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系統識別號 U0002-1802201414312400
中文論文名稱 軟弱黏土中層狀加勁砂柱試驗
英文論文名稱 Model test for a laminated reinforced sand column embedded 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 102
學期 1
出版年 103
研究生中文姓名 簡嘉緯
研究生英文姓名 Chia-Wei Chien
學號 600380553
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-01-17
論文頁數 165頁
口試委員 指導教授-吳朝賢
委員-洪勇善
委員-楊國鑫
中文關鍵字 軟弱黏土  層狀加勁砂柱  地工合成材  模型試驗  承載力  側向腫脹 
英文關鍵字 Soft clay  Laminated reinforced sand column  Geosynthetic  Model test  Bearing capability  Lateral swelling 
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,現地土壤過於軟弱無法提供足夠的承載力時,一般常使用砂柱工法進行土壤改良,砂石樁雖可承受軸力與剪力,但於近地表處由於側向圍束力不足,易造成砂樁頂層產生腫脹,進而限制砂土樁承載的能力。利用地工合成材加勁砂樁,防止砂柱頂端圍束力不足的現象,進而提升整體砂柱承載力,為近年發展的工法。

本研究模擬現地軟弱黏土層中加勁砂柱之行為,依現地條件等比例縮小於適當之尺寸進行試驗。探討層狀加勁砂柱是否有效提升承載力以及提供頂層較好的圍束力。試驗使用三種不同勁度材料(GT1、GT2、GT3)以及5與10之加勁材層數進行模型試驗,並施做加勁材之雙向拉伸試驗得到加勁材的張力-應變關係,以解釋砂柱的行為。並量測加勁材於大載重下厚度壓縮試驗來修正整體砂柱的沉陷量。

實驗結果顯示層狀加勁砂柱能有效提升軟弱黏土中砂柱的承載能力,當加勁材降伏前其張力勁度越大則能提供砂柱更大的承載能力,加勁材強度越大則使最終承載能力越好,設置加勁材也使上方載重傳遞更大應力至砂柱底部。安裝加勁材能提升砂柱整體勁度及抑制腫脹,但也讓上方力量向砂柱底部傳遞,使砂柱腫脹範圍向下延伸。層數配置部分,五層加勁砂柱除提供較少加勁效果外,加勁材層與層之間有較大的間距使加勁材的圍束效果不明顯,對頂部砂柱腫脹的抑制效果較少。十層加勁砂柱因有較密的間距能使加勁材提供的加勁範圍較大,使砂柱腫脹較小且平均於整體砂柱。延展性較差之地工合成材易於低應變下產生破壞,提供砂柱承載能力與抑制砂柱腫脹情況有限,使用多層加勁材仍無明顯增量。
英文摘要 Sand columns have been used in engineering practice to improve the bearing capacity of soft clay in recent years. Although the sand column can bear axial stress and shear stress from surface load, but due to the lack of lateral confining pressure in the near-surface that often caused bulging failure in the top portion of the column, reduce the carrying capacity of the sand column. Reinforce a sand column with laminated geosynthetics is feasible and effective solution to improve bearing capability of a sand column.
In this study, model test on single geosynthetic-laminated sand columns installed in soft clay was conducted. Similarity analysis was executed first to determine suitable properties of the constituents used in the model tests to ensure comparable behavior between the prototype-scale and model-scale reinforced granular columns. Three types of geosynthetics was employed to reinforce the sand columns either with 5 or 10 layers of geosynthetic sheets horizontally placed in these model sand columns.
Experimental results showed that horizontally inserted reinforcements improve the bearing capability of the model sand columns; marked improvement was achieved for sand columns reinforced with geotextile of relatively medium to high stiffness. Horizontal reinforcement also restrained radial strain of the columns significantly. Additionally, horizontal reinforcements affected stress transmission character along the length of the sand column and thus the bearing capability of the column.
論文目次 章節目錄
章節目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 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 砂石樁工法 6
2.2 層狀加勁砂柱之研究 8
2.2.1 加勁材勁度對加勁效果之影響 8
2.2.2 加勁材層數對加勁效果影響 12
2.2.3 勁材界面摩擦角對加勁效果的影響 16
2.3 層狀加勁砂柱之模型試驗研究 19
第三章 試驗儀器與試驗內容 25
3.1 試驗計畫25
3.2 試驗儀器介紹 27
3.2.1 實驗室十字片剪力試驗儀 27
3.2.2 地工合成材雙向拉伸試驗儀 34
3.2.3 直接剪力試驗儀 38
3.2.3 模型試驗儀 43
3.3 試驗內容與方法 54
3.3.1 試驗砂土與黏土之基本物理性質試驗 54
3.3.2 黏土十字片剪試驗 55
3.3.3 加勁材雙向拉伸試驗 56
3.3.4 加勁材-試驗砂之界面摩擦角剪力試驗 58
3.3.5 載重下加勁材厚度量測 59
3.4 加勁砂柱模型試驗 61
3.4.1 加勁砂柱設計方式 61
3.4.2 模型試驗步驟 63
第四章 試驗結果與分析 78
4.1 試驗砂土與黏土基本物理性質試驗結果 78
4.2 加勁材基本性質 81
4.2.1 加勁材物理性質 81
4.2.2 加勁材雙向拉伸試驗結果 82
4.3 加勁材-砂土界面力學行為 89
4.4 載重下加勁材厚度量測試驗結果 93
4.5 砂柱模型試驗結果 98
4.5.1 模型試驗之模型相似率 98
4.5.2 模型試驗之基本參數 100
4.5.3 模型試驗結果 101
4.5.4 未加勁砂柱試驗結果 103
4.5.5 五層加勁砂柱試驗結果 106
4.5.6 十層加勁砂柱試驗結果 120
4.5.7 層狀加勁砂柱承載能力統整 135
4.5.8 加勁砂柱頂部圓台效果 138
4.5.9 加周圍黏土起伏分析 139
4.5.10 砂柱底部應力增量 146
4.6 模型加勁砂柱於現地尺寸之承載能力 148
4.7 層狀與外包加勁砂柱之模型試驗分析 154
第五章 結論與建議 158
5.1 結論 158
5.2 建議 160
參考文獻 161
附錄 感測元件校正曲線 163


圖目錄
圖 1.1 砂柱之受力狀態與破壞示意圖 2
圖 1.2 三種加勁方式(Latha & Murthy,2007) 2
圖 1.3 研究流程圖 5
圖 2.1 擠壓砂樁工法(張吉佐,2002) 7
圖 2.2 砂柱破壞形式(Brauns,1987) 8
圖 2.3 圍壓100 kPa下之試驗結果(Haeri et al.,2000) 10
圖 2.4 不同加勁材勁度加勁砂柱之應力-應變關係(Wu and Hong,2008)10
圖 2.5 不同加勁材勁度加勁砂柱之應力-應變關係(Wu and Hong,2008)11
圖 2.6 不同勁度加勁材之軸差應力與體積應變比較(林致瑋,2013) 11
圖 2.7 加勁砂石樁配置圖(Madhav et al.,1994) 13
圖 2.8 載重與沉陷量關係(Madhav et al.,1994) 13
圖 2.9 加勁材擺設方式(Haeri et al.,2000) 14
圖 2.10 加勁材層數與加勁試體強度比關係圖(Haeri et al.,2000) 14
圖 2.11 不同半徑和間距比之應力-應變關係(Wu and Hong,2008) 15
圖 2.12 不同半徑和間距比之應力-應變關係(Wu and Hong,2008) 15
圖 2.13 軸差應力與加勁材層數關係(軸應變20 %)(蔡依雯,2007) 16
圖 2.14 砂土-加勁材界面摩擦角於層狀加勁砂柱之行為(Hong and Wu,2013) 17
圖 2.15 兩連續加勁材間應力高程分佈(Hong and Wu,2013)18
圖 2.16 不同間距下兩連續加勁材間應力高程分佈(Hong and Wu,2013)18
圖 2.17 外包與層狀加勁砂柱形式(Ali et al. 2012) 19
圖 2.18 模型試驗步驟(Ali et al. 2012) 20
圖 2.19 垂直應力與沉陷量關係圖(Ali et al. 2012) 20
圖 2.20 砂柱試體變形照片(Ali et al. 2012) 21
圖 2.21 模型試驗示意圖(Kousik et al.,2010) 22
圖 2.22 砂柱腫脹情況( Kousik et al.,2010) 22
圖 2.23 邊界效應對承載力之影響 (余易昇,2013) 23
圖 2.24 各尺寸模型桶之邊界效應影響 (余易昇,2013) 24
圖 3.1 研究試驗流程圖 26
圖 3.2 實驗室十字片剪力試驗儀器示意圖 (Head, 1982) 29
圖 3.3 實驗室十字片剪試驗儀器 30
圖 3.4 實驗室十字片剪儀器之下部裝置 31
圖 3.5 實驗室十字片剪儀器之十字葉片 31
圖 3.6 實驗室十字片剪儀器之扭力彈簧圈 32
圖 3.7 扭力彈簧校正圖(ELE校正率定書) 32
圖 3.8 實驗室十字片剪儀器之圓形刻度盤 33
圖 3.9 雙向拉伸試驗儀 35
圖 3.10 中央夾具結構 36
圖 3.11 外側轉盤照片 36
圖 3.12 監測儀器照片 37
圖 3.13 直接剪力試驗儀 39
圖 3.14 改造之直剪下盒各式零件介紹 40
圖 3.15 加勁材厚度量測相關示意圖 42
圖 3.16 加勁砂柱模型試驗示意圖 45
圖 3.17 砂柱模型試驗局部示意圖 46
圖 3.18 模型試驗承載桿 46
圖 3.19 模型試驗用S型荷重元(500 kgf) 47
圖 3.20 模型試驗用砂柱頂部土壓計(D=24.5 mm) 47
圖 3.21 模型試驗用底部土壓計(D=24.5 mm) 48
圖 3.22 模型試驗用雷射位移計 48
圖 3.23 模型試驗底板 49
圖 3.24 試驗底板中央金屬卡榫 49
圖 3.25 試驗底板下方固定裝置 50
圖 3.26 模型試驗反力架 51
圖 3.27 反力架底部荷重元連接處 51
圖 3.28 數據擷取器 52
圖 3.29 數據擷取器之操作畫面 52
圖 3.30 模型試驗圓桶(內徑50公分) 53
圖 3.31 壓克力中空管 53
圖 3.32 雙向拉伸加勁材之剪裁尺寸 57
圖 3.33 加勁材雙向拉伸示意圖 57
圖 3.34 加勁材-試驗砂之界面剪力試驗示意圖 59
圖 3.35 厚度量測儀器 60
圖 3.36 加勁材量測厚度之架設圖 60
圖 3.37 試驗用之三種加勁材料 61
圖 3.38 層狀加勁放置方式 62
圖 3.39 模型試驗流程圖 65
圖 3.40 攪拌機及拌合後黏土 66
圖 3.41 乾燥黏土塊 67
圖 3.42 加勁材圓片(GT1)67
圖 3.43 壓克力套管架設情形 68
圖 3.44 黏土分次填入圓桶中並壓實 69
圖 3.45 使用鏝刀工具碾壓及抹平黏土 69
圖 3.46 鋼尺沿桶壁邊抹平表面黏土高程 70
圖 3.47 將砂填入壓克力管 70
圖 3.48 利用拉伸儀抬伸橫桿 70
圖 3.49 利用搗桿搗實砂柱 71
圖 3.50 利用搗桿安裝織布 71
圖 3.51 放置水平儀確認砂層水平 71
圖 3.52 加勁砂柱安裝完成 72
圖 3.53 架設荷重元、頂部土壓計、雷射位移計 72
圖 3.54 沉陷量達50 mm示意圖 73
圖 3.55 雷射位移計量測距砂柱中心55 mm至250 mm之間黏土起伏 73
圖 3.56 利用十字片剪儀器測定不排水剪力強度 74
圖 3.57 開挖承載桿周圍黏土 74
圖 3.58 固結方式與器材介紹 76
圖 3.59 放置一天待砂柱固結 76
圖 3.60 開挖周圍黏土 77
圖 3.61 固結後砂柱試體(純砂柱) 77
圖 4.1 試驗黏土性質 79
圖 4.2 石英砂粒徑分佈曲線圖(No.201) 80
圖 4.3 加勁材雙向拉伸試驗結果(GT1) 84
圖 4.4 加勁材雙向拉伸試驗結果(GT2) 84
圖 4.5 加勁材雙向拉伸試驗結果(GT3) 85
圖 4.6 雙向拉伸試驗試體架設情形(GT1) 86
圖 4.7 雙向拉伸試驗試體破壞情形(GT1)(張應變16 %) 86
圖 4.8 雙向拉伸試驗試體架設情形(GT2) 87
圖 4.9 雙向拉伸試驗試體破壞情形(GT2)(張應變42 %) 87
圖 4.10 雙向拉伸試驗試體架設情形(GT3) 88
圖 4.11 雙向拉伸試驗試體破壞情形(GT3)(張應變41 %) 88
圖 4.12 界面剪力試驗結果(GT1XD) 90
圖 4.13 界面剪力試驗結果(GT1MD) 90
圖 4.14 界面剪力試驗結果(GT2XD) 91
圖 4.15 界面剪力試驗結果(GT2MD) 91
圖 4.16 界面剪力試驗結果(GT3XD) 92
圖 4.17 界面剪力試驗結果(GT3MD) 92
圖 4.18 加勁材厚度壓縮與大載重關係 95
圖 4.19 砂柱中加勁材之獲得應力與對應沉陷量 95
圖 4.20 砂柱頂部應力-沉陷曲線圖校正結果(五層加勁) 96
圖 4.21 砂柱頂部應力-沉陷曲線圖校正結果(十層加勁) 96
圖 4.22 砂柱沉陷-壓力曲線之校正結果(GT3-5加勁砂柱) 97
圖 4.23 沉陷-壓力曲線之校正結果(GT3-10加勁砂柱) 97
圖 4.24 承載板下方應力分佈圖(余易昇,2013) 102
圖 4.25 無加勁砂柱模型試驗結果 104
圖 4.26 無加勁砂柱側向變型 104
圖 4.27 無加勁砂柱變形圖 105
圖 4.28 純砂柱俯視圖 105
圖 4.29 五層加勁砂柱模型試驗結果(GT1-5) 110
圖 4.30 未加勁砂柱與五層加勁砂柱(GT1-5)砂柱承載力比較 110
圖 4.31 五層加勁砂柱側向變形(GT1-5,橫穿方向) 111
圖 4.32 五層加勁砂柱變形圖(GT1-5,橫穿方向) 111
圖 4.33 五層加勁砂柱側向變形(GT1-5,機器方向) 112
圖 4.34 五層加勁砂柱變形圖(GT1-5,機器方向) 112
圖 4.35 五層加勁砂柱俯視圖(GT1-5) 113
圖 4.36 五層加勁砂柱模型試驗結果(GT2-5) 113
圖 4.37 未加勁砂柱與五層加勁砂柱(GT1-5、GT2-5)砂柱承載力比較 114
圖 4.38 五層加勁砂柱側向變形(GT2-5,橫穿方向) 114
圖 4.39 五層加勁砂柱變形圖(GT2-5,橫穿方向) 115
圖 4.40 五層加勁砂柱側向變形(GT2-5,機器方向) 115
圖 4.41 五層加勁砂柱變形圖(GT2-5,機器方向) 116
圖 4.42 五層加勁砂柱俯視圖(GT2-5) 116
圖 4.43 五層加勁砂柱模型試驗結果(GT3-5) 117
圖 4.44 五層加勁砂柱側向變形(GT3-5,橫穿方向) 117
圖 4.45 五層加勁砂柱變形圖(GT3-5,橫穿方向) 118
圖 4.46 五層加勁砂柱側向變形(GT3-5,機器方向) 118
圖 4.47 五層加勁砂柱變形圖(GT3-5,機器方向) 119
圖 4.48 五層加勁砂柱俯視圖(GT3-5) 119
圖 4.49 十層狀加勁砂柱模型試驗結果(GT1-10) 124
圖 4.50 未加勁砂柱與十層加勁砂柱(GT1-5、GT1-10)砂柱承載力比較 124
圖 4.51 十層加勁砂柱側向變形(GT1-10,橫穿方向) 125
圖 4.52 十層加勁砂柱變形圖(GT1-10,橫穿方向) 125
圖 4.53 十層加勁砂柱側向變形(GT1-10,機器方向) 126
圖 4.54 十層加勁砂柱變形圖(GT1-10,機器方向) 126
圖 4.55 十層加勁砂柱俯視圖(GT1-10) 127
圖 4.56 十層加勁砂柱模型試驗結果(GT2-10) 127
圖 4.57 未加勁砂柱與層狀加勁砂柱(GT2-5、GT2-10)之土壓計量測值比較 128
圖 4.58 十層加勁砂柱側向變形(GT2-10,橫穿方向) 128
圖 4.59 十層加勁砂柱變形圖(GT2-10,橫穿方向) 129
圖 4.60 十層加勁砂柱側向變形(GT2-10,機器方向) 129
圖 4.61 十層加勁砂柱變形圖(GT2-10,機器方向) 130
圖 4.62 十層加勁砂柱俯視圖(GT2-10) 130
圖 4.63 十層加勁砂柱模型試驗結果(GT3-10) 131
圖 4.64 加勁砂柱土壓計量測表(GT3)(5層、10層) 131
圖 4.65 十層加勁砂柱側向變形(GT3-10,橫穿方向) 132
圖 4.66 十層加勁砂柱變形圖(GT3-10,橫穿方向) 132
圖 4.67 十層加勁砂柱側向變形(GT3-10,機器方向) 133
圖 4.68 十層加勁砂柱變形圖(GT3-10,機器方向) 133
圖 4.69 十層加勁砂柱俯視圖(GT3-10) 134
圖 4.70 層狀加勁砂柱加勁範圍示意圖 138
圖 4.71 五層加勁砂柱距砂柱中心120 mm之黏土單點起伏 141
圖 4.72 十層加勁砂柱距砂柱中心120 mm之黏土單點起伏 141
圖 4.73 未加勁砂柱外黏土起伏 142
圖 4.74 加勁砂柱外黏土起伏(GT1-5) 142
圖 4.75 加勁砂柱外黏土起伏(GT2-5) 143
圖 4.76 加勁砂柱外黏土起伏(GT3-5) 143
圖 4.77 加勁砂柱外黏土起伏(GT1-10) 144
圖 4.78 加勁砂柱外黏土起伏(GT2-10) 144
圖 4.79 加勁砂柱外黏土起伏(GT3-10) 145
圖 4.80 純砂柱與五層加勁砂柱底部土壓計沉陷-應力曲線 147
圖 4.81 純砂柱與十層加勁砂柱底部土壓計沉陷-應力曲線 147
圖 4.82 地工格網外包砂柱之安裝步驟 (Yoo and Lee,2012) 150
圖 4.83 外包加勁砂柱與夯實砂柱示意圖(Yoo and Lee,2012) 151
圖 4.84 承載力與沉陷量曲線(Yoo and Lee,2012) 151
圖 4.85 模型試驗於現地尺寸下沉陷量與承載力關係 153
圖 4.86 層狀與外包加勁砂柱之應力-沉陷曲線(GT1) 156
圖 4.87 層狀與外包加勁砂柱之應力-沉陷曲線(GT2) 157
圖 4.88 層狀與外包加勁砂柱之應力-沉陷曲線(GT3) 157

表目錄
表 2.1 試驗用加勁材之力學性質(取自Haeri et al.,2000) 9
表 3.1 扭力彈簧校正表(ELE校正率定書) 33
表 3.2 模型試驗研究實驗組合 62
表 4.1 試驗黏土基本物理性質結果 78
表 4.2 砂土基本物理試驗結果 78
表 4.3 加勁材基本物理性質 81
表 4.4 加勁材雙向拉伸試驗結果 83
表 4.5 加勁材-砂界面剪力試驗結果 89
表 4.6 設計載重組別 94
表 4.7 原型與模型之無因次項比較表(余易昇, 2013) 100
表 4.8 模型試驗組合基本性質 100
表 4.9 砂柱頂部應力-沉陷量關係表 136
表 4.10 砂柱底部應力-沉陷量關係表 136
表 4.11 承載板下方平均應力-沉陷量關係表 137
表 4.12 砂柱側向擴張與黏土起伏數值表 140
表 4.13 砂柱底部應力增量比較 146
表 4.14 現地試驗(Yoo and Lee)與本模型試驗之參數 152
表 4.15 模型試驗之現地尺寸 152
表 4.16 現地尺寸層狀加勁砂柱之沉陷量與對應應力 153


參考文獻 參考文獻

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