軟弱地盤為了增加土壤承載力常採用土壤改良方法，而砂柱具備施工快且經濟的地盤改善優勢。近幾十年來，已證實除了可提高土壤承載力、加速黏土層壓密沉陷外，亦可以有效地降低地盤液化的潛能。傳統砂柱雖然可承受上方構造物給予的軸力及剪力，但砂柱應用於軟弱黏土層時，砂柱樁體上部分易因周圍軟弱土壤提供的束制力不足而產生腫脹破壞。利用具有抗張特性的地工合成材包裹砂柱外圍，以增大砂柱的束縛應力，提升砂柱承載能力，即為可行且有效的解決方法。
    本研究針對軟弱黏土層中外包加勁砂柱的應用進行模型試驗，探討砂柱經外包加勁方式所提升的承載能力。為使模型試驗能夠符合現地真實行為，透過模型相似律之因次分析，選擇適當的模擬材料及尺寸。試驗內容分別以5種不同勁度的加勁材進行模型試驗，以探討不同加勁材張力特性對軟弱黏土層中加勁砂柱的載重-變形行為。除外包加勁外，也進行純黏土、純砂土及無加勁砂柱等承載力試驗，以作為加勁後砂柱力學行為的比較。
    模型試驗結果顯示，外包加勁的方式確實能有效地提高軟弱黏土中砂柱的承載性能，其中加勁材勁度越高，柱體側向擴張越小，承載力越大。而低強度且延展性較差的加勁材料，加載過程中可能因加勁材張力破壞，柱體大幅側向擴張，使得承載力因而衰減。
    此外，本研究基於孔穴擴張理論，以解析方式詮釋外包加勁砂柱於軟弱黏土層中是如何獲得圍束應力，使得砂柱試體能夠抵抗上方載重的施加。砂柱側向應力的提供除來自於周圍土壤外，主要利用砂柱本身的側向擴張，引致外包加勁材發揮環箍張力，因而提供砂柱圍束應力，增加砂柱的承載性能。分析結果與試驗觀測相近，提供業界應用於外包加勁砂柱工程設計的參考。

In order to increase the bearing capacity is often used the soil improvement methods in soft ground. The sand column is a rapid and cost-effective construction method for improvement of weak soils. In recent decades, the sand column has been verified can effectively providing higher load-carrying capacity, accelerating soil consolidation, and reducing the liquefaction potential. However, insufficient lateral support at a shallow column depth often caused bulging failure in the top portion of the column. The bearing capacity of a sand column is increased by encapsulating the column with geosynthetics that is feasible and effective solution.
    In this study, the model tests on single geosynthetic-encased sand columns installed in very soft clay was used. In order to the model test results correspond with the field columns behavior. Selecting the appropriate modeling material through dimensional analysis method of model similar law is used. The model tests were conducted on five different stiffness reinforcement for encased sand columns. The clay layer, sand layer, and un-reinforcement column for load - deformation behavior was also evaluated.
    The model test results show that encased sand columns can be significantly to enhance the bearing capacity on soft clay. The higher stiffness of the reinforcement caused the smaller the lateral expansion of the column and the larger carrying capacity. The relative assessment of the load-carrying capacity for different reinforcement and a contrasting evaluation of column failure mechanism in the different cases, are salient features of this study.
    In addition, exactly how to get the variation of confining stress in soft clay layer is interpret based on the theory of cavity expansion. The increase in axial deformation causes lateral column expansion and compression of the surrounding soft clay, subsequently causing circumferential stress from the reinforcement; meanwhile, compression of the surrounding clay induces additional earth pressure to act on the column. The analytical results close to the experimental observations. This study provides the estimation of bearing capacity for encased sand columns in soft clay layer.

章節目錄
章節目錄	I
圖目錄	III
表目錄	IX
第一章	緒論	1
1.1	研究動機與目的	1
1.2	研究方法	3
1.3	研究內容	4
第二章	文獻回顧	6
2.1	砂柱工法	7
2.2	砂柱試體外包加勁之研究	8
2.3	外包加勁試體的破壞方式	12
2.4	外包砂柱模型試驗	14
第三章	儀器設備與試驗內容	21
3.1	試驗計畫	21
3.2	試驗儀器設備介紹	23
3.2.1	實驗室十字片剪力試驗儀	23
3.2.2	拉伸試驗儀	30
3.2.3	模型試驗儀	34
3.3	試驗內容與試驗方法	49
3.3.1	砂土與黏土之基本物理性質試驗	49
3.3.2	黏土十字片剪試驗	50
3.3.3	地工合成材寬幅拉伸試驗	51
3.3.4	砂柱模型試驗	59
第四章	試驗結果與分析	72
4.1	砂土與黏土基本物理性質試驗結果	72
4.2	地工合成材寬幅拉伸試驗結果	76
4.2.1	地工合成材基本性質	79
4.2.2	地工合成材單向拉伸試驗結果	80
4.2.3	拉伸試驗後織物的永久變形量	93
4.3	砂柱模型試驗結果	98
4.3.1	模型試驗之模型相似律	98
4.3.2	模型試驗之基本性質參數	100
4.3.3	模型試驗之結果	102
4.4	外包加勁砂柱承載力分析	131
4.4.1	外包加勁材提供的圍束應力	131
4.4.2	軟弱黏土提供圍束應力	133
4.4.3	承載力分析結果	137
第五章	結論與建議	140
5.1	結論	140
5.2	建議	142
參考文獻	143
附錄一  各個模型試驗十字片剪試驗結果	147
附錄二  十字片剪試驗剪力模數分析結果	160

圖目錄
圖 1.1 一般砂柱之受力狀態與破壞示意圖	2
圖 1.2 外包加勁砂柱之受力狀態與淺層膨脹示意圖	2
圖 1.3 研究流程圖	5
圖 2.1 砂柱破壞型式 (Brauns, 1978)	7
圖 2.2 外包加勁試體照片(Al-Refeai, 1985)	9
圖 2.3 外包加勁砂柱試驗結果(Al-Refeai, 1985)	9
圖 2.4 單一格框與複數格框的配置(Rajagopal et al., 1999)	10
圖 2.5 格框加勁試體(Rajagopal et al., 1999)	10
圖 2.6 不同材質格框加勁試體之應力-應變曲線(Rajagopal et al., 1999)	11
圖 2.7 不同加勁材料之試驗結果p-q圖(Rajagopal et al., 1999)	11
圖 2.8 縫合處應力集中現象 (蔡君平, 2006)	13
圖 2.9 模型試驗試體照片(Murugesan & Rajagopal, 2007)	15
圖 2.10 模型試驗示意圖(Murugesan & Rajagopal, 2007)	15
圖 2.11 不同勁度加勁材之模型試驗結果(Murugesan & Rajagopal, 2007)	16
圖 2.12 不同直徑砂柱之加勁效果(Murugesan & Rajagopal, 2007)	16
圖 2.13 模型試驗之試驗方法(Ali et al., 2012)	17
圖 2.14 模型試驗之試驗結果(Ali et al., 2012)	17
圖 2.15 砂柱試體變形照片(Ali et al., 2012)	18
圖 2.16 模型試驗桶示意圖 (Murugesan & Rajagopal, 2010)	19
圖 2.17不同勁度加勁材之模型試驗結果(Murugesan & Rajagopal, 2010)	19
圖 2.18群樁試驗照片 (Murugesan & Rajagopal, 2010)	20
圖 2.19單一砂柱與群體砂柱試驗比較 (Murugesan & Rajagopal, 2010)	20
圖 3.1 研究試驗流程圖	22
圖 3.2 實驗室十字片剪力試驗儀示意圖 (Heal, 1982)	25
圖 3.3 實驗室十字片剪力試驗儀	26
圖 3.4 實驗室十字片剪力試驗儀之扭力彈簧圈	27
圖 3.5 扭力彈簧校正圖(ELE校正率定書)	27
圖 3.6 實驗室十字片剪力試驗儀之十字葉片	28
圖 3.7 實驗室十字片剪力試驗儀之圓形刻度盤	29
圖 3.8 實驗室十字片剪力試驗儀設備	29
圖 3.9 萬能拉伸試驗機構造示意圖	31
圖 3.10 萬能拉伸試驗機	31
圖 3.11 拉伸試驗儀右柱之刻度量尺	32
圖 3.12 電腦控制裝置軟體畫面	33
圖 3.13 拉伸試驗儀感應元件(荷重元)	33
圖 3.14 砂柱模型試驗示意圖	36
圖 3.15 砂柱模型試驗局部示意圖	37
圖 3.16 模型試驗圓桶(內徑20cm)	38
圖 3.17 模型試驗圓桶(內徑30cm)	38
圖 3.18 模型試驗圓桶(內徑40cm)	39
圖 3.19 模型試驗圓桶(內徑50cm)	39
圖 3.20 模型試驗儀底板裝置	40
圖 3.21 試驗底板中央突起金屬卡榫	40
圖 3.22 模型試驗反力架	41
圖 3.23 反力架底部荷重元連接處	41
圖 3.24 模型試驗用S型荷重元	42
圖 3.25 荷重元(250 lb)校正係數圖	42
圖 3.26 荷重元(500 kgf)校正係數圖	43
圖 3.27 模型試驗承載桿	43
圖 3.28 模型試驗用砂柱頂部土壓計	44
圖 3.29 模型試驗用砂柱底部土壓計	44
圖 3.30 土壓計(1000 kPa)校正係數圖	45
圖 3.31 土壓計(200 kPa)校正係數圖	45
圖 3.32 模型試驗用電子式位移計	46
圖 3.33 電子式位移計校正曲線	46
圖 3.34 模型試驗用雷射位移計	47
圖 3.35 雷射位移計校正曲線	47
圖 3.36 數據擷取器	48
圖 3.37 數據擷取器之操作畫面	48
圖 3.38 九種試驗地工合成材	53
圖 3.39 寬幅拉伸試驗流程圖	54
圖 3.40 地工合成材拉伸試體(未縫合)	55
圖 3.41 地工合成材拉伸試體(縫合)	55
圖 3.42 縫合方式(縫線距離較近，GT1>2)	56
圖 3.43 縫合方式(縫線距離較寬，GT3)	56
圖 3.44 地工合成材架設情形	57
圖 3.45 地工合成材架設情形(拉伸與殘餘應變關係試驗)	58
圖 3.46 砂柱模型試驗流程圖	62
圖 3.47 拌合後黏土與攪拌器	63
圖 3.48 地工合成材套在壓克力管	64
圖 3.49 壓克力套管固定於模型試驗桶內	65
圖 3.50 壓克力套管與反力架連接	65
圖 3.51 將軟弱黏土填入模型試驗桶內	66
圖 3.52 將軟弱黏土利用鏝刀工具抹平	66
圖 3.53 倒入控制重量後的石英砂	67
圖 3.54 往上提升壓克力套管	67
圖 3.55 利用搗桿搗實砂柱試體	68
圖 3.56 利用工具將表面打毛	68
圖 3.57 裝設荷重元、頂部土壓計、承載板與雷射位移計	69
圖 3.58 架設雷射位移計	69
圖 3.59 沉陷量為50mm的照片	70
圖 3.60 利用十字片剪試驗儀測定不排水剪力強度	70
圖 3.61 挖除周圍軟弱黏土	71
圖 3.62 量測砂柱試體徑向應變	71
圖 4.1 黏土粒徑分布曲線圖	73
圖 4.2 不排水剪力強度與含水量的關係	74
圖 4.3  No.201石英砂粒徑分布曲線	75
圖 4.4 編號A至H地工合成材拉伸試驗結果	77
圖 4.5 NW1針軋不織布拉伸試驗結果	77
圖 4.6 地工合成材的方向性	83
圖 4.7 GT1MD單向拉伸試驗結果	84
圖 4.8 GT1XD單向拉伸試驗結果	84
圖 4.9 GT2MD單向拉伸試驗結果	85
圖 4.10 GT2XD單向拉伸試驗結果	85
圖 4.11 GT3MD單向拉伸試驗結果	86
圖 4.12 GT1MD未縫合試體張力破壞照片	87
圖 4.13 GT1MD縫合試體張力破壞照片	87
圖 4.14 GT1XD織物尺寸照片	88
圖 4.15 GT1XD未縫合試體張力破壞照片	88
圖 4.16 GT1XD縫合試體張力破壞照片	89
圖 4.17 GT2MD未縫合試體張力破壞照片	89
圖 4.18 GT2MD縫合試體張力破壞照片	90
圖 4.19 織物緊縮的特性	90
圖 4.20 GT2XD未縫合試體張力破壞照片	91
圖 4.21 GT2XD縫合試體張力破壞照片	91
圖 4.22 GT3MD未縫合試體張力破壞照片	92
圖 4.23 GT3MD縫合試體張力破壞照片	92
圖 4.24 GT1XD拉伸應變與殘餘應變的關係	95
圖 4.25 GT2XD拉伸應變與殘餘應變的關係	95
圖 4.26 GT1MD拉伸應變與殘餘應變的關係	96
圖 4.27 GT2MD拉伸應變與殘餘應變的關係	96
圖 4.28 GT3MD拉伸應變與殘餘應變的關係	97
圖 4.29 十字片剪試驗結果	101
圖 4.30 邊界效應對承載力的影響	108
圖 4.31 直徑20公分試驗桶的邊界影響	108
圖 4.32 直徑30公分試驗桶的邊界影響	109
圖 4.33 直徑40公分試驗桶的邊界影響	109
圖 4.34 直徑50公分試驗桶的邊界影響	110
圖 4.35 純黏土承載力試驗結果	111
圖 4.36 純砂土承載力試驗結果	111
圖 4.37 剛性基礎板下應力分布示意圖	112
圖 4.38無加勁砂柱模型試驗結果(OSC1)	113
圖 4.39無加勁砂柱模型試驗結果(OSC2)	113
圖 4.40 無加勁砂柱試體頂部膨脹現象(OSC1)	114
圖 4.41 模型試驗應力轉嫁過程	114
圖 4.42 無加勁砂柱側向膨脹變形(OSC1)	115
圖 4.43 無加勁砂柱變形圖(OSC1)	115
圖 4.44 外包加勁模型試驗結果(ESC_GT1XD)	116
圖 4.45 外包加勁砂柱(GT1XD)與無加勁砂柱結果比較	116
圖 4.46 外包加勁砂柱側向膨脹變形(ESC_GT1XD)	117
圖 4.47 外包加勁砂柱變形圖(ESC_GT1XD)	117
圖 4.48 外包加勁砂柱試體頂部破壞現象(ESC_GT1MD)	118
圖 4.49 外包加勁模型試驗結果(ESC_GT1MD)	118
圖 4.50 外包加勁砂柱(GT1MD)與無加勁砂柱結果比較	119
圖 4.51 外包加勁砂柱側向膨脹變形(ESC_GT1MD)	119
圖 4.52 外包加勁砂柱變形圖(ESC_GT1MD)	120
圖 4.53 外包加勁模型試驗結果(ESC_GT2XD)	120
圖 4.54 外包加勁砂柱側向膨脹變形(ESC_GT2XD)	121
圖 4.55 外包加勁砂柱變形圖(ESC_GT2XD)	121
圖 4.56 外包加勁模型試驗結果(ESC_GT2MD)	122
圖 4.57 外包加勁砂柱側向膨脹變形(ESC_GT2MD)	122
圖 4.58 外包加勁砂柱變形圖(ESC_GT2MD)	123
圖 4.59 外包加勁模型試驗結果(ESC_GT3MD)	123
圖 4.60 外包加勁砂柱側向膨脹變形(ESC_GT3MD)	124
圖 4.61 外包加勁砂柱變形圖(ESC_GT3MD)	124
圖 4.62 黏土隆起示意圖(BCC4)	125
圖 4.63 砂土隆起示意圖 (BCS)	126
圖 4.64 黏土隆起示意圖(OSC1)	126
圖 4.65 黏土隆起示意圖(OSC2)	127
圖 4.66 黏土隆起示意圖(ESC_GT1XD)	127
圖 4.67 黏土隆起示意圖(ESC_GT1MD)	128
圖 4.68 黏土隆起示意圖(ESC_GT2XD)	128
圖 4.69 黏土隆起示意圖(ESC_GT2MD)	129
圖 4.70 黏土隆起示意圖(ESC_GT3MD)	129
圖 4.71 無加勁砂柱內部紅砂變形照片	130
圖 4.72 無加勁砂柱修正後體積變化	130
圖 4.73 砂柱變形與內部受力示意圖(Wu & Hong , 2009)	132
圖 4.74 形狀因子與十字葉片形狀的關係 (Biscontin & Pestana, 1999)	135
圖 4.75 剪力模數與扭轉角的關係	136
圖 4.76 試驗結果(14 mm)與解析結果比較	138
圖 4.77 試驗結果(尖峰強度)與解析結果比較	138

表目錄
表 3.1 扭力彈簧校正表(ELE校正率定書)	28
表 3.2 模型試驗研究實驗組合	61
表 4.1 黏土基本物理試驗結果	73
表 4.2 砂土基本物理試驗結果	75
表 4.3 地工合成材強度與勁度統整	78
表 4.4 地工合成材基本物理性質	79
表 4.5 寬幅拉伸試驗結果統整	83
表 4.6 原型與模型之無因次項比較表	99
表 4.7 模型試驗組合材料參數表	100
表 4.8 周圍黏土試驗後距中心140mm位置的隆起高度	125
表 4.9 軟弱黏土試驗結果(Yang et al., 2010)	135
表 4.10各試驗下黏土與加勁材提供的最大側向應力	139

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