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系統識別號 U0002-1801201308510100
中文論文名稱 軟弱黏土中外包加勁砂柱承載行為之數值模擬
英文論文名稱 Numerical Modeling of Geosynthetic-encapsulated Sand Columns on Loading-settlement Behavior in Soft Clay
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 101
學期 1
出版年 102
研究生中文姓名 郭建明
研究生英文姓名 Chien-Ming Kou
學號 699380118
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-01-08
論文頁數 181頁
口試委員 指導教授-洪勇善
委員-洪勇善
委員-吳朝賢
委員-蘇世豐
中文關鍵字 砂石樁  外包  地工合成材  軟弱黏土  數值模擬  乘載力 
英文關鍵字 sand column  encased  geosynthetics  soft clay  numerical modeling  bearing capacity 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 軟弱黏土因承載力不足,無法承受上部構造的載重,常需進行土壤改良以增加土壤的工程性質。在眾多改良方法中,砂石樁工法具備加速土層排水、減少液化潛能,以及增加承載力等優點。然,砂石樁於軟弱黏土中常因上部側向應力不足而產生腫脹破壞。為提高砂石樁之承載能力,以具抗張的加勁材包裹於砂石樁的外圍,不但可避免腫脹破壞,亦可因加勁材提供圍束應力而提升砂石樁的承載能力;在實務應用上已有許多成功案例。

本研究利用有限差分軟體FLAC撰寫數值分析程式,藉由分析結果探討軟弱黏土中外包加勁砂柱的力學行為。首先,透過砂土三軸試驗結果,以塑性理論非諧合流法則,建立砂石材料的剪脹力學行為模式;同時,由黏土壓密試驗結果,依據臨界狀態理論獲得黏土Modified Cam - clay model中之參數。另,由加勁材拉伸試驗與砂土-鋼板間之界面直剪試驗結果,分別描述張力-應變行為與界面剪向力學特性。依據實驗室模型試驗的邊界與條件,建立軟弱黏土中外包加勁砂柱承載行為的數值模型。經模擬各種外包加勁砂柱的模型試驗,數值分析結果皆與試驗值接近,亦可知軟弱土壤經置入外包加勁砂柱後,承載能力明顯提升;且當砂樁外包加勁材料勁度愈大時,柱體可承受之垂直壓力也愈高。

參數研究以現場實體尺寸為分析標的,分別探討邊界效應、砂石樁徑、加勁材勁度以及加載形式等,對外包加勁砂石樁承載行為的影響。數值分析結果剖析柱體變形、黏土側向壓力、加勁材徑向應變以及圍束應力等於受載過程中的變化。可知,砂石樁承載行為受邊界效應影響甚大,當邊界愈小,承載能力愈高,達20倍樁徑時已不受邊界的影響。另,樁徑愈小與加勁材勁度愈大,承載能力愈高。最後,承載能力也受加載形式不同而有所差異,當加載範圍愈大時,砂石樁受到垂直壓力也愈小。
英文摘要 Due to inadequate bearing capacity on soft clay often need to increase soil engineering properties through soil improvement. Granular columns are a common improvement technique for foundation embankments or structures on soft clay. This technique has been introduced into engineering practice to improve the bearing capacity, reduces the liquefaction potential of granular column foundations resting on the soft clay. However, granular columns may not be appropriate in very soft soils that do not provide enough lateral confinement to the columns. To increase the lateral confinement of the columns, and consequently their vertical capacity, encasing the columns with geosynthetics has been a successful solution in recent years.
In this study, the finite difference software FLAC is used to complete the numerical analysis. This numerical study investigates the behavior of geosynthetic-encased sand columns installed in soft ground. Base on an elastic-plastic constitutive model used with the non-associated flow rule, the shearing-dilatancy behavior of granular materials is characterised through laboratory triaxial tests. The parameters of Modified Cam-clay model are extracted from the consolidation tests. By using the tensile force-strain relation obtained from wide-width test, the reinforcement properties are obtained. The shear stiffness of interface between sand and steel plate is obtained via direct shear tests. According to the boundary conditions of the laboratory model tests, establish a numerical model for encased granular columns in soft clay. The proposed numerical method is validated through laboratory model tests on un-reinforced and encased sand columns in soft clay.
The clay boundary, column diameter, reinforcement stiffness and loading patterns influence encased column in soft clay response is also studied. Numerical results indicate the larger clay boundary the lower the bearing capacity of column. Up to 20 times the column diameter not effect the column bearing capacity. In addition, the larger column diameter or smaller the reinforcement stiffness result the lower the bearing capacity. Finally, the vertical pressure of column is smaller when the greater load range.
論文目次 目錄
目錄 I
圖目錄 V
表目錄 XII
照片目錄 XII
第一章 緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 研究方法 2
1-3 論文組織及研究內容 4
第二章 文獻回顧 7
2-1 砂石樁工法 8
2-1-1 砂石樁之破壞 8
2-2 外包加勁砂柱之實驗研究 10
2-3加勁砂柱試體應力-應變行為理論分析 15
2-3-1 砂柱試體應力-應變行為模擬 15
2-3-2外包加勁束縛應力 17
2-4 外包加勁砂柱之數值模擬分析 20
2-5 軟弱黏土層外包加勁砂柱之實驗研究 24
2-6 軟弱黏土層中外包加勁砂柱之數值模擬分析 29
第三章 砂土數值分析模式 35
3-1 數值分析主程式FLAC 35
3-1-1 FLAC簡介 35
3-1-2 FLAC基本運算原理 36
3-1-3 FLAC數值模擬步驟與流程 40
3-2 砂土塑性模式 41
3-3 砂土之數值分析參數 45
3-3-1 砂土材料基本性質 45
3-3-2 砂土數值參數 47
3-4 加勁材之數值分析參數 56
3-4-1 加勁材料基本性質 56
3-4-2 加勁材彈性模數與柏松比 56
3-5 砂土三軸數值模擬 63
3-5-1 數值網格、邊界、初始條件 63
3-5-2 程式驗證 65
3-5-3 砂土模擬與驗證 68
第四章 黏土數值分析模式 71
4-1劍橋黏土模式 71
4-1-1 增量彈性準則 71
4-1-2 降伏勢能函數 72
4-1-3 劍橋黏土模式之重要參數 72
4-2 黏土之數值分析參數 77
4-2-1 黏土基本性質 77
4-2-2 黏土數值參數 77
4-3 黏土壓密數值模擬 86
4-3-1 數值網格、邊界、初始條件 86
4-3-2 黏土壓密模擬與驗證 87
第五章 軟弱黏土中外包加勁砂柱之數值分析 89
5-1 黏土承載行為之數值模擬 89
5-1-1 數值網格、邊界、初始條件 89
5-1-2 數值模擬分析結果 90
5-2 土壤與加載鋼版間之界面性質 92
5-2-1 砂土-鋼版間之界面直剪試驗 92
5-2-2 砂土-鋼版之界面參數 94
5-2-3 黏土-鋼版之界面參數 97
5-3 軟弱黏土中砂柱承載行為之數值模擬 98
5-3-1 數值網格、邊界、初始條件 98
5-3-2 軟弱黏土中純砂柱承載行為之數值模擬 100
5-4 軟弱黏土中外包加勁砂柱承載行為之數值模擬 106
5-4-1 數值網格、邊界、初始條件 106
5-4-2 GT3_MD外包加勁砂柱承載行為之數值模擬 108
5-4-3 GT2_MD外包加勁砂柱承載行為之數值模擬 114
5-4-3 GT1_MD外包加勁砂柱承載行為之數值模擬 120
5-4-4 GT2_XD外包加勁砂柱承載行為之數值模擬 128
5-4-5 GT1_XD外包加勁砂柱承載行為之數值模擬 133
5-5 軟弱黏土中砂柱承載行為的比較 140
5-5-1 砂柱承載行為 140
5-5-2 黏土側向壓力與加勁材圍束應力 141
第六章 現地外包砂石樁承載行為之參數研究 143
6-1 黏土材料參數 143
6-1-1 黏土性質 143
6-1-2 黏土參數 145
6-2黏土之邊界效應 147
6-2-1 數值網格、邊界、初始條件 147
6-2-2 分析結果 149
6-3參數研究 151
6-3-1 參數研究規劃 151
6-3-2 數值網格、邊界、初始條件 152
6-3-3 加載深度 154
6-3-4 樁徑影響 155
6-3-5 加勁材勁度的影響 159
6-3-6 加載形式的影響 166
第七章 結論 173
參考文獻 179

圖目錄
圖1-1 研究計畫流程圖 6
圖2-1 砂石樁破壞形式 (取自 Brauns,1978) 9
圖2-2 外包加勁試體之應力-應變試驗結果 (取自Al-Refeai,1985) 11
圖2-3 單一隔框與複數格框之配置(取自Rajagopal et al.,1999) 12
圖2-4 不同材質蜂巢格框加勁試體之應力-應變曲線 (取自Rajagopal et al.,1999) 13
圖2-5 不同加勁材料之試驗結果p-q圖(取自Rajagopal et al.,1999) 13
圖2-6 不同勁度加勁材外包下之圍壓增量(取自蔡君平,2006) 14
圖2-7 不同勁度加勁材外包下之體積應變抑制率(取自蔡君平,2006) 14
圖2-8 應力-應變之雙曲線模式 16
圖2-9 加勁材料束縛應力分析示意圖(取自林賢欽,1998) 18
圖2-10 數值模型設定(取自Murugesan & Rajagopal,2006) 21
圖2-11 不同加勁材勁度下對砂樁之側向膨脹率之影響 (取自Murugesan & Rajagopal,2006) 22
圖2-12 不同砂樁尺寸與側向膨脹抑制率之關係 (取自Murugesan & Rajagopal,2006) 22
圖2-13 數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖 (取自黃振業,2009) 23
圖2-14 載重試驗模型示意圖(取自Murugesan & Rajagopal,2007) 25
圖2-15 外包石柱、傳統石柱與黏土之壓力-沉陷曲線 (取自Murugesan & Rajagopal,2007) 26

圖2-16 不織布地工合成外包材之環箍應變變化 (取自Murugesan & Rajagopal,2007) 27
圖2-17 不同外包材外包石柱之壓力-沉陷曲線 (取自Murugesan & Rajagopal,2007) 27
圖2-18 不織布部分外包石柱之效果 (取自Murugesan & Rajagopal,2007) 28
圖2-19 黏土床與石柱有限元素模型 (取自Malarvizhi & Ilamparuthi,2007) 30
圖2-20 不同壓力之石柱腫脹曲線(取自Malarvizhi & Ilamparuthi,2007) 30
圖2-21 外包加勁材環箍力變化 (取自Malarvizhi & Ilamparuthi,2007) 31
圖2-22 不同摩擦角之水平向位移-地工格網勁度曲線圖               (取自Malarvizhi & Ilamparuthi,2007) 31
圖 2-23 GESC-加勁土層之橫斷面 (取自Yoo & Kim,2009) 33
圖2-24 有限元素模型: (a) 軸對稱單一蜂巢室 (b) 3D柱模型            (c)全3D模型 (取自Yoo & Kim,2009) 33
圖2-25 不同填土高度路堤之砂石樁側向變形(取自Yoo & Kim,2009) 34
圖2-26 不同填土高度路堤之地工合成外包材之環箍應變               (取自Yoo & Kim,2009) 34
圖3-1 FLAC程式計算流程 39
圖3-2 試驗砂土之粒徑分佈曲線 46
圖3-3 No.201試驗砂之應力-應變-體積變化曲線 (取自朱志峯,2006) 47
圖3-4 土壤彈性模數與圍壓之關係 49
圖3-5 不同圍壓下發揮摩擦角與累積剪塑性應變之關係 51
圖3-6 尖峰軸差應力下累積剪塑性應變與圍壓之關係 52
圖3-7 發揮膨脹角與累積剪塑性應變之關係 53
圖3-8 初始膨脹下累積剪塑性應變與圍壓之關係 54
圖3-9 尖峰膨脹角下累積剪塑性應變與圍壓之關係 55
圖3-10 GT1_MD之單軸拉伸試驗結果 57
圖3-11 GT1_XD之單軸拉伸試驗結果 58
圖3-12 GT2_MD之單軸拉伸試驗結果 59
圖3-13 GT2_XD之單軸拉伸試驗結果 60
圖3-14 GT3_MD之單軸拉伸試驗結果 61
圖3-15 砂土三軸數值網格模型 64
圖3-16 Mohr-Coulomb彈性完全塑性砂土三軸應力-應變-體積變化 66
圖3-17 不同壓縮速率下之系統不平衡力 67
圖3-18 數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖 69
圖4-1 飽和黏土均向壓密之 曲線 73
圖4-2 飽和黏土之均向壓密與單向度壓密之 曲線 74
圖4-3 p-q平面內黏土之臨界狀態線 (取自Wood,1990) 75
圖4-4 壓密試驗儀設置方式 79
圖4-5 2.87 kPa載重加載下之對數時間-沉陷量讀數曲線 80
圖4-6 5.39 kPa載重加載下之對數時間-沉陷量讀數曲線 80
圖4-7 10.42 kPa載重加載下之對數時間-沉陷量讀數曲線 81
圖4-8 20.47 kPa載重加載下之對數時間-沉陷量讀數曲線 81
圖4-9 38.07 kPa載重加載下之對數時間-沉陷量讀數曲線 82
圖4-10 各階解載下之時間-回脹量讀數曲線 82
圖4-11 壓密試驗之 壓密曲線 83
圖4-12 參考壓力對應於正常壓密線與臨界狀態線上之比體積 84
圖4-13 座標平面內之臨界狀態線 (取自Wood,1990) 85
圖4-14 黏土壓密試驗之數值網格模型 86
圖4-15 黏土壓密試驗各階段載重下之累積沉陷量 88
圖5-1 黏土承載行為之數值分析網格 90
圖5-2 黏土承載行為之數值模擬結果 91
圖5-3 砂土-鋼版界面直剪試驗結果 95
圖5-4 不同正向應力下之剪勁度 95
圖5-5 砂土-鋼版之界面摩擦角 96
圖5-6 軟弱黏土中純砂柱承載行為之數值網格模型 99
圖5-7 壓縮速率 m/step下之系統不平衡力 100
圖5-8 純砂柱承載行為之數值模擬結果 101
圖5-9 沉陷量10 mm下之柱體變形與黏土側向壓力 103
圖5-10 沉陷量30 mm下之柱體變形與黏土側向壓力 103
圖5-11 沉陷量50 mm下之柱體變形與黏土側向壓力 104
圖5-12 數值程式網格變型圖 (沉陷量=50mm) 105
圖5-13 軟弱黏土中外包加勁砂柱承載行為之數值網格模型 107
圖5-14 不同加載速率下之柱體垂直壓力-沉陷量數值模擬結果 108
圖5-15 GT3_MD外包加勁砂柱之柱體垂直壓力-沉陷量數值模擬結果 109
圖5-16(a) GT3_MD沉陷量10 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 111
圖5-16(b) GT3_MD沉陷量10 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 111
圖5-17(a) GT3_MD沉陷量30 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 112
圖5-17(b) GT3_MD沉陷量30 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 112
圖5-18 GT3_MD之張應變-殘餘應變關係 113
圖5-19 GT3_MD沉陷量30 mm下之真實柱體變形 113
圖5-20 GT2_MD外包加勁砂柱之柱體垂直壓力-沉陷量數值模擬結果 115
圖5-21(a) GT2_MD沉陷量10 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 117
圖5-21(b) GT2_MD沉陷量10 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 117
圖5-22(a) GT2_MD沉陷量30 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 118
圖5-22(b) GT2_MD沉陷量30 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 118
圖5-23 GT2_MD之張應變-殘餘應變關係 119
圖5-24 GT2_MD沉陷量30 mm下之真實柱體變形 119
圖5-25 GT1_MD外包加勁砂柱之柱體垂直壓力-沉陷量數值模擬結果 121
圖5-26(a) GT1_MD沉陷量10 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 123
圖5-26(b) GT1_MD沉陷量10 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 123
圖5-27(a) GT1_MD沉陷量19.5 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 124
圖5-27(b) GT1_MD沉陷量19.5 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 124
圖5-28(a) GT1_MD沉陷量22.5 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 125
圖5-28(b) GT1_MD沉陷量22.5 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 125
圖5-29(a) GT1_MD沉陷量30 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 126
圖5-29(b) GT1_MD沉陷量30 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 126
圖5-30(a) GT1_MD沉陷量50 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 127
圖5-30(b) GT1_MD沉陷量50 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 127
圖5-31 GT2_XD外包加勁砂柱之柱體垂直壓力-沉陷量數值模擬結果 128
圖5-32(a) GT2_XD沉陷量10 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 130
圖5-32(b) GT2_XD沉陷量10 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 130
圖5-33(a) GT2_XD沉陷量30 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 131
圖5-33(b) GT2_XD沉陷量30 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 131
圖5-34(a) GT2_XD沉陷量50 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 132
圖5-34(b) GT2_XD沉陷量50 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 132
圖5-35 GT1_XD外包加勁砂柱之柱體垂直壓力-沉陷量數值模擬結果 134
圖5-36(a) GT1_XD沉陷量10 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 136
圖5-36(b) GT1_XD沉陷量10 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 136
圖5-37(a) GT1_XD沉陷量26.5 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 137
圖5-37(b) GT1_XD沉陷量26.5 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 137
圖5-38(a) GT1_XD沉陷量32 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 138
圖5-38(b) GT1_XD沉陷量32 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 138
圖5-39(a) GT1_XD沉陷量50 mm下之柱體變形與加勁材徑向應變 139
圖5-39(b) GT1_XD沉陷量50 mm下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 139
圖5-40 垂直壓力-加勁材勁度之關係 140
圖5-41 不同型式之砂柱於各沉陷量下柱體最大腫脹處之黏土側向壓力 142
圖5-42 不同型式之砂柱於各沉陷量下柱體最大腫脹處之加勁材圍束應力 142
圖6-1 泰國曼谷第二國際機場位置 (取自網路google map) 143
圖6-2 現地土壤性質與地層分佈狀況 (取自Bergado et al.,1998) 144
圖6-3 邊界半徑20 m之數值網格模型 148
圖6-4 不同邊界半徑之砂石樁承載行為數值模擬結果 149
圖6-5 不同邊界半徑之砂石樁柱體變形與黏土側向壓力 150
圖6-6 樁徑0.5 m之數值網格模型 153
圖6-7 外包加勁砂石樁承載行為之數值模擬結果 154
圖6-8 不同樁徑外包加勁砂石樁承載行為之數值模擬結果 156
圖6-9(a) 有無外包砂石樁之柱體變形與黏土側向壓力 158
圖6-9(b) 有無外包砂石樁之加勁材圍束應力與柱體圍壓 158
圖6-10 不同樁徑外包加勁砂石樁之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 159
圖6-11 樁徑0.5 m時不同勁度下外包加勁砂石樁之承載行為 161
圖6-12 樁徑1.0 m時不同勁度下外包加勁砂石樁之承載行為 162
圖6-13 樁徑0.5 m與1 m之外包加勁砂石樁之承載行為 162
圖6-14(a)樁徑0.5 m,不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變 164
圖6-14(b)樁徑0.5 m,不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 164
圖6-15(a)樁徑1 m,不同加勁材勁度下之柱體變形與加勁材徑向應變 165
圖6-15(b)樁徑1 m,不同加勁材勁度下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 165
圖6-16 1.5倍砂石樁樁徑範圍加載之數值網格模型 167
圖6-17 全面加載之數值網格模型 168
圖6-18 不同加載形式下外包加勁砂石樁承載行為之數值模擬結果 169
圖6-19(a)不同加載形式下之柱體變形與加勁材徑向應變 171
圖6-19(b)不同加載形式下之黏土側向壓力與加勁材圍束應力 171

表目錄
表3-1 試驗用砂土之基本性質 46
表3-2 加勁材基本性質 56
表3-3 加勁材彈性模數 62
表4-1 試驗用黏土之基本性質 77
表6-1 現地土壤參數(取自BERGADO ET AL. ,1998) 144
表6-2 現地土壤初始有效應力(取自BERGADO ET AL. ,1998) 144
表6-3 參數研究規劃 151

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) 10
照片2-2 格框加勁試體(取自RAJAGOPAL ET AL.,1999) 12
照片2-3 載重試驗模型(取自MURUGESAN & RAJAGOPAL,2007) 25
照片3-1 試驗用砂土之顆粒形狀 (取自朱志峯,2006) 45
照片4-1 壓密試驗儀 79
照片5-1 砂土-鋼版界面直剪儀 93
照片5-2 鋼版界面直剪設置方式 94

參考文獻 1.沈欽裕(1996),「地工合成物加勁砂石樁載重-沉陷關係初探」,碩士論文,淡江大學土木研究所,臺北。
2.林賢欽(1998),「地工合成物加勁砂石樁載重-沉陷關係」,碩士論文,淡江大學土木研究所,臺北。
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4.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,臺北。
5.蔡伊雯(2007),「地工合成物水準加勁砂柱試體之力學行為之探討」,碩士論文,淡江大學土木研究所,臺北。
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