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系統識別號 U0002-1907200717481100
中文論文名稱 動態荷重對土壤-地工不織布過濾行為初探
英文論文名稱 Filtration Behavior of Soil-nonwoven Geotextile Under Cyclic Loads
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 何俊宏
研究生英文姓名 Jun-Hong He
學號 694310227
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-06-27
論文頁數 186頁
口試委員 指導教授-吳朝賢
委員-洪勇善
委員-林三賢
中文關鍵字 動態滲透試驗  動態荷重  地工織物  過濾行為 
英文關鍵字 Dynamic Filtration Test  Cyclic Loads  Geotextile  Filtration behavior 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究主要探討初始應力、應力增量、及不同水力坡降下對土壤-不織布系統過濾行為之影響。本研究為模擬鐵路或道路邊溝排水系統,上層土壤採用粉土質砂土、下層模擬粗顆粒排水層,採用均ㄧ直徑15.85 mm不鏽鋼珠所排列而成,並使用地工織物當分隔層,進行動態過濾試驗,探討土壤-地工織物系統承受動態荷重後其過濾行為之變化。

本研究採用化學黏合不織布進行試驗,試驗採用初始應力0、24.5 kPa、49 kPa、98 kPa、196 kPa,應力增量採用0、24.5 kPa、98 kPa、196 kPa,並控制頻率0.1赫茲及荷重作用次數5000次;試驗時當承受動態荷重時記錄其作用應力、時間、及土壤沉陷量,而後進行透水試驗,紀錄當時溫度與滲流量,試驗後量測土壤流失量;將試驗所得之滲流量、滲透係數、土壤孔隙比進行分析與討論。

試驗結果顯示:(1)當初始應力24.5 kPa應力增量0與初始應力0應力增量24.5 kPa及無荷重試驗結果相較,其系統最終滲流量與滲透係數最大差異性為20 %,顯示當土壤承受總應力24.5kPa以內,其過濾行為與無荷重時差異不大。(2)土壤-不織布系統最終滲流量及滲透係數隨初始應力或應力增量增加而上升,顯示不織布與不鏽鋼珠界面因動態荷重作用造成不織布受張力作用,因而織物有效開孔徑增大,造成系統最終滲流量與滲透係數上升。(3)由全部試驗總結,系統滲流量與滲透係數皆隨總應力增加而增大,且隨總應力增加,滲流量與滲透係數增量有下降趨勢,但與水力坡降並無關係。系統僅承受初始應力98 kPa及196 kPa試驗可發現,因土壤壓縮程度已達極限,故最終滲流量與滲透係數增量已不明顯。(4)由總應力98 kPa與總應力196 kPa試驗結果顯示,當系統同時承受初始應力與動態應力增量時,將提高系統之滲流量與滲透係數;僅承受動態應力增量時,系統之滲流量與滲透係數次之;僅承受初始應力時,系統之滲流量與滲透係數為最低。(5)各試驗後之土壤孔隙比顯示,土壤孔隙比隨總應力增加而降低,但滲流量與滲透係數不隨土壤孔隙比降低而降低,故動態載重對土壤-織物系統之過濾行為影響甚大。
英文摘要 In this research, in order to understand filtration behavior of soil-nonwoven geotextile under cyclic loads, proceeding dynamic filtration test according to ASTM D4716 constant head test and improve it. The test specimen contains: (1)Sandy-soil with 14 % fine particles on upper levels, (2)Nonwoven Geotextile sealed by clamping a pair of steel rings, (3)In order to simulate road or railroad edge drain system, using stainless beads with the same diameter 15.85 mm on the bottom. Discuss the influence of the filtration behavior of soil-nonwoven system after dynamic filtration test on sustained loads, increment of stress and varied gradient ratio (i = 1, 5, 10). This research use chemical-bonded geotextile for the tests and adopted four sustained loads(0、24.5、49、98、196 kPa), four increment of stress (0、24.5、98、196 kPa), are controlled at 0.1 hertz and 5000 times of cyclic loads.

The results show: (1)While total stress no more than 24.5 kPa, the filtration behavior can be explained to no variation with the test without load. (2)Because of the interaction between geotextile and stainless beads, apparent opening size of geotextile is increased by tension force, besides cause flow rate of discharge and permeability rising by increasing initial stress or increment of stress. (3)As the total stress rises, the flow rate of discharge and permeability decline. (4) The test results of total stress 98 and 196 kPa shows when subjected to initial stress and increment of stress at the same time, it supply to highest flow of discharge and permeability; when subjected to only increment of stress, it supply to middle flow of discharge and permeability; when subjected to only initial stress, it supply to lowest flow of discharge and permeability. (5) Void ratio decreased with the increasing of total stress, but not the flow of discharge and permeability.
論文目次 目錄

目錄 I
表目錄 V
圖目錄 VII
第一章 緒 論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 研究方法 2
1.4 論文架構 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 地工織物簡介 5
2.2 地工織物開孔徑分佈 5
2.2.1 織物孔徑結構之定義 5
2.2.2 織物孔徑之量測 6
2.3 過濾排水理論 8
2.3.1 過濾排水現象 9
2.3.2 過濾排水機制 10
2.3.3 影響過濾行為之因素 15
2.4 過濾排水準則 15
2.4.1 滲透性準則 16
2.4.2 阻留準則 16
2.4.3 抗阻塞準則 17
2.5 地工織物於道路工程之應用 18
2.5.1 路基、基層排水系統 19
2.5.2 路肩排水系統 19
2.6 動態荷重下之相關研究 20
2.7 張應變影響土壤-織物過濾行為之相關研究與應用 27
第三章 研究計畫與試驗方法 53
3.1 研究計畫 53
3.1.1 試驗規劃 53
3.1.2 試驗項目及流程 54
3.2 試驗材料之基本性質 54
3.2.1 地工織物基本性質 54
3.2.2 土壤材料基本性質 54
3.3 試驗設備 55
3.3.1 地工織物伸張設備 55
3.3.2 地工織物透水速率試驗設備 56
3.3.3 地工織物開孔徑分佈量測試驗設備 56
3.3.4 土壤-地工織物系統動態過濾試驗設備 57
3.3.5 土壤-地工織物系統過濾試驗設備 60
3.4 儀器校正 62
3.4.1 線性位移計 (LVDT) 63
3.4.2 荷重計 (Load cell) 63
3.4.3 試驗軟體 63
3.5 試驗簡介與試驗方法 64
3.5.1 地工織物固定步驟 64
3.5.2 地工織物透水速率試驗步驟 65
3.5.3 地工織物開孔徑分佈量測試驗步驟 65
3.5.4 土壤-地工織物系統過濾試驗步驟 67
3.5.5 土壤-地工織物系統動態過濾試驗步驟 70
3.6 試驗結果分析方法 73
第四章 試驗結果分析與討論 103
4.1 織物拉伸試驗 103
4.2 織物開孔徑量測試驗 103
4.3 土壤-地工織物系統之過濾試驗 104
4.4 土壤-地工織物動態荷重試驗 107
4.4.1 土壤-不織布系統無荷重下過濾行為 107
4.4.2 土壤-不織布系統承受初始應力作用下過濾行為 108
4.4.3 承受初始應力及動態應力增量作用下之過濾行為 112
4.5 綜合討論 118
4.5.1 初始應力不同,無應力增量試驗結果之比較 118
4.5.2 初始應力相同,應力增量不同之結果比較 119
4.5.3 初始應力不同應力增量相同之比較 120
4.5.4 總應力相同初始條件不同之比較 121
4.5.5 各條件下土壤孔隙比之比較 123
第五章 結論與建議 173
5.1 結論 173
5.2 建議 175
參考文獻 177
附錄1 塊規、Load cell校正結果 183
附錄2分級玻璃珠粒徑、溫度修正因子 185
表目錄

表2.1 地工織物滲透準則(摘自Christopher and Fischer, 1992) 30
表2.2 無因次之水力傳導係數λp之整理表
(摘自Williams et al., 1990) 31
表2.3 無因次之水力傳導係數λR之整理表
(摘自Williams et al., 1990 ) 32
表2.4 摘自FHWA之過濾/排水,沖蝕控制之選材 33
表3.1 織物基本性質 75
表3.2 試驗土壤基本性質 75
表4.1 鋼珠粒徑與停留百分比 126
表4.2 試驗滲流量結果整理(初始應力相同,增量不同) 127
表4.3 滲流量倍數變化整理(初始應力相同,增量不同) 128
表4.4 初始應力不同無增量試驗結果及倍數變化整理 129
表4.5 總應力相同之試驗結果及倍數關係 130
表4.6 各試驗土壤孔隙比及流失量 131
附表1.1 塊規校正結果 184
附表1.2 Load cell校正結果 184
附表2.1 分級玻璃珠粒徑一覽表 186
附表2.2 溫度修正因子(Rt) 186


圖目錄

圖2.1 織物孔隙通道示意圖(摘自 Fischer, 1994) 34
圖2.2 土壤顆粒與地工織物孔隙通道示意圖 34
圖2.3 水銀滲入法量測之織物開孔徑分佈
(摘自 Holtz and Luna, 1989) 35
圖2.4 不同水流狀況之地工織物護坡(摘自 Lawson, 1982) 36
圖2.5 阻塞機制圖(摘自 Rollin et al., 1988) 37
圖2.6 堵塞機制圖(摘自 Rollin et al., 1988) 37
圖2.7 遮蔽機制圖(摘自 Rollin et al., 1988) 38
圖2.8 土壤與地工織物界面層之階段變化
(摘自 Mlynarek et al., 1991) 38
圖2.9 橋式架空結構(Bridge Network Formation)
(摘自 Mlynarek et al., 1991) 39
圖2.10 圓拱架空結構(Vault Network Formation)
(摘自 Mlynarek et al., 1991) 39
圖2.11 典型土壤與地工織物系統之過濾行為(摘自 Lawson, 1982) 40
圖2.12 土壤與地工織物系統之長期滲透試驗行為
(摘自 Rollin et al., 1985) 41
圖2.13 地工織物作為道路路基材料之分隔與加勁
(摘自 張達德,1995) 42
圖2.14 地工織物作為鐵路路基材料之分隔層(摘自 張達德,1995) 43
圖2.15 基層排水系統(摘自 張達德,1992) 43
圖2.16 底層排水系統(摘自 張達德,1992) 44
圖2.17 地工織物之路肩排水系統(摘自 張達德,1992) 44
圖2.18 試驗裝置圖(摘自 Snaith and Bell, 1978) 45
圖2.19 試驗裝置圖(摘自 Hoare, 1982) 45
圖2.20 S.C.V.值與作用次數關係圖 (摘自 Hoare, 1982) 46
圖2.21 S.C.V.值與頻率關係圖 (摘自 Hoare, 1982) 46
圖2.22 滲透係數與作用次數關係圖 (摘自 Saxena, 1988) 47
圖2.23 沉陷量與作用次數關係圖 (摘自 Lafleur, 1990) 47
圖2.24 沉陷量與作用次數關係圖 (摘自 Lafleur, 1990) 48
圖2.25 土壤重量與作用次數關係圖 (摘自 Floss, 1990) 48
圖2.26 沉陷量與作用次數關係圖 (摘自 McMorrow, 1990) 49
圖2.27 試體裝置圖 (摘自 Narejo, 1992) 49
圖2.28 動態荷重機制圖 (摘自 Lafleur, 1996) 50
圖2.29 試體裝置圖 (摘自 Lafleur, 1996) 50
圖2.30 車轍深度與路基-織物關係圖 (摘自 Lafleur, 1996) 51
圖2.31 織物伸張及未伸張之流率變化圖
(摘自 Fourie and Kuchena, 1995) 52
圖2.32 織物伸張及未伸張之流率變化圖(續)
(摘自 Fourie and Kuchena, 1995) 52
圖3.1 試驗項目 76
圖3.2 研究試驗流程圖 77
圖3.3 試驗土壤之粒徑分佈曲線 78
圖3.4 改繪自 ASTM D4595規範之地工織物寬幅拉伸試驗示意圖 78
圖3.5 織物拉伸試驗機示意圖 (摘自 王瑞鴻,2006) 79
圖3.6 織物拉伸試驗機照片 (摘自 王瑞鴻,2006) 79
圖3.7 地工織物透水速率試驗設備示意圖 (摘自 王瑞鴻,2006) 80
圖3.8 地工織物透水速率試驗設備照片 (摘自 王瑞鴻,2006) 80
圖3.9 地工織物開孔徑分佈量測試驗設備示意圖
(摘自 王瑞鴻,2006) 81
圖3.10 地工織物開孔徑分佈量測試驗設備照片(摘自 王瑞鴻,2006) 81
圖3.11 動態透水試驗儀示意圖 82
圖3.12 動態透水試驗儀組裝照片 83
圖3.13 動態透水試驗儀組裝照片(土壤裝置於艙室) 83
圖3.14 動態透水試驗儀元件 84
圖3.15 動態荷重試驗平台 84
圖3.16 試驗擷取軟體版面 85
圖3.17 動態試驗擷取軟體設定版面 86
圖3.18 ASTM D5101型式坡降比試驗透水儀示意圖 87
圖3.19 改良之坡降比試驗整體示意圖 (摘自 王瑞鴻,2006) 88
圖3.20 改良之透水儀示意圖 (摘自 王瑞鴻,2006) 89
圖3.21 改良之透水儀配件照片 (摘自 王瑞鴻,2006) 90
圖3.22 LVDT校正結果 91
圖3.23 Load cell校正結果 91
圖3.24 頻率0.1赫茲試驗結果 92
圖3.25 頻率0.2赫茲試驗結果 92
圖3.26 頻率0.3赫茲試驗結果 93
圖3.27 頻率0.4赫茲試驗結果 93
圖3.28 頻率0.5赫茲試驗結果 94
圖3.29 頻率0.6赫茲試驗結果 94
圖3.30 固定地工織物流程 95
圖3.31 地工織物伸張後之試體取樣過程照片 96
圖3.32 地工織物透水速率試驗流程 97
圖3.33 地工織物開孔徑量測試驗流程 98
圖3.34 電子顯微鏡下放大50倍之玻璃珠顆粒
(摘自 王瑞鴻,2006) 99
圖3.35 地工織物坡降比試驗流程 100
圖3.36 地工織物動態荷重過濾試驗流程 101
圖4.1 不織布張力與張應變關係 132
圖4.2 不織布張應變與極限張力百分比關係 132
圖4.3 不織布之開孔徑分佈曲線 133
圖4.4 GR值及滲流量與延時關係圖 134
圖4.5 滲透係數k13值及k35值與延時關係圖 134
圖4.6 土壤-不織布系統流率與延時關係圖 135
圖4.7 土壤-不織布系統滲透係數與延時關係圖 135
圖4.8 無荷重試驗後織物照片 136
圖4.9 流率與延時關係圖(初始應力24.5 kPa) 137
圖4.10 滲透係數與延時關係圖(初始應力24.5 kPa) 137
圖4.11 試驗後織物照片(初始應力24.5 kPa) 138
圖4.12 流率與延時關係圖(初始應力98 kPa) 139
圖4.13 滲透係數與延時關係圖(初始應力98 kPa) 139
圖4.14 試驗後織物照片(初始應力98 kPa) 140
圖4.15 流率與延時關係圖(初始應力196 kPa) 141
圖4.16 滲透係數與延時關係圖(初始應力196 kPa) 141
圖4.17 試驗後織物照片(初始應力196 kPa) 142
圖4.18 流率與延時關係圖(初始應力0,增量24.5 kPa) 143
圖4.19 滲透係數與延時關係圖(初始應力0,增量24.5 kPa) 143
圖4.20 作用應力與時間關係圖(初始應力0,增量24.5 kPa) 144
圖4.21 沉陷量與時間關係圖(初始應力0,增量24.5 kPa) 144
圖4.22 試驗後織物照片(初始應力0,增量24.5 kPa) 145
圖4.23 流率與延時關係圖(初始應力0,增量98 kPa) 146
圖4.24 滲透係數與延時關係圖(初始應力0,增量98 kPa) 146
圖4.25 作用應力與時間關係圖(初始應力0,增量98 kPa) 147
圖4.26 沉陷量與時間關係圖(初始應力0,增量98 kPa) 147
圖4.27 試驗後織物照片(初始應力0,增量98 kPa) 148
圖4.28 流率與延時關係圖(初始應力0,增量196 kPa) 149
圖4.29 滲透係數與延時關係圖(初始應力0,增量196 kPa) 149
圖4.30 作用應力與時間關係圖(初始應力0,增量196 kPa) 150
圖4.31 作用應力與時間關係圖(初始應力0,增量196 kPa) 150
圖4.32 試驗後織物照片(初始應力0,增量196 kPa) 151
圖4.33 流率與延時關係圖(初始應力49 kPa,增量49 kPa) 152
圖4.34 滲透係數與延時關係圖(初始應力49 kPa,增量49 kPa) 152
圖4.35 作用應力與時間關係圖(初始應力49 kPa,增量49 kPa) 153
圖4.36 沉陷量與時間關係圖(初始應力49 kPa,增量49 kPa) 153
圖4.37 試驗後織物照片(初始應力49 kPa,增量49 kPa) 154
圖4.38 流率與延時關係圖(初始應力98 kPa,增量24.5 kPa) 155
圖4.39 滲透係數與延時關係圖(初始應力98 kPa,增量24.5 kPa) 155
圖4.40 作用應力與時間關係圖(初始應力98 kPa,增量24.5 kPa) 156
圖4.41 沉陷量與時間關係圖(初始應力98 kPa,增量24.5 kPa) 156
圖4.42 試驗後織物照片(初始應力98 kPa,增量24.5 kPa) 157
圖4.43 流率與延時關係圖(初始應力98 kPa,增量98 kPa) 158
圖4.44 滲透係數與延時關係圖(初始應力98 kPa,增量98 kPa) 158
圖4.45 作用應力與時間關係圖(初始應力98 kPa,增量98 kPa) 159
圖4.46 沉陷量與時間關係圖(初始應力98 kPa,增量98 kPa) 159
圖4.47 試驗後織物照片(初始應力98 kPa,增量98 kPa) 160
圖4.48 無應力增量之流率與延時關係圖(初始應力0、24.5、98、196 kPa) 161
圖4.49 無應力增量之滲透係數與延時關係圖
(初始應力0、24.5、98、196 kPa) 161
圖4.50 初始應力與滲透係數之關係(應力增量=0) 162
圖4.51 最終滲透係數倍數與初始應力之關係(應力增量=0) 162
圖4.52 流率與延時關係圖(初始應力0,增量不同) 163
圖4.53 滲透係數與延時關係圖(初始應力0,增量不同) 163
圖4.54 應力增量與滲透係數之關係(初始應力=0及98kPa) 164
圖4.55 最終滲透係數倍數與應力增量之關係(初始應力=0) 164
圖4.56 最終滲透係數倍數與應力增量之關係(初始應力=98 kPa) 165
圖4.57 流率與延時關係圖(初始應力98 kPa,增量不同) 166
圖4.58 滲透係數與延時關係圖(初始應力98 kPa,增量不同) 166
圖4.59 流率與延時關係圖(初始應力0及98 kPa) 167
圖4.60 滲透係數與延時關係圖(初始應力0及98 kPa) 167
圖4.61 總應力98 kPa各條件下流率與延時關係圖 168
圖4.62 總應力98 kPa各條件下滲透係數與延時關係圖 168
圖4.63 總應力196 kPa各條件下流率與延時關係圖 169
圖4.64 總應力196 kPa各條件下滲透係數與延時關係圖 169
圖4.65 不同應力條件之滲透係數與延時關係圖 170
圖4.66 孔隙比不同下之滲透係數與延時關係圖(初始應力及增量影響) 170
圖4.67 孔隙比相同下之滲透係數與延時關係圖 171
圖4.68 孔隙比與總應力關係圖 171

參考文獻 參考文獻

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