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系統識別號 U0002-1807201810375900
中文論文名稱 壁樁垂直承載機制之數值分析研究
英文論文名稱 Numerical Analysis on Barrette Pile Bearing Mechanism under Vertical Loading
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 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 林靜
研究生英文姓名 Ching Lin
學號 605380186
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-06-21
論文頁數 120頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-陳正興
委員-葛宇甯
中文關鍵字 壁樁  垂直載重行為  承載力  三維有限元素分析  APILE分析 
英文關鍵字 barrette pile  vertical loading  bearing capacity  three-dimensional finite element analysis  APILE analysis 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究藉三維有限元素法程式MIDAS/GTS NX模擬壁樁模型於黏土層和砂土層中垂直力作用下的位移、樁身軸力與摩擦力等行為,並探討壁樁長邊、短邊、角隅差異以及相關參數影響。研究同時採用詮釋法、傳統靜力學公式和一維有限差分程式APILE等分析比較壁樁模型的承載力,以了解傳統相關設計方法應用於壁樁的適用性。土壤採莫爾庫倫破壞模式,土樁介面元素則為線彈性完全塑性模式。
經本研究觀察顯示:壁樁的長邊、短邊、角隅分析結果差異不明顯,樁斷面形狀對樁的承載機制影響不大。壁樁摩擦力取決於介面元素參數,隨樁-土間介面元素的附著力、摩擦角、剪脹角增加而增加,進而造成位移量減少,另介面元素的摩擦勁度亦會影響分析結果。在壓力狀態下,三維有限元素分析將產生較為完整的力位移曲線,而一維有限差分法則易產生降伏破壞;雖然三維分析較能反映實際結構行為,但若以現場樁載重數據為主率定一維分析的土壤參數,則一維分析仍具快速簡易優點;在拉力狀態下,三維分析和一維分析結果相似,兩者皆在介面摩擦強度發揮後產生樁體破壞現象,故一維分析在拉力狀態可提供有效解。
本研究另將有限元素分析所得的模型壁樁力位移曲線配合各式詮釋法概估其承載力,並以不同靜力學公式計算壁樁承載力,同時與APILE分析所建議者比較,發現壓力狀態下,黏土層壁樁詮釋法所得平均值將較靜力公式為高,砂土層壁樁則相反。拉力狀態下,不同方法所得相似。相關分析顯示靜力公式所採用的材料參數修正係數將影響結果,同時傳統基樁的評估方法亦可適用於壁樁之上。
英文摘要 In this research, a three dimensional finite element analysis MIDAS/GTS NX is used to simulate displacements, axial stresses and frictions of the vertically loaded barrette piles in clayey and sandy layered soils. The geometric influence at the barrette piles was examined, additionally other influence parameters were investigated. Mohr-Coulomb model was used for the soils while the soil-pile interface elements were characterized as linearly elastic and perfectly plastic model.
The interpretation methods, conventional static formulas and the one-dimensional analysis APILE were used to backanalyze bearing capacity of the barrette pile. The results of this study showed that the loading mechanism appeared at various locations of the barrette pile are not very different, and the geometry of the pile cross section has insignificant effect on bearing capacity of the pile. The pile friction is highly dependent on the interface element parameters, in which the increases of pile-soil interface adhesion, friction and dilatancy angle will reduce the pile displacements. In the compressive state, the three-dimensional analysis will produce a more complete load-displacement curve compared to the one-dimensional analysis. While the three-dimensional analysis can capture more closely the structural behavior, the one-dimensional analysis still has the advantage of simplicity and economy. In the tensile state, the results of both the three-dimensional analysis and one-dimensional analysis are similar; the one-dimensional analysis herein provides an efficient solution.
In the compressive state, the average capacity of the barrette pile in clays was found to be higher from the interpretation method than those from other computations; the averaged capacity of the pile in sands were found lower than other computations. In the tensile state, various methods would yield similar results. It is believed that the estimations usig the static formulas and APILE analysis were mainly affected by the reductions of the materail strength parameters. The study also confirms that the conventional methods in analyzing the ordinary piles can be applied to the baraette piles.
論文目次 目錄 I
圖目錄 V
表目錄 X
第一章 緒論 1
§ 1-1 研究動機與目的 1
§ 1-2 研究方法與內容 1
§ 1-3 研究流程 3
第二章 文獻回顧 4
§ 2-1 有限元素分析方法 4
§ 2-2 靜力學法評估基樁承載力 6
§ 2-2-1 基樁承壓行為與機制 6
§ 2-2-2 基樁抗拉行為與機制 12
§ 2-2-3 基樁承壓與抗拉之樁身摩擦力 15
§ 2-3 詮釋法評估基樁承載力 16
§ 2-3-1 位移量控制法 16
§ 2-3-2 試樁曲線特性法 17
§ 2-3-3 切線法 18
§ 2-4 案例蒐集 19
第三章 研究方法 22
§ 3-1 有限元素軟體 MIDAS/GTS NX 22
§ 3-1-1 MIDAS/GTS NX 簡介 22
§ 3-1-2 分析模式介紹 24
§ 3-1-3 材料模式 25
§ 3-1-4 邊界條件設置 26
§ 3-1-5 介面元素設定 27
§ 3-1-6 數值模型建構 30
§ 3-1-7 施工階段步驟設定 31
§ 3-2 有限差分軟體 APILE5.0 33
§ 3-2-1 APILE5.0 簡介 33
§ 3-2-2 靜力公式API法 34
§ 3-2-3 APILE5.0 執行步驟 38
§ 3-3 數值模擬之案例驗證 41
§ 3-3-1 壓力樁案例 41
§ 3-3-2 拉力樁案例 42
第四章 矩形壁樁承壓行為 44
§ 4-1 MIDAS/GTS NX數值模擬 44
§ 4-1-1 模型建構概述 44
§ 4-1-2 土壤與結構材料 45
§ 4-1-3 分析域選定 48
§ 4-1-4 黏土層基本案例 50
§ 4-1-5 砂土層基本案例 53
§ 4-1-6 參數影響研究 55
1. 幾何效應(長邊、短邊、角隅) 56
2. 介面元素附著力(ca) 58
3. 介面元素摩擦角(δ) 59
4. 介面元素剪脹角(Ψ) 60
§ 4-2 APILE5.0數值模擬 62
§ 4-2-1 土壤與結構參數 62
§ 4-2-2 APILE5.0黏土層壓力樁分析 63
§ 4-2-3 APILE5.0砂土層壓力樁分析 66
§ 4-3 壁樁之極限承載力評估 69
§ 4-3-1 黏土層案例 69
§ 4-3-1-1 詮釋法 70
§ 4-3-1-2 靜力學公式 72
§ 4-3-1-3 壓力樁黏土極限承載力比較 73
§ 4-3-2 砂土層案例 74
§ 4-3-2-1 詮釋法 75
§ 4-3-2-2 靜力學公式 77
§ 4-3-2-3 壓力樁砂土極限承載力比較 78
§ 4-4 小結 79
第五章 矩形壁樁拉拔行為 81
§ 5-1 MIDAS/GTS NX數值模擬 81
§ 5-1-1 模型建構概述 81
§ 5-1-2 土壤與結構材料 82
§ 5-1-3 分析域選定 83
§ 5-1-4 黏土層基本案例 85
§ 5-1-5 砂土層基本案例 87
§ 5-2 APILE5.0數值模擬比較 89
§ 5-2-1 土壤與結構參數 89
§ 5-2-2 APILE5.0黏土層拉力樁分析 91
§ 5-2-3 APILE5.0砂土層拉力樁分析 94
§ 5-3 壁樁之極限拉拔力評估 97
§ 5-3-1 黏土層案例 97
§ 5-3-1-1 詮釋法 98
§ 5-3-1-2 靜力學公式 100
§ 5-3-1-3 拉力樁黏土極限承載力比較 101
§ 5-3-2 砂土層案例 102
§ 5-3-2-1 詮釋法 103
§ 5-3-2-2 靜力學公式 105
§ 5-3-2-3 拉力樁砂土極限承載力比較 105
§ 5-4 小結 107
第六章 結論與建議 108
§ 6-1 結果討論 108
§ 6-2 未來展望 109
參考文獻 110
附錄 116

圖目錄
圖 1- 1研究流程圖 3
圖 2- 1有限元素法分析流程圖 4
圖 2- 2基樁受軸向壓力之力量平衡圖 6
圖 2- 3基樁貫入深度與λ之關係 9
圖 2- 4基樁受軸向壓力之力量平衡圖 12
圖 3- 1 MIDAS/GTS 開啟畫面示意圖 22
圖 3- 2簡易三維模型邊界條件示意圖 26
圖 3- 3庫倫摩擦法則 27
圖 3- 4 MIDAS/GTS NX介面元素設定視窗 28
圖 3- 5施工階段步驟(一) 31
圖 3- 6施工階段步驟(二) 32
圖 3- 7施工階段步驟(三) 32
圖 3- 8 荷重傳遞法分析方法 33
圖 3- 9 API法黏土t-z曲線 34
圖 3- 10 API法砂土t-z曲線 34
圖 3- 11 API法Q-w曲線 35
圖 3- 12 APILE5.0計算方法及受力狀況設定 39
圖 3- 13 APILE5.0樁幾何形狀與材料參數設定 39
圖 3- 14 APILE5.0土壤種類及參數設定 40
圖 3- 15 APILE5.0計算分析後輸出數值資料 40
圖 3- 16 APILE5.0程式輸出繪製之各種圖形 40
圖 3- 17壓力樁案例I模擬結果比較 41
圖 3- 18壓力樁案例II模擬結果比較 41
圖 3- 19拉力樁案例I模擬結果比較 42
圖 3- 20拉力樁案例II模擬結果比較 42
圖 3- 21拉力樁案例III模擬結果比較 43
圖 4- 1壓力分析域及壁樁之模型 44
圖 4- 2壓力樁均佈載重施加 45
圖 4- 3黏土分析域-樁頂及邊界土層位移量 48
圖 4- 4黏土分析域-軸向/摩擦應力比較 48
圖 4- 5砂土分析域-樁頂及邊界土層位移量 49
圖 4- 6砂土分析域-軸向/摩擦應力比較 49
圖 4- 7黏土壓力樁-力位移曲線 50
圖 4- 8黏土壓力樁-軸向應力曲線 51
圖 4- 9黏土壓力樁-q-z曲線 51
圖 4- 10黏土壓力樁-摩擦應力曲線 51
圖 4- 11黏土壓力樁-t-z曲線 52
圖 4- 12砂土壓力樁-力位移曲線 53
圖 4- 13砂土壓力樁-軸向應力曲線 54
圖 4- 14砂土壓力樁-q-z曲線 54
圖 4- 15砂土壓力樁-摩擦應力曲線 54
圖 4- 16砂土壓力樁-t-z曲線 55
圖 4- 17幾何效應影響-力位移/軸向應力/摩擦應力曲線 (黏土) 56
圖 4- 18幾何效應影響-力位移/軸向應力/摩擦應力曲線 (砂土) 57
圖 4- 19附著力(ca)影響-力位移/軸向應力/摩擦應力曲線 58
圖 4- 20摩擦角(δ)影響-力位移/軸向應力/摩擦應力曲線 59
圖 4- 21剪脹角影響-力位移曲線 60
圖 4- 22剪脹角影響-軸向應力曲線 60
圖 4- 23剪脹角影響-摩擦應力曲線 61
圖 4- 24剪脹角影響-t-z曲線 61
圖 4- 25 APILE5.0黏土壓力樁分析 63
圖 4- 26黏土壓力樁程式分析比較 64
圖 4- 27 APILE5.0砂土壓力樁分析 66
圖 4- 28砂土壓力樁程式分析比較 67
圖 4- 29黏土壓力樁力-位移曲線 69
圖 4- 30黏土壓力樁詮釋法 70
圖 4- 31黏土壓力樁摩擦應力計算 72
圖 4- 32砂土壓力樁力-位移曲線 74
圖 4- 33砂土壓力樁詮釋法 75
圖 4- 34砂土壓力樁摩擦應力計算 77
圖 5- 1拉力分析域及壁樁之模型 81
圖 5- 2拉力樁均佈載重施加 82
圖 5- 3黏土分析域-樁頂及邊界土層位移量 83
圖 5- 4黏土分析域-軸向/摩擦應力比較 83
圖 5- 5砂土分析域-樁頂及邊界土層位移量 84
圖 5- 6砂土分析域-軸向/摩擦應力比較 84
圖 5- 7黏土拉力樁-力位移曲線 85
圖 5- 8黏土拉力樁-軸向應力曲線 85
圖 5- 9黏土拉力樁-摩擦應力曲線 86
圖 5- 10黏土拉力樁-t-z曲線 86
圖 5- 11砂土拉力樁-力位移曲線 87
圖 5- 12砂土拉力樁-軸向應力曲線 87
圖 5- 13砂土拉力樁-摩擦應力曲線 88
圖 5- 14砂土拉力樁-t-z曲線 88
圖 5- 15 APILE5.0黏土拉力樁分析 91
圖 5- 16黏土拉力樁程式分析比較 92
圖 5- 17 APILE5.0砂土拉力樁分析 94
圖 5- 18砂土層拉力樁程式分析比較 95
圖 5- 19黏土拉力樁力-位移曲線 97
圖 5- 20黏土拉力樁詮釋法 98
圖 5- 21黏土拉力樁摩擦應力計算 100
圖 5- 22黏土拉力樁力-位移曲線 102
圖 5- 23砂土拉力樁詮釋法 103
圖 5- 24砂土拉力樁摩擦應力計算 105
圖 A- 1黏土壓力樁位移影響範圍 116
圖 A- 2黏土壓力樁應力影響範圍 116
圖 A- 3黏土壓力樁影響範圍 (70MN) 116
圖 B- 1砂土壓力樁位移影響範圍 117
圖 B- 2砂土壓力樁應力影響範圍 117
圖 B- 3砂土壓力樁影響範圍 (70MN) 118
圖 B- 4砂土壓力樁影響範圍 (200MN) 118
圖 C- 1黏土拉力樁位移影響範圍 119
圖 C- 2黏土拉力樁應力影響範圍 119
圖 D- 1砂土拉力樁位移影響範圍 119
圖 D- 2砂土拉力樁應力影響範圍 119
圖 E- 1黏土拉力樁位移影響範圍 (No Interface) 120
圖 E- 2黏土拉力樁應力影響範圍 (No Interface) 120
圖 F- 1砂土拉力樁位移影響範圍 (No Interface) 120
圖 F- 2砂土拉力樁應力影響範圍 (No Interface) 120

表目錄
表 2- 1支承力因子 10
表 2- 2修正之支承力因子 10
表 2- 3詮釋法優缺點評估 18
表 2- 4壓力樁案例I-土層參數 19
表 2- 5壓力樁案例I-樁尺寸及材料參數 19
表 2- 6壓力樁案例II-土層參數 20
表 2- 7壓力樁案例II-樁尺寸及材料參數 20
表 2- 8拉力樁案例II-土層參數 21
表 2- 9拉力樁案例II-樁尺寸及材料參數 21
表 2- 10拉力樁案例III-土層參數 21
表 2- 11拉力樁案例III-樁尺寸及材料參數 21
表 3- 1 MIDAS/GTS NX 三維分析種類整理 23
表 3- 2 MIDAS/GTS NX 分析模式說明 24
表 3- 3材料模式說明 25
表 3- 4邊界條件分類 26
表 3- 5介面元素參數 28
表 3- 6 Mode-II 模型內種類 29
表 3- 7數值模型建構流程 30
表 3- 8 APILE5.0程式設計與分析流程 38
表 4- 1分析域及壁樁尺寸 44
表 4- 2黏土層材料參數 47
表 4- 3砂土層材料參數 47
表 4- 4混凝土材料參數 47
表 4- 5 APILE5.0黏土壓力樁材料參數 62
表 4- 6 APILE5.0砂土壓力樁材料參數 62
表 4- 7 APILE5.0壓力樁基礎材料參數 62
表 4- 8 APILE5.0黏土壓力樁極限承載力 65
表 4- 9APILE5.0砂土壓力樁極限承載力 68
表 4- 10黏土壓力樁詮釋法比較 71
表 4- 11黏土壓力樁靜力學公式 72
表 4- 12黏土壓力樁限承載力比較 73
表 4- 13砂土壓力樁詮釋法比較 76
表 4- 14砂土壓力樁靜力學公式 77
表 4- 15砂土壓力樁極限承載力比較 78
表 5- 1分析域及壁樁尺寸 81
表 5- 2拉拔樁混凝土折減 82
表 5- 3 APILE5.0黏土拉力樁材料參數 89
表 5- 4 APILE5.0砂土拉力樁材料參數 89
表 5- 5APILE5.0拉力樁基礎材料參數 90
表 5- 6APILE5.0黏土拉力樁極限承載力 93
表 5- 7 APILE5.0砂土拉力樁極限承載力 96
表 5- 8黏土拉力樁詮釋法比較 99
表 5- 9黏土拉力樁靜力學公式 100
表 5- 10黏土拉力樁極限承載力比較 101
表 5- 11砂土拉力樁詮釋法比較 104
表 5- 12砂土拉力樁靜力學公式 105
表 5- 13砂土拉力樁極限承載力比較 106

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