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系統識別號 U0002-1907200513363200
中文論文名稱 液化土壤模數折減下樁基動力反應分析
英文論文名稱 Analyses for Dynamic Responses of Pile Foundations Affected by Modulus Reduction of Liquefied Soils
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 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 巫秀星
研究生英文姓名 Sho-Sing Wu
學號 692311409
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-06-17
論文頁數 190頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-李維峰
委員-段永定
中文關鍵字 波動方程分析  樁基  液化  土質折減係數  破壞 
英文關鍵字 Wave equation analysis  pile foundation  liquefaction  soil reduction parameters  failure 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究係以波動方程模擬地盤液化狀態下樁基礎之動態反應,依據現場土層鑽探資料與測站地震紀錄,藉日本相關規範之土壤液化評估法分析其土質折減係數,並將此折減係數施用於土壤模數值,配合集中質塊分析模擬自由場地盤液化反應,再將地盤反應作用於樁之波動方程解,用以說明液化地盤內樁基之變形行為與破壞機制。研究除以員林地區地質構造特性討論相關分析外,並以日本新瀉地震之數項破壞案例驗證本研究之合理性。
研究發現:(1)液化下之土質折減係數分析將不致改變近地表之最大地盤位移和樁體變形量,但將使液化區土層的位移和樁體的變形和彎矩放大,衍生破壞。(2)無論土壤液化與否,大型地震將致使樁基頂部產生過量彎矩和剪力,造成混凝土開裂,進一步產生彎矩破壞並致使樁基被剪斷。(3)經研究發現液化土層中樁基結構系統之破壞模式將以複合型態發生,其並與樁頂束制條件有關;而非液化與液化土層之交界處應注意樁基礎之結構設計(4)本研究建立之簡易分析模式,可涵蓋土層液化時之弱化現象,且能有效掌控地盤反應與樁基礎間互制行為,將有助於預測液化中樁基礎引發之破壞行為。
英文摘要 In this study, wave equation is used to model the dynamic responses of the foundation in a liquefied ground due to the earthquake. Based on the bore-hole data and the seismic records, the soil parameter reduction factor can be obtained from the liquefaction potential analysis such as those suggested in the Japanese codes. The reduction factor can be used to reduce the soil stiffness along the pile in the liquefaction zone. Lumped mass analysis is performed to obtain the free-field response of the liquefied ground. The deformations of the ground are then superimposed onto the pile elements for the discrete wave equation analysis. Thus the pile response and the failure mechanism are investigated. Besides the studies on Yuan-Lin County sites with Chi-Chi earthquake record, a number of case studies for 1964 Niigata earthquake are used to validate the proposed procedures.
The main observations of this study are: (1) The ground displacements at the surface would not be amplified by the soil liquefactions, however the ground and the pile displacements are significantly increased in the zone of liquefaction. (2) With or without the liquefaction, a large earthquake would cause excessive moments and shears for the piles near to the head, in which the pile may fail accordingly. (3) Complex failure mechanism could happen according to the connections between the pile and the cap. Further cautions would be required for the foundation structure near by the interfaces of the liquefied and non-liquefied soil layers. (4) The procedures suggested in this study could predict successfully the pile foundation responses in a liquefied ground. It can be used to model effectively for the failure behavior of the pile foundation due to the soil liquefaction.
論文目次 中文摘要 一
英文摘要 二
本文目錄 I
表目錄 IV
圖目錄 V

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 2

第二章 研究背景 4
2-1 前言 4
2-2 土壤液化發生之機制與影響因素 6
2-2-1 土壤液化現象之機制與定義 6
2-2-2 影響土壤液化之因素 9
2-3 液化損壞型態 14
2-4 液化潛能評估方法回顧 20
2-4-1 簡單準則評估法 20
2-4-2 簡易經驗評估法 22
2-4-3 總應力分析法 29
2-4-4 有效應力分析法 29
2-5 土壤液化與樁基礎行為之影響 31
2-6 液化地層之土質折減規範 33
2-7 波動方程於樁基礎地震反應之發展與應用 35
2-7-1 波動方程基本分析架構 39
2-7-2 自由場分析 54
2-7-3 地震下樁基之波動方程分析 60


2-8 基樁之破壞檢核 68
2-9 土層之等值楊氏模數 72

第三章 液化潛能評估與土質折減應用 77
3-1 前言 77
3-2 SPT-N值液化潛能評估分析方法 78
3-2-1 Tokimatsu與Yoshimi簡易經驗法 80
3-2-2 日本道路橋協會簡易經驗法 85
3-2-3 新日本道路橋協會簡易經驗法 89
3-3 案例地區介紹 95
3-3-1 案例地層概況介紹 95
3-3-2 案例地震紀錄介紹 103
3-4 評估分析結果 106
3-4-1 土壤液化潛能評估分析結果 106
3-4-2 液化土層之折減參數選取 110

第四章 土壤液化之樁基礎結構系統變形行為研究 115
4-1 前言 115
4-2 自由場反應分析 116
4-3 樁基礎變形行為分析 130
4-3-1 樁頂邊界條件之影響 130
4-3-2 液化對基樁變形所造成之影響 135

第五章 案例分析 145
5-1 前言 145
5-2 案例一 日本新瀉NHK大樓 145
5-3 案例二 日本新瀉Showa橋 160
5-4 案例三 日本新瀉NFCH大樓 169


第六章 結論與建議 182
6-1 結論 182
6-2 展望與建議 184

參考文獻 185

表2-1 初步研判土層液化潛能之參數 21
表2-2 日本道路協會規範(1990)之土質參數折減係數DE 34
表2-3 日本道路協會規範(1996)之土質參數折減係數DE 34
表2-4 日本建築學會規範(1998)之土質參數折減係數DE 34
表2-5 不同稠度黏土 之參考值( 摘自 Reese, 1983 )
51
表2-6 D 對應參數 53
表2-7 時域阻尼係數與其對應參數 53
表2-8 Terzaghi (1955)對土壤楊氏模數 之建議值
72
表2-9 Bowles (1988) 估計土壤楊氏模數 經驗式
74
表2-10 各種類土壤之剪力波速、楊氏模數及柏松比範圍
( 摘自 McCarthy, 1998 ) 74
表3-1 日本道路協會新舊土壤液化評估方法之比較
( 摘自 黃俊鴻和陳正興, 1998 ) 79
表3-2 依地震規模之Cs建議值 (吳偉特, 1997) 83
表3-3 不同種類地盤的標準設計水平震度 (日本道路協會, 1996)
92
表3-4 T-Y法、JRA法與NJRA法之比較 94
表3-5 員林鎮土層分佈狀況表
( 摘自 亞新工程顧問股份有限公司, 2000 ) 100
表3-6 大村鄉土層分佈狀況表
( 摘自 亞新工程顧問股份有限公司, 2000 ) 101
表3-7 社頭鄉土層分佈狀況表
( 摘自 亞新工程顧問股份有限公司, 2000 ) 102
表3-8 員林鎮土質參數折減評估分析表 112
表3-9 大村鄉土質參數折減評估分析表 113
表3-10 社頭鄉土質參數折減評估分析表 114
表4-1 土層厚度加權法計算表 118
表4-2 波傳時間累積法計算表 118
表4-3 自由場分析之土壤基本參數 119
表4-4 各土層於不同土質折減規範下之折減係數 120
表4-5 地震液化時自由場地表之位移比較 123
表4-6 地震液化時自由場之位移比較(地表下約6m) 123
表4-7 地震液化時自由場之位移比較(地表下約14m) 123
表4-8 單樁分析中基樁之基本參數假設 132
表4-9 不同土質折減規範於液化作用下樁頂邊界條件之位移 132
表5-1 土壤的基本性質(NHK building) 148
表5-2 樁基的基本參數性質(NHK building) 148
表5-3 波傳時間累積法計算(NHK building) 150
表5-4 土壤的基本性質(Showa Bridge) 162
表5-5 樁基的基本參數性質(Showa Bridge) 162
圖1-1 研究分析流程 3
圖2-1 飽和沙土不排水試驗液化潛能狀態示意圖
( 重繪自Castro, 1669 ) 7
圖2-2 結構體均勻下陷示意圖 16
圖2-3 結構體傾斜破壞示意圖 16
圖2-4 結構體上浮破壞示意圖 16
圖2-5 斜坡破壞示意圖 16
圖2-6 地層滑動破壞示意圖 16
圖2-7 側向流導致之破壞示意圖 16
圖2-8(a) 常見的基腳形式 18
圖2-8(b) 常見的筏式基礎形式 19
圖2-8(c) 常見的深基礎形式 19
圖2-9 土壤液化評估方法之分類 23
圖2-10 美國液化評估簡易法之發展概要(重繪自 翁作新等人, 2004) 25
圖2-11 日本液化評估簡易法之發展概要(重繪自 翁作新等人, 2004) 27
圖2-12 中國大陸液化評估簡易法之發展概要
( 重繪自 翁作新等人, 2004 ) 28
圖2-13 液化土層中樁-土-結構互制示意圖
( 重繪自 Tokimatsu and Asaka , 1998 ) 32
圖2-14 受地震加速度擾動之SDOF系統 42
圖2-15 間接分析法示意圖 44
圖2-16 地盤轉換理論分析法模型示意圖 45
圖2-17 地盤轉換函數分析流程圖 46
圖2-18 基線修正前之速度與位移之歷時圖 49
圖2-19 基線修正後之速度與位移之歷時圖 50
圖2-20 自由場集中質量分解模擬示意圖 55
圖2-21 Chi-Chi 地震下自由場分析數值解之比較 58
圖2-22 Elcentro 地震下自由場分析數值解之比較 59
圖2-23 樁基結構系統受震分割示意圖 60
圖2-24 側向單樁結構系統分解模擬與節塊元素力平衡示意圖 61
圖2-25 樁頂邊界條件(自由端) 63
圖2-26 樁頂邊界條件(剛性端) 63
圖2-27 基樁之有效長度概念(重繪自Bhattacharya et al., 2003 ) 71
圖3-1 Tokimatsu and Yoshimi簡易經驗法(1983)分析流程 84
圖3-2 日本道路橋簡易經驗法液化分析流程圖 88
圖3-3 新日本道路協會經驗法(1996)分析流程圖 93
圖3-4 地震加速度歷時曲線圖(員林國小TCU110) 104
圖3-5 地震加速度歷時曲線圖(湳雅國小TCU138) 105
圖3-6 員林鎮之不同分析法評估之安全係數與土層分佈圖 107
圖3-7 大村鄉之不同分析法評估之安全係數與土層分佈圖 108
圖3-8 社頭鄉之不同分析法評估之安全係數與土層分佈圖 109
圖4-1 液化時自由場集中質量分解模擬示意圖 116
圖4-2 液化對自由場近地表位移歷時反應影響(土層厚度加權法) 124
圖4-3 液化對自由場近地表位移歷時反應影響(波傳累積時間法) 125
圖4-4 液化對自由場位移歷時反應影響,地表下約6m處
(土層厚度加權法) 126
圖4-5 液化對自由場位移歷時反應影響,地表下約6m處
(波傳累積時間法) 127
圖4-6 液化對自由場位移歷時反應影響,地表下約14m處
(土層厚度加權法) 128
圖4-7 液化對自由場位移歷時反應影響,地表下約14m處
(波傳累積時間法) 129
圖4-8 液化作用下土壤勁度折減之樁頂位移歷時曲線圖
(樁頂邊界條件:固定端;等值土層計算方法:波傳累積時間法) 133
圖4-9 液化作用下土壤勁度折減之樁頂位移歷時關係曲線圖
(樁頂邊界條件:自由端;等值土層計算方法:波傳累積時間法) 134
圖4-10 液化作用下樁身與樁周土壤勁度折減之深度-絕對位移
關係曲線圖(樁頂邊界條件:固定端;等值土層計算方
法:波傳累積時間法) 137
圖4-11 液化作用下樁身與樁周土壤勁度折減之深度-絕對位移
關係曲線圖(樁頂邊界條件:自由端;等值土層計算方
法:波傳累積時間法) 138
圖4-12 液化作用下樁身與樁周土壤勁度折減之深度-相對位移
關係曲線圖(樁頂邊界條件:剛性端;等值土層計算方
法:波傳累積時間法) 139
圖4-13 液化作用下樁身與樁周土壤勁度折減之深度-相對位移
關係曲線圖(樁頂邊界條件:自由端;等值土層計算方
法:波傳累積時間法) 140
圖4-14 液化作用下樁身與樁周土壤勁度折減之深度-最大彎矩
關係曲線圖(樁頂邊界條件:固定端;等值土層計算方
法:波傳時間累積法) 141
圖4-15 液化作用下樁身與樁周土壤勁度折減之深度-最大彎矩
關係曲線圖(樁頂邊界條件:自由端;等值土層計算方
法:波傳時間累積法) 142
圖4-16 液化作用下樁身與樁周土壤勁度折減之深度-最大剪力
關係曲線圖(樁頂邊界條件:固定端;等值土層計算方
法:波傳時間累積法) 143



圖4-17 液化作用下樁身與樁周土壤勁度折減之深度-最大剪力
關係曲線圖(樁頂邊界條件:自由端;等值土層計算方
法:波傳時間累積法) 144
圖5-1 樁基礎破壞模式及簡化分析模式(NHK building) 147
圖5-2 樁身位移與彎矩值分佈圖(摘自 林三賢等人, 2005) 147
圖5-3 新瀉大地震加速度歷時曲線圖(測站:701 SMAC-A) 149
圖5-4 新瀉地區土壤情形及液化評估安全係數 151
圖5-5 樁身最大位移剖面分佈圖(NHK building) 153
圖5-6 自由端樁身最大彎矩剖面分佈圖(NHK building) 154
圖5-7 固定端樁身最大彎矩剖面分佈圖(NHK building) 155
圖5-8 樁身最大剪力剖面分佈圖(NHK building) 156
圖5-9(a) 樁身彎矩歷時曲線圖(NHK building) 157
圖5-9(b) 樁身彎矩歷時曲線圖(NHK building) 158
圖5-9(c) 樁身彎矩歷時曲線圖(NHK building) 159
圖5-10 1964年日本新瀉地震對昭和大橋造成之破壞示意圖
( 日本土木學會, 1966 ) 160
圖5-11 樁基礎破壞模式及簡化分析模式(Shower Bridge) 161
圖5-12 樁身位移與彎矩值分佈圖(摘自Meyersohn, 1994) 161
圖5-13 樁身最大位移剖面分佈圖(Showa bridge) 165
圖5-14 自由端樁身最大彎矩剖面分佈圖(Showa bridge) 166
圖5-15 固定端樁身最大彎矩剖面分佈圖(Showa bridge) 167
圖5-16 樁身最大剪力剖面分佈圖(Showa bridge) 168
圖5-17 NHCH building樁基礎破壞模式及簡化分析模式
(摘自 Meyersohn, 1994) 170
圖5-18 PILE-1,PILE-2樁身位移與彎矩值分佈圖
(摘自Meyersohn, 1994) 171
圖5-19 PILE-1樁身最大位移剖面分佈圖(NFCH building) 174
圖5-20 PILE-1自由端樁身最大彎矩剖面分佈圖(NFCH building) 175
圖5-21 PILE-1固定端樁身最大彎矩剖面分佈圖(NFCH building) 176
圖5-22 PILE-1樁身最大剪力剖面分佈圖(NFCH building) 177
圖5-23 PILE-2樁身最大位移剖面分佈圖(NFCH building) 178
圖5-24 PILE-2自由端樁身最大彎矩剖面分佈圖(NFCH building) 179
圖5-25 PILE-2固定端樁身最大彎矩剖面分佈圖(NFCH building) 180
圖5-26 PILE-2樁身最大剪力剖面分佈圖(NFCH building) 181
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51. 林冠吾 (2003), “層狀土壤中之樁基承載力及變形行為”,碩士論文,淡江大學土木工程研究所,台灣,淡水。
52. 吳宗達 (2003), “樁基波動方程分析之視窗化研究與應用”,碩士論文,淡江大學土木工程研究所,台灣,淡水。
53. 賈志揚 (2004), “樁基波動方程分析網際網路化視窗程式之開發”,碩士論文,淡江大學土木工程研究所,台灣,淡水。
54. 鄭世豪 (2004), “簡易橋墩基礎之地震反應分析”,碩士論文,淡江大學土木工程研究所,台灣,淡水。
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