4-3 渥太華砂未加勁 7 公分試體之應力-應變及體積關係 69
圖4-4 渥太華砂未加勁 10 公分試體之應力-應變及體積關係 70
圖4-5 渥太華砂加勁 5 公分試體之應力-應變及體積關係 72
圖4-6 渥太華砂加勁 7 公分試體之應力-應變及體積關係 73
圖4-7 渥太華砂加勁 10 公分試體之應力-應變及體積關係 74
圖4-8 外包加勁5 公分試體軸向應變與徑向應變關係 77
圖4-9 外包加勁7 公分試體軸向應變與徑向應變關係 77
圖4-10 外包加勁10 公分試體軸向應變與徑向應變關係 78
圖4-11 外包加勁5 公分試體軸向應變與圍壓增量關係 78
圖4-12 外包加勁7 公分試體軸向應變與圍壓增量關係 79
圖4-13 外包加勁10 公分試體軸向應變與圍壓增量關係 79
圖4-14 渥太華砂, 5公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係
比較(圍壓=20kPa) 81
圖4-15 渥太華砂, 5公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係比較(圍壓=50kPa) 82
圖4-16 渥太華砂, 5公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係比較(圍壓=100kPa) 83
圖4-17 渥太華砂, 5公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係
比較(圍壓=200kPa) 84
圖4-18 渥太華砂, 7公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係
比較(圍壓=20kPa) 87
圖4-19 渥太華砂, 7公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係
比較(圍壓=50kPa) 88
圖4-20 渥太華砂, 7公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係
比較(圍壓=100kPa) 89
圖4-21 渥太華砂, 7公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係
比較(圍壓=200kPa) 90
圖4-22 渥太華砂, 10公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係
比較(圍壓=20kPa) 92
圖4-23 渥太華砂, 10公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係
比較(圍壓=50kPa) 93
圖4-24 渥太華砂, 10公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係
比較(圍壓=100kPa) 94
圖4-25 渥太華砂, 10公分直徑試體變圍壓與外包加勁之應力-應變及體積關係
比較(圍壓=200kPa) 95
圖4-26 5公分 直徑試體變圍壓與外包加勁試驗之應力路徑p-q圖 95
圖4-27 7公分 直徑試體變圍壓與外包加勁試驗之應力路徑p-q圖 96
圖4-28 10公分 直徑試體變圍壓與外包加勁試驗在之應力路徑p-q圖 97
圖4-29 加勁材正向應力與厚度關係圖 100
圖4-30 不同織物厚度之變化(摘自 Ennio M. P. and Maria G. G.,2002 ) 101

表目錄
表1-1 論文章節大綱 2
表3-1 三軸室規格 39
表3-2 荷重架機件規格 40
表3-3 萬能材料試驗機機件規格 45
表4-1 未加勁試體尖峰軸差應力、軸應變25 %之體積應變量與摩擦角 67
表4-2 渥太華砂加勁試體各軸應變階段下之軸差應力 75
表4-3 渥太華砂加勁三軸試驗各軸應變階段下之體積應變 75
表4-4 軸應變25%下外包加勁與變圍壓之軸差應力差異百分比 80
表4-5 軸應變25%下外包加勁與變圍壓之體積應變差異百分比 80
表4-6 軸應變25%下外包加勁與變圍壓之軸差應力差異百分比 85
表4-7 軸應變25%下外包加勁與變圍壓之軸差應力差異百分比 85
表4-8 軸應變25%下外包加勁與變圍壓之軸差應力差異百分比 90
表4-9 軸應變25%下外包加勁與變圍壓之體積應變差異百分比 90
表4-10為各尺寸各圍壓軸向應變25 %軸差應力相對差異 97
表4-11為各尺寸各圍壓軸向應變25 %體積應變相對差異 97
表4-12三種試體尺寸未加勁與加勁三軸試驗在25% 軸應變之體積應變比較 99

照片目錄
照片2-1 試驗前後之試體照片(取自Al-Refeai,1985) 11
照片2-2 格框加勁試體(取自Rajagopal,1999) 13
照片2-3 加勁纖維破壞方式(取自Radoslaw&Michalowski,2003) 16
照片2-4 試體破壞方式(取自Haeri,2000) 24
照片2-5 不同試體尺寸之三軸試驗 (取自Wei et al.,2011) 26
照片2-6石灰岩石材料(取自Wei et al.,2011) 27
照片3-1渥太華砂顯微顆粒(25X) 32
照片3-2渥太華砂顯微顆粒(50X) 33
照片3-3 三軸艙室 40
照片3-4 控壓系統操作面板 41
照片3-5荷重架 41
照片3-6 應力環 42
照片3-7 改良體積應變量測裝置 43
照片3-8 萬能材料試驗機 46
照片3-9 應力環架校正 47
照片3-10 體積變化儀校正方式 50
照片3-11 加勁材寬幅拉伸試驗配置圖 53
照片3-12 縫合加勁材寬幅拉伸試驗配置圖 53
照片3-13 縫合完成之外包加勁膜 56
照片3-14 止水環密合度 58
照片3-15 橡皮模抽真空密合度 58
照片3-16 外包加勁膜密合度 59
照片3-17 顆粒狀砂土填裝示意圖 59
照片3-18 試體頂部密封 60
照片3-19 試體製作完成 60
照片3-20 試體架設完成 61
照片4-1 未縫合加勁材寬幅拉伸試驗圖 64
照片4-2 縫合加勁材寬幅拉伸試驗圖 65
照片4-3 三軸試體頂蓋及底座貫入現象 66
照片4-4 加勁試體試驗照片 71
參考文獻 1.蔡君平(2006),「地工合成物包裹砂柱試體之應力-應變行為探討」,碩士論文,淡江大學土木研究所,台北。
2.魏照榮(2009),「地工合成物包裹砂柱試體之尺寸效應探討」,碩士論文,淡江大學土木研究所,台北。
3.Aboshi, H. and Suematsu, N. (1985). Sand compaction pile method: state-of-the-art paper. Proc. 3rd Int. Sem. Soil Improvement Methods, Singapore, 1–12.
4.Al-Refeai, T., (1985), “Constitute Behavior of Fabric vs. Fiber Reinforced Sand,” Ph. D. Thesis, The University of Michigan, Ann Arbor, Michigan.
5.Baumann, V. and Bauer, G.E.A. (1974), “The Performance of Foundation on Various Soils Stabilizes by the Vibro-Compaction Method”. Can. Geotech. J., Vol.11, pp.509-530
6.Bergado, D. T., Chai, J. C., Alfaro, M.C. and Balasubremaniam, A. S., (1992), “Improvement Techniques of Soft Ground in Subsiding and Lowland Environment”, Division of Geotechnical and Transportation Engineering, Asian Institute of Technology, Bangkok Thailand,pp.56-60.
7.Brauns, J., (1978), “Initial Bearing Capacity of Stone Columns and Sand Piles,” Symposium on Soil Reinforcing and Stabilizing Techniques, Sydney, Australia, pp.477-496.
8.Broms, B.B., (1977), “Triaxial Tests with Fabric-reinforced Soil,” Proceedings of the International Conference on the Use of Fabric in Geotechnics, Vol. 3, pp. 129-134.
9.Chandrasekaran, B., Broms, B. and Wong, K.S., (1989), “Strength of Fabric Reinforced Sand under Axi-symmetric Loading,” Geotextiles and Geomembranes, Vol. 8, pp. 293-310.
10.Datye, K.R. and Nagaraju, S.S., (1981). “Design Approach and Field Control for Stone Columns”. Proc. 10th Intl. Conf. On Soil Mech. Found. Eng’g., Stockholm.
11.Gray, D.H., and Al-Refeai, T., (1986), “Behavior of Fabric vs. Fiber-reinforced Sand,” Journal of Geotechnical Engineering Division, Vol. 112, No. 8, pp. 804-820.
12.Georgopoulos, I.O. and Vardoulakis, I., (2005), “Corrections on the Specimen Volume Change and Axial Force in the Wykeham Farrance Triaxial Cell”, Internal Report, NTU, Athens, Greece.
13.Head, K. H., (1986), “Manual of Soil Laboratory Testing,” Vol.3, John Wiley & Sons, New York, U.S.A.
14.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.
15.Hughes, J.M.O., and Withers, N.J., (1974), “Reinforcing of Soft Cohesive Soils with Stone Columns,” Ground Engineering, Vol. 7, pp. 42-49.
16.Krishnaswamy, N.R. and Isaac, N.T., (1995), “Liquefaction Analysis of Saturated Reinforced Granular Soils,” Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 121, No. 9, pp. 645-651.
17.Radoslaw, L. and Michalowski, F., (2003), “Triaxial Compression of Sand Reinforced with Fibers,” J. Geotech. and Geoenvir. Engrg., Vol. 129, No. 2, pp. 125-136.
18.Radhey S., (2004), “Compressive Load Response of Granular Piles Reinforced with Geogrids,” Canadian Geotechnical Journal, Vol. 41, pp. 187–192.
19.Rajagopal, K., Krishnaswamy, N.R. and Madhavi Latha, G., (1999), “Behaviour of Sand Confined with Single and Multiple Geocells,” Geotextiles and Geomembranes, Vol.17, pp.171-184.
20.ThorBurn,S.,(1975), “Building Structures Supported by Stabilized Ground,” Geotechnique, Vol.25, No.1,pp.83-94
21.Wang, Y., Frost, J.D., Murray, J.J., and Jones, A., (2000), “Properties and Applications of Soil Reinforced With Recycled Fibers,” Proceedings of R’2000, 5th World Congress on Integrated Resources Management, Toronto, Canada.
22.Ennio, M.P. and Maria, G.G., (2002), “Drainage and filtration properties of non-woven geotextiles under confinement using different experimental techniques,”Vol. 20, pp. 97-115.
23.Hu, W., Dano, C., Hicher, P-Y., Touzo, J-Y. L., Derkx, F., and Merliot, E., (2011), “Effect of Sample Size on the Behavior of Granular Materials,” Geotechnical Testing Journal, Vol. 34, No. 3, Paper ID GTJ103095.
論文使用權限
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