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系統識別號 U0002-1807200716185400
中文論文名稱 碎石級配對碎石皂土回填材回脹行為之影響
英文論文名稱 The Influence of Crushed-Rock Gradation on the Swelling Behavior of Backfill Materials.
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 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 李明仁
研究生英文姓名 Ming-Jan Lee
學號 694310243
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2007-06-21
論文頁數 199頁
口試委員 指導教授-楊長義
委員-黃燦輝
委員-褚炳麟
中文關鍵字 回填材  碎石級配  回脹行為  碎形維度 
英文關鍵字 Backfill material  Gradation of crushed rock  Swelling behavior  Fractal dimension 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 對放射性廢棄物最終處置場的地下通道關閉時,國際上建議利用皂土與現場母岩碎石混合物為回填材。要求重點在利用皂土遇水膨脹自癒特性,也應具低回脹壓力與高導熱性質,因此於皂土中添加適當比例的顆粒材料是必要的。目前回填材之研究較多集中在皂土與碎石使用比例上,最被推薦的配比是:30%皂土與70%碎石。但事實上,同一碎石比例或級配下,也可能有不同的碎石排列情況、碎石顆粒間留下皂土填塞的空間,以致回脹行為均將有所不同。故本研究目的在探究這70%碎石的級配型態,對回填材回脹行為之影響。
研究成果顯示,即使固定皂土-碎石使用比例的條件下,選用添加的碎石級配型態或碎石粒徑範圍,仍會影響皂土-碎石回填材內部所餘留空隙分佈均勻性及皂土與碎石的接觸狀況,以至影響其回脹行為。結論如下: (1)當添加的碎石顆粒級配趨於優良級配時,碎石與碎石之接觸點較多,皂土之回脹可有效推擠碎石,反應出較大的外在自由回脹變形。 (2)且在體積受限時,因皂土的回脹壓力需透過多次碎石粒間應力分量的轉折傳送,實際反應於外的回脹壓力較小。 (3)在皂土內添加最大碎石粒徑較大者或碎石粒徑範圍較廣者,可獲得較高的回脹變形自癒能力。但此時欲以增大壓實密度來提高回脹變形之效益則較低。 (4)顆粒之粒徑大小對回填材回脹速率的影響均大於級配因素及初始單位重,三者重要性之權重比值約為4:1:1。 (5)而對最大回脹量之影響,初始壓實單位重的權重則大於顆粒之級配因素及粒徑範圍,其比值約為2:1:1。
英文摘要 Before closure of the radioactive waste repository, all the connecting shafts and rooms in a deep geological disposal are required to be backfilled. The backfill is proposed to consist of a mixture of 30% bentonite and 70% field crushed rock. The bentonite within the crushed rock is to be compacted to a high density to ensure sufficient swelling upon wetting to seal the voids. The Fuller maximum density curve is employed for the aggregates to achieve the optimal compaction property of backfill materials. However, the distribution of voids within the backfill materials is dominated by the gradation of crushed rocks. This study aims to investigate the swelling behavior of bentonite and crushed-rock backfill materials with various crushed-rock gradation using experimental swelling tests.
It is found that the swelling behavior of bentonite and crushed-rock backfill material is strongly depended upon the gradation of crushed-rock. The crushed-rock gradation and grain size control the void distribution of backfill material and thus the swelling behaviors,could get the following conclusions:
(1) Using the well-graded grain in bentonite-rock backfill material, the void is intercepted by the contacts of crushed rocks.
(2) The swelling pressure of bentonite is reduced during the stress transmission.
(3) However, the swelling deformation of bentonite is well delivered by the grain contacts and demonstrates a good self-sealing behavior.
(4) The influence on the grain size to the swelling rate is bigger than the gradation factor and the initial unit weight, its influence ratio is 4:1:1 .
(5) But the most greatly influence on the maximum swelling is that the initial compact unit weight is bigger than the gradation factors and the grain size, its ratio is 2:1:1 .
論文目次 目錄
目錄 I
表目錄 IV
圖目錄 V
第一章 前言 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究方法 4
1.3 研究內容 5
第二章 文獻回顧 9
2.1 回填材之研究 9
2.1.1 國內之相關研究現況 9
2.1.2 國外之相關研究現況 11
2.1.3 碎石級配之相關問題 13
2.2 膨潤土礦物的結構特性 18
2.2.1 膨潤石、膨潤土、蒙脫石的差異 18
2.2.2 膨潤土礦物結晶結構 19
2.2.3 膨潤土的微觀結構 21
2.2.4 膨潤土水合結構 23
2.3 基質材料對回填材之性質探討 24
2.3.1 第二相對結構之效應 25
2.4 黏土礦物的回脹機制 26
2.4.1 回脹行為的基本概念 26
2.4.2 回脹行為模式 26
2.5 雙曲線模式 28
2.6 參數分析之統計方法 32
2.6.1 多元線性迴歸分析 32
第三章 試驗計劃與內容 53
3.1 試驗材料 53
3.1.1 級配碎石 54
3.1.2 皂土 54
3.2 回脹試驗儀器 55
3.2.1 自由回脹試驗儀 55
3.2.2 定體積回脹壓力試驗儀 56
3.3 試驗方法 57
3.3.1 試體尺寸 57
3.3.2 試體製作 58
3.4 試驗步驟 59
3.4.1 單向度自由回脹試驗步驟 59
3.4.2 定體積回脹壓力試驗步驟 61
3.4.3 解壓回彈試驗步驟 62
第四章 試驗結果與分析 79
4.1 回脹行為 79
4.1.1 皂土之回脹歷時曲線 79
4.1.2 初始單位重之影響 82
4.1.3 碎石級配之影響 84
4.1.4 碎石粒徑之影響 86
4.1.5 回脹自癒時間 87
4.2 回脹壓力 88
4.2.1 回脹壓力歷時曲線 89
4.2.2 初始壓實單位重之影響 90
4.2.3 級配之影響 91
4.2.4 粒徑之影響 92
4.2.5 回脹壓力與回脹變形之關聯性 94
4.3 解壓回彈 95
4.3.1 解壓回彈曲線 95
4.3.2 解壓回彈之影響參數 96
第五章 雙曲線模式分析 149
5.1 雙曲線模式之參數特性 149
5.1.1 初始單位重的影響 150
5.1.2 碎石之級配的影響 152
5.1.3 粒徑大小的影響 153
5.1.4 回脹量與影響參數間之關聯性 155
5.1.5 雙曲線模式之模擬預測結果比較 157
5.2 回脹速率與極限回脹量之預估 159
5.2.1 回脹速率之預估 159
5.2.2 極限回脹量之預估 160
5.3 回脹壓力之估計 163
第六章 結論與建議 189
6.1 結論 189
6.2 建議 191
參考文獻 193

表目錄
表2.1 不同擬結晶結構所含 層數目(Sposito, 1984) 35
表2.2 主要核能國家的高放射性廢棄物處置概念(邱太銘,1999) 36
表3.1 皂土基本性質(資料來源:磊盈股份有限公司) 63
表3.2 級配料配比後之整理分組( =2.0 mm) 64
表3.3 級配料配比後之整理分組( =4.75 mm) 64
表4.1 三種參數對最大回脹量與回脹壓力之整理( =2.0 mm) 99
表4.2 三種參數對最大回脹量與回脹壓力之整理( =4.75 mm) 99
表5.1 本文六組試體之調製條件 165
表5.2 本文六組試體預測之參數 、 166
表5.3 本文六組試體之最大量測回脹量與預測值 167

圖目錄
圖1.1 瑞典深層地質處置系統配置圖(SKB) 6
圖1.2 均一級配與優良級配所留下予皂土細料填充之空間示意圖 7
圖1.3 不同碎石級配內殘留孔隙狀況(王永昱; Yang and Wu) 7
圖2.1 中央大學所使用之12種級配(依公式2.1重繪)(黃偉慶,1990) 37
圖2.2 Prikryl 採用之花崗岩碎石級配曲線(Prikryl et al, 2003) 37
圖2.3 Borgesson 採用之碎石級配曲線(標示符號●之線)(Borgesson, 2003) 38
圖2.4 皂土填塞在碎石骨架間之叢聚或殘留空隙(白色)分佈不均質(Borgesson, 2003) 38
圖2.5 皂土填塞程度與回脹壓力高低之關係(Borgesson, 2003) 39
圖2.6 Fuller 最大密度曲線 39
圖2.7 FHWA 之0.45次方最大密度曲線 40
圖2.8 具相同級配塊體(大小塊體數量一致)之兩種可能堆疊(Yang & Lo, 2001) 40
圖2.9 具相同級配(相同圓形顆粒尺寸與數量)的兩種不同堆疊組構(羅世承,1999) 41
圖2.10 Krumbein 標準顆粒形狀分級與其方格維度值(吳東杰,2003) 41
圖2.11 具相同碎石與皂土級配之兩種不同的排列方式(Engelhardt and Finsterle, 2003) 42
圖2.12 依Fuller 級配曲線公式所調配之6種級配 42
圖2.13 將圖2.12粒徑分佈曲線依級配指數 值分類表示 43
圖2.14 將圖2.13之級配以雙對數表示後之線型與其碎形維度 值 43
圖2.15 碎形維度 與Fuller 級配指數 之直接關聯性 44
圖2.16 不同碎石級配(固定添加30%紅土)對複合土之內摩擦角改變 44
圖2.17 主要黏土礦物結構示意圖 45
圖2.18 膨潤土結構的階層示意圖(Yong, 1999) 45
圖2.19 可交換鈣離子對膨潤土結構與回脹性影響示意圖(Huang and Chen, 2004) 46
圖2.20 可交換鈉離子對膨潤土結構與回脹性影響示意圖(Huang and Chen, 2004) 46
圖2.21 夯實膨潤土產生回脹量的示意圖(Komine et al., 1994) 47
圖2.22 自由回脹量與時間之關係圖(王欣婷,2003) 48
圖2.23 夯實膨潤土產生回脹壓力示意圖(Komine et al., 1994) 49
圖2.24 回脹壓力與時間之關係圖(Komine and Ogata, 1994) 50
圖2.25 雙曲線應力-應變圖(Kondner, 1963) 51
圖2.26 雙曲線應力-應變轉換圖(Duncan, 1970) 51
圖2.27 初始切線彈性模數 與圍壓 的關係(Janbu, 1963) 52
圖3.1 兩種最大粒徑之比較 65
圖3.2 級配碎石之粒徑分佈曲線(資料來源:建中工程股份有限公司) 65
圖3.3 以方格覆蓋法求取本研究碎石形狀之碎形維度 66
圖3.4 本試驗所調配之級配料( =2.0 mm) 67
圖3.5 本試驗所調配之級配料( =4.75 mm) 68
圖3.6 皂土之粒徑分佈曲線 69
圖3.7 自由回脹試驗儀 70
圖3.8 回脹試驗模具(底座、試體環、延伸環) 71
圖3.9 回脹壓力試驗儀器示意圖 72
圖3.10 回脹試餅製作流程示意圖 73
圖3.10 回脹試餅製作流程示意圖(續) 74
圖3.11 皂土餅之解壓回彈變形曲線 75
圖3.12 自由回脹之試驗情況 75
圖3.13 吸水自由回脹試體之最終含水量 76
圖3.14 監測系統各部分設備 76
圖3.15 定體積回脹壓力之試驗情況 77
圖3.16 解壓回彈之試驗情況 77
圖3.17 解壓回彈曲線 78
圖4.1 壓實膨潤土的回脹歷時曲線圖 100
圖4.2 壓實皂土-碎石複合材的回脹歷時曲線圖 101
圖4.3 不同初始單位重皂土之回脹行為比較 102
圖4.4 皂土最大回脹量和初始單位重的關係 102
圖4.5 相同碎石級配下初始單位重對回脹量之影響( =2.0 mm) 103
圖4.6 相同碎石級配下初始單位重對回脹量之影響( =4.75 mm) 104
圖4.7 初始單位重與最大回脹量之關係圖 105
圖4.8 含不同碎石級配之皂土回填材的破壞行為比較 106
圖4.9 含不同碎石級配回填材之回脹行為比較( =1.7 g/cm3) 107
圖4.10 含不同碎石級配回填材之回脹行為比較( =1.8 g/cm3) 108
圖4.11 含不同碎石級配回填材之回脹行為比較( =1.9 g/cm3) 109
圖4.12 級配指數與最大回脹量之關係圖 110
圖4.13 相同碎石級配下碎石大小對回脹量之影響( =1.7 g/cm3) 111
圖4.14 相同碎石級配下碎石大小對回脹量之影響( =1.8 g/cm3) 112
圖4.15 相同碎石級配下碎石大小對回脹量之影響( =1.9 g/cm3) 113
圖4.16 最大粒徑與最大回脹量之關係圖 114
圖4.17 皂土-碎石回填材回脹延遲時間之求取 115
圖4.18 回填材回脹延遲時間之主要影響參數 116
圖4.19 皂土-碎石回填材完成主要回脹之時間 117
圖4.20 回填材回脹主要完成回脹時間之主要影響參數 118
圖4.21 固定體積條件下皂土-碎石回填材之回脹壓力行為 119
圖4.22 皂土與皂土-碎石回填材回脹壓力之比較 119
圖4.23 含相同最大粒徑 =2.0 mm下之回脹壓力行為比較 120
圖4.24 含相同最大粒徑 =4.75 mm下之回脹壓力行為比較 121
圖4.25 初始單位重與第一階段回脹壓力之關係圖 122
圖4.26 初始單位重與最大回脹壓力之關係圖 122
圖4.27 含不同碎石級配下回脹壓力行為之比較( =1.7 g/cm3) 123
圖4.28 含不同碎石級配下回脹壓力行為之比較( =1.8 g/cm3) 124
圖4.29 含不同碎石級配下回脹壓力行為之比較( =1.9 g/cm3) 125
圖4.30 級配指數與第一階段回脹壓力之關係圖 126
圖4.31 級配指數與最大回脹壓力之關係圖 126
圖4.32 顆粒級配對顆粒排列接觸狀態之影響 127
圖4.33 顆粒級配對應力分量狀態之示意圖 127
圖4.34 最大粒徑與第一階段回脹壓力之關係圖 128
圖4.35 最大粒徑與最大回脹壓力之關係圖 128
圖4.36 碎石粒徑對回脹壓力行為之影響( =1.7 g/cm3) 129
圖4.37 碎石粒徑對回脹壓力行為之影響( =1.8 g/cm3) 130
圖4.38 碎石粒徑對回脹壓力行為之影響( =1.9 g/cm3) 131
圖4.39 本文三種顆粒級配之顆粒粒徑範圍 132
圖4.40 粒徑大小對回脹壓力之行為比較 133
圖4.41 單一粒徑與三種粒徑之回脹壓力行為之比較 134
圖4.42 回脹變形自癒能力與回脹壓力關係 135
圖4.43 本文皂土-碎石回填材之解壓回彈曲線 136
圖4.44 相同碎石級配下初始單位重對解壓回彈行為比較( =2.0 mm) 137
圖4.45 相同碎石級配下初始單位重對解壓回彈行為比較( =4.75 mm) 138
圖4.46 初始單位重與解壓回彈之關係圖 139
圖4.47 不同碎石粒徑下級配指數對解壓回彈行為比較( =1.7 g/cm3) 140
圖4.48 不同碎石粒徑下級配指數對解壓回彈行為比較( =1.8 g/cm3) 141
圖4.49 不同碎石粒徑下級配指數對解壓回彈行為比較( =1.9 g/cm3) 142
圖4.50 碎石級配與解壓回彈之關係圖 143
圖4.51 相同碎石級配下粒徑大小對解壓回彈行為比較( =1.7 g/cm3) 144
圖4.52 相同碎石級配下粒徑大小對解壓回彈行為比較( =1.8 g/cm3) 145
圖4.53 相同碎石級配下粒徑大小對解壓回彈行為比較( =1.9 g/cm3) 146
圖4.54 碎石粒徑與解壓回彈之關係圖 147
圖5.1 以雙曲線模式求取參數 、 示意圖 168
圖5.2 由 值預估之極限回脹量與試驗曲線之比較 169
圖5.3 以雙曲線模式求取本文六組試驗參數 、 170
圖5.3 以雙曲線模式求取本文六組試驗參數 、 (續) 171
圖5.3 以雙曲線模式求取本文六組試驗參數 、 (續) 172
圖5.4 值與初始單位重之關係 173
圖5.5 值與初始單位重之關係 173
圖5.6 值與級配指數之關係 174
圖5.7 值與級配指數之關係 174
圖5.8 值與最大粒徑之關係 175
圖5.9 值與最大粒徑之關係 175
圖5.10 SPSS 軟體操作流程圖 176
圖5.10 SPSS 軟體操作流程圖(續) 177
圖5.10 SPSS 軟體操作流程圖(續) 178
圖5.11 值與三種參數之關係圖 179
圖5.12 值與三種參數之關係圖 180
圖5.13 雙曲線模式預估與試驗量測曲線之比較 181
圖5.13 雙曲線模式預估與試驗量測曲線之比較(續) 182
圖5.13 雙曲線模式預估與試驗量測曲線之比較(續) 183
圖5.14 本研究回脹速率與級配指數之關係 184
圖5.15 本研究預估極限回脹量與級配指數之關係 184
圖5.16 本研究六組回脹曲線與預估極限回脹量之比較 185
圖5.17 本研究之破壞比與級配指數之變化關係 186
圖5.18 綜合圖4.42之最大回脹量與最大回脹壓力之關係 186
圖5.19 預估最大回脹壓力之流程圖 187
圖5.20 預估極限回脹量與最大回脹壓力之關係 188
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