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系統識別號 U0002-2002201313212300
中文論文名稱 動態載重頻率對土壤-地工不織布過濾行為的影響
英文論文名稱 The Influence of Cyclic Loading Frequency on Filtration Behavior of Soil-nonwoven Geotextile Systems
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 101
學期 1
出版年 102
研究生中文姓名 余仁浩
研究生英文姓名 Jen-Hao Yu
學號 699380555
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-01-15
論文頁數 108頁
口試委員 指導教授-吳朝賢
委員-楊國鑫
委員-洪勇善
中文關鍵字 動態載重  加載頻率  土壤-地工織物複合系統  過濾行為 
英文關鍵字 cyclic loading  frequency  soil-geotextile system  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 為了模擬現地土壤、織物、排水材料受載重作用和加載頻率對排水溝渠過濾系統的影響,本研究進行動態載重下土壤-不織布系統之過濾滲透試驗,主要探討在不同水力梯度下載重作用、不同的加載頻率對土壤-不織布複合體系統過濾行為之影響。試驗土壤採用黏土質砂土,不織布下方利用不鏽鋼珠模擬粗顆粒排水層,採用均ㄧ直徑15.85 mm 排列而成,進行過濾試驗,根據試驗結果探討複合體系統承受載重及加載頻率作用後其過濾行為之影響。本研究採用一款針軋不織布進行試驗,試驗將進行系統未加載0 kPa以及靜態載重為40 kPa、65kPa、100 kPa,動態載重為35 kPa、70 kPa、100 kPa,作用頻率為0.1 Hz、1 Hz、2 Hz、5 Hz之組合,並控制載重作用次數為5000 次。試驗過程複合體系統承受載重頻率影響,並記錄其作用應力、時間、及土壤沉陷量。進行過濾試驗時,記錄試驗延時、系統沉陷量與滲流量,試驗後量測土壤流失量和織物上土壤殘留量,及根據實驗結果量測之流量、時間及水力梯度,利用達西定律 Q/t=q=kiA ,來求取流率(q)及滲透係數(k)以描述整體土壤-織物複合層的過濾特性,並進行相關分析與探討。
試驗結果顯示,土壤-不織布複合體系統加載後,造成土壤試體壓縮,同時不織布也產生擠壓,不同的加載頻率將引起不織布產生相異之變化,加載頻率的快慢會影響土壤-不織布系統水流通過的能力,在低水力梯度時加載頻率1 Hz以下隨著載重越大而提高整體滲透性,而加載頻率2 Hz以上隨著載重越大而降低整體滲透性,因此加載頻率快慢將影響土壤-不織布系統過濾行為。高水力梯度下對整體的過濾行為影響逐漸減小,過濾行為逐漸接近純土壤行為。
英文摘要 Geotextiles are often subject to different load types in their filtration applications. The load action can cause changes in soil density, geotextile stretching and flow interaction at the soil-geotextile interface. All of these load-induced changes to a geotextile may affect the filtration behaviour of the soil-geotextile system. The impact of loading frequency on the filtration behaviour of soil-nonwoven geotextile combinations has been studied through a series of tests using an experimental apparatus designed specially for the laboratory tests. In these tests, the soil-geotextile combination was fabricated by inserting a piece of nonwoven geotextile between a 50 mm thick soil layer and a layer of steel beads. One needle-punch nonwoven geotextile was employed in this study. One of the three load types, namely sustained, pulsatory and a combination of both was applied to the combination prior to each filtration test. For the latter two load types, one of the loading frequencies, namely 0.1 Hz, 1 Hz, 2 Hz and 5 Hz was applied to the combination. A total of 5000 cycles of repeated load was applied to the combination for each load test. After applying this specific type of load on a soil-geotextile combination, water was allowed to flow down through the combination from the soil into a drainage layer set at various hydraulic gradients. The flow rates corresponding to elapsed times were measured and the average hydraulic conductivity value was extracted by using Darcy’s law to characterize the filtration performance of the entire soil-geotextile combination. Variations in the average hydraulic conductivity value with respect to the soil void ratio, magnitude and type of normal load were examined.
The experimental results revealed that the void ratio of soil decreased with the increase of total load. For the water flows through the combination with low hydraulic gradient, hydraulic conductivity of the combination increases with the increase in total load if low loading frequency was applied to the system. Higher frequency produced reverse results, hydraulic conductivity of the combination decrease with the increase in total load. Loading frequency reduces its effect on the hydraulic conductivity of a soil-geotextile combination while water flows through the combination with high hydraulic gradient.
論文目次 目錄

目錄 I
圖目錄 III
表目錄 VII
第一章 緒 論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 研究方法 2
1.4 論文架構 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 地工織物簡介 4
2.2 過濾原理 4
2.2.1 過濾現象 4
2.2.2 過濾行為 5
2.2.3 影響過濾行為之因素 6
2.3 開孔率對土壤-織物過濾行為的影響 7
2.4 載重作用下過濾試驗之相關研究 7
第三章 研究計畫與試驗方法 22
3.1 研究計畫 22
3.1.1 試驗規畫 22
3.1.2 試驗項目及流程 22
3.2 試驗材料之基本性質 25
3.2.1 地工織物基本性質 25
3.2.2 土壤材料基本性質 25
3.3 試驗設備 28
3.3.1 土壤-地工織物系統載重過濾試驗設備 28
3.3.2 土壤-地工織物系統坡降比試驗 30
3.4 設備之儀器校正 39
3.4.1 線性位移計(LVDT) 39
3.4.2 荷重計(Load Cell) 39
3.4.3 試驗軟體 39
3.5 試驗介紹與試驗方法 45
3.5.1 土壤-地工織物系統受載重頻率作用之過濾試驗步驟 45
3.5.2 土壤-織物複合體系統之坡降比試驗步驟 47
3.6 試驗結果分析方法 48
第四章 試驗結果分析與討論 52
4.1 載重頻率對土壤-地工不織布系統過濾行為影響 53
4.1.1 土壤-地工不織布系統未加載過濾試驗 53
4.1.2 靜態載重40 kPa 動態載重35 kPa 系統加載過濾試驗 54
4.1.3 靜態載重65 kPa 動態載重35 kPa 系統加載過濾試驗 56
4.1.4 靜態載重65 kPa 動態載重70 kPa 系統加載過濾試驗 58
4.1.5 靜態載重100 kPa 動態載重100 kPa 系統加載過濾試驗 60
4.1.6 單純靜態載重系統加載過濾試驗 62
4.2 試驗結果綜合比較 76
4.2.1 各組試驗相關數據 76
4.2.2 固定頻率下各載重組合之試驗延時與滲透係數變化關係 77
4.2.3 純靜態載重之試驗延時與滲透係數變化關係 79
4.2.4 各水力梯度下最終滲透係數與加載頻率之關係 80
4.2.5 土壤-不織布系統於經驗公式之最終滲透係數與孔隙比分析 81
4.3 土壤在不同孔隙比之滲透係數 92
4.3.1 不同孔隙比之坡降比試驗結果 92
4.3.2 加載頻率對土壤-不織布組合滲透係數的影響 94
第五章 結論與建議 105
5.1 結論 105
5.2 建議 106
參考文獻 107


圖目錄

圖 2.1 阻塞機制圖(摘自 Rollin et al.,1988) 11
圖 2.2 堵塞機制圖(摘自 Rollin et al.,1988) 11
圖 2.3 遮蔽機制圖 (摘自 Rollin et al.,1988) 12
圖 2.4 土壤與地工織物界面之階段變化 12
圖 2.5 土壤與地工織物系統之長期滲透試驗行為 (摘自Rollin et al.,1985) 13
圖 2.6 過濾系統之GR值與開孔率關係圖(摘自Wu et al.,2006) 14
圖 2.7 不同試驗下之織物厚度與應力關係圖(摘自Palmeira et al.,2002)14
圖 2.8 織物GA在不同加載下之纖維分布(摘自Palmeira et al.,2002) 15
圖 2.9 不同試驗中織物的滲透性與應力關係圖(摘自Palmeira et al.,2002)15
圖 2.10 滲透係數與正向應力關係圖(摘自Palmeira et al.,2002) 16
圖 2.11 試驗裝置圖(摘自Narejo and Koerner, 1992) 16
圖 2.12 滲透係數與作用次數關係圖(摘自Saxena and Hsu, 1986) 17
圖 2.13 試驗艙室及試驗儀器圖(摘自Hong and Wu, 2011) 17
圖 2.14 GT1與GT2織物基本性質(摘自Hong and Wu, 2011) 18
圖 2.15 GT1與GT2之過濾試驗結果(摘自Hong and Wu, 2011) 18
圖 2.16 GT1之過濾試驗結果(摘自Hong and Wu, 2011) 19
圖 2.17 GT2 靜載0 kPa之試驗結果(摘自Hong and Wu, 2011) 19
圖 2.18 GT2 靜載49 kPa之試驗結果(摘自Hong and Wu, 2011) 20
圖 2.19 GT2 靜載98 kPa之試驗結果(摘自Hong and Wu, 2011) 20
圖 2.20 k與e3/(1+e) 之試驗結果比較(摘自Hong and Wu, 2011) 21
圖 3.1 不銹鋼珠排列方式 23
圖 3.2 試驗流程圖 24
圖 3.3 粒徑分佈曲線 27
圖 3.4 載重過濾試驗設備示意圖(摘自楊蕙旭,2008) 32
圖 3.5 過濾滲透試驗儀(土壤-地工織物複合體之艙室) 33
圖 3.6 試驗元件圖 33
圖 3.7 空氣壓縮機 34
圖 3.8 量測數據電腦 34
圖 3.9 坡降比試驗艙室示意圖(摘自王瑞鴻,2006) 35
圖 3.10 改良之坡降比試驗整體示意圖(摘自王瑞鴻,2006) 36
圖 3.11 改良之坡降比試驗艙室示意圖(摘自王瑞鴻,2006) 37
圖 3.12 改良之坡降比試驗儀器組裝照片 38
圖 3.13 改良之坡降比試驗元件圖 38
圖 3.14 線性位移計與荷重計 40
圖 3.15 線性位移計(LVDT)校正圖 40
圖 3.16 線性位移計校正曲線係數 41
圖 3.17 Load cell(A)校正圖 42
圖 3.18 Load cell(B)校正圖 42
圖 3.19 加載頻率0.1 Hz 43
圖 3.20 加載頻率1 Hz 43
圖 3.21 加載頻率2 Hz 44
圖 3.22 加載頻率5 Hz 44
圖 3.23 土壤-地工織物動態載重頻率過濾試驗流程圖 50
圖 3.24 土壤-地工織物系統之坡降比試驗流程圖 51
圖 4.1 系統未加載之流率及滲透係數與時間關係(試驗儀器A) 65
圖 4.2 系統未加載之流率及滲透係數與時間關係(試驗儀器B) 65
圖 4.3 靜載40 kPa動載35 kPa加載頻率0.1 Hz之流率及滲透係數與時間關係 66
圖 4.4 靜載40 kPa動載35 kPa加載頻率1 Hz之流率及滲透係數與時間關係66
圖 4.5 靜載40 kPa動載35 kPa加載頻率2 Hz之流率及滲透係數與時間關係67
圖 4.6 靜載40 kPa動載35 kPa加載頻率5 Hz之流率及滲透係數與時間關係67
圖 4.7 靜載65 kPa動載35 kPa加載頻率0.1 Hz之流率及滲透係數與時間關係 68
圖 4.8 靜載65 kPa動載35 kPa加載頻率1 Hz之流率及滲透係數與時間關係68
圖 4.9 靜載65 kPa動載35 kPa加載頻率2 Hz之流率及滲透係數與時間關係69
圖 4.10 靜載65 kPa動載70 kPa加載頻率0.1 Hz之流率及滲透係數與時間關係 69
圖 4.11 靜載65 kPa動載70 kPa加載頻率1 Hz之流率及滲透係數與時間關係70
圖 4.12 靜載65 kPa動載70 kPa加載頻率2 Hz之流率及滲透係數與時間關係70
圖 4.13 靜載65 kPa動載70 kPa加載頻率5 Hz之流率及滲透係數與時間關係71
圖 4.14 靜載100 kPa動載100 kPa加載頻率0.1 Hz 之流率及滲透係數與時間關係 71
圖 4.15 靜載100 kPa動載100 kPa加載頻率1 Hz之流率及滲透係數與時間關係 72
圖 4.16 靜載100 kPa動載100 kPa加載頻率2 Hz之流率及滲透係數與時間關係 72
圖 4.17 靜載100 kPa動載100 kPa加載頻率5 Hz之流率及滲透係數與時間關係 73
圖 4.18 靜載75 kPa動載0 kPa之流率及滲透係數與時間關係 73
圖 4.19 靜載100 kPa動載0 kPa之流率及滲透係數與時間關係 74
圖 4.20 靜載135 kPa動載0 kPa之流率及滲透係數與時間關係 74
圖 4.21 靜載200 kPa動載0 kPa之流率及滲透係數與時間關係 75
圖 4.22 加載頻率0.1 Hz之滲透係數與試驗延時關係 85
圖 4.23 加載頻率1 Hz之滲透係數與試驗延時關係 85
圖 4.24 加載頻率2 Hz之滲透係數與試驗延時關係 86
圖 4.25 加載頻率5 Hz之滲透係數與試驗延時關係 86
圖 4.26 純靜態載重之滲透係數與試驗延時關係 87
圖 4.27 水力梯度i=1下最終滲透係數與加載頻率關係 87
圖 4.28 水力梯度i=5下最終滲透係數與加載頻率關係 88
圖 4.29 水力梯度i=10下最終滲透係數與加載頻率關係 88
圖 4.30 各水力梯度下純土壤層最終滲透係數與e3/(1+e)之關係 89
圖 4.31 加載頻率0.1 Hz之最終滲透係數與e3/(1+e)關係 89
圖 4.32 加載頻率1 Hz之最終滲透係數與e3/(1+e)關係 90
圖 4.33 加載頻率2 Hz之最終滲透係數與e3/(1+e)關係 90
圖 4.34 加載頻率5 Hz之最終滲透係數與e3/(1+e)關係 91
圖 4.35 純靜態載重作用之最終滲透係數與e3/(1+e)關係 91
圖 4.36 孔隙比e=0.62 系統GR值與流率變化 97
圖 4.37 孔隙比e=0.62 土壤-不織布層與純土壤層滲透係數變化 97
圖 4.38 孔隙比e=0.55 系統GR值與流率變化 98
圖 4.39 孔隙比e=0.55 土壤-不織布層與純土壤層滲透係數變化 98
圖 4.40 孔隙比e=0.5 系統GR值與流率變化 99
圖 4.41 孔隙比e=0.5 土壤-不織布層與純土壤層滲透係數變化 99
圖 4.42 孔隙比e=0.43 系統GR值與流率變化 100
圖 4.43 孔隙比e=0.43 土壤-不織布層與純土壤層滲透係數變化 100
圖 4.44 四種孔隙比土壤-不織布層滲透係數比較 101
圖 4.45 四種孔隙比純土壤層滲透係數比較 101
圖 4.46 水力梯度i=1各加載頻率最終滲透係數與e3/(1+e)之關係 102
圖 4.47 水力梯度i=5加載頻率0.1 Hz、1 Hz最終滲透係數與e3/(1+e)之關係 103
圖 4.48 水力梯度i=5加載頻率2 Hz、5 Hz最終滲透係數與e3/(1+e)之關係 103
圖 4.49 水力梯度i=10加載頻率0.1 Hz、1 Hz最終滲透係數與e3/(1+e)之關係 104
圖 4.50 水力梯度i=10加載頻率2 Hz、5 Hz最終滲透係數與e3/(1+e)之關係 104


表目錄

表 3.1 針軋不織布之基本性質(摘自侯政賢,2010) 26
表 3.2 土壤基本性質 27
表 3.3 線性位移計校正結果 41
表 4.1 各試驗結果之相關數據 83
表 4.2 各試驗結果之土壤沉陷量與孔隙比 84
表 4.3 四種孔隙比之土壤-不織布層與純土壤層最終滲透係數 102
參考文獻 1. 吳朝賢(1990),“地工織物過濾功能之應用考量”,地工技術雜誌,第32期,第41-55頁。
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4. 楊蕙旭(2007),“動態荷重對土壤-地工不織布過濾行為的影響”,淡江大學土木工程研究所碩士論文,台北。
5. 侯政賢(2010),“張應變對土壤-地工不織布過濾行為之影響”,淡江大學土木工程研究所碩士論文,台北。
6. 歐陽沛汝(2011),“靜態荷重對土壤-地工合成材過濾行為的影響”,淡江大學土木工程研究所碩士論文,台北。
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16. Williams, N.D., Abouzakhm, M.A., (1989), “Evaluation of Geotextile-Soil Filtration Characteristics Using the Hydraulic Conductivity”, Geotextiles and Geomembranes, Vol. 8, pp. 1-26.
17. Wu, C.S., Hong, Y.S., Yan, Y.W., and Chang, B.S., (2006), “Soil-nonwoven Geotextile Filtration Behavior Under Contact with Drainage Materials”, Geotextiles and Geomembranes, Vol. 24, pp. 1-10.
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