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系統識別號 U0002-2402202017151000
中文論文名稱 單一節瘤土釘二維數值模擬之初步研究
英文論文名稱 Preliminary study on two-dimensional numerical analysis of precast soil nail with single knot
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 108
學期 1
出版年 109
研究生中文姓名 楊子萱
研究生英文姓名 Tzu-Hsuan Yang
學號 607380051
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-01-08
論文頁數 134頁
口試委員 指導教授-洪勇善
委員-吳朝賢
委員-楊國鑫
中文關鍵字 土釘  單一節瘤  數值模擬  周圍土壤間之漸進式破壞 
英文關鍵字 soil nail  single knot  numerical modeling  asymptotic failure behavior between surrounding soils 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究主要以二維軸對稱數值分析方法分別建立傳統灌漿釘、螺桿釘與單一節瘤釘拉出數值模型,與實驗室拉出試驗結果進行比較,並探究土釘於拉出期間周圍土壤所發展的漸進式破壞機制與影響範圍。
分析結果得知:(1)傳統灌漿釘數值模擬拉出力與實驗室拉出結果十分貼近,傳統灌漿釘不同釘徑其釘周圍土壤發展之漸進式破壞行為相似,皆由釘尾後方土壤開始產生解壓破壞,而後再從釘頭界面處發展界面剪力破壞,隨位移漸增而延伸破壞至釘尾。(2)螺桿釘周圍土壤破壞機制是由釘頭界面處開始產生剪力破壞,隨拉出位移漸增界面剪力破壞延伸至釘尾,釘周土壤亦是從釘頭螺紋凹處呈規律性剪力破壞延伸至釘尾直至形成一剪力帶,剪力帶厚度約6倍D_50。(3)單一節瘤釘於釘徑40 mm數值拉出力模擬與實驗室結果較貼近,節瘤釘徑80 mm模擬則與實驗室相差甚異。單一節瘤釘周圍土壤破壞機制與螺桿釘相似,相異處在於單一節瘤釘隨拉出位移漸增,釘徑40 mm與80 mm的節瘤前方會產生土壤剪力破壞且剪力破壞區域往外圍漸增,增加約1倍節瘤釘徑。
英文摘要 In this research, two-dimensional axisymmetric numerical analysis methods were used to establish the numerical models of grouting nails, screw nail, and single knot nails. Compared with laboratory pull-out test results, it also explores the progressive destruction mechanism and influence scope of soil nails during the pull-out period.
The analysis results show that:
(1) The pullout force of grouting nails is very close to the pullout result in the laboratory.Grouting nails with different nail diameters have similar progressive destruction behavior to the soil development around the nails. Decompression destruction begins from the soil behind the nail tail, then the interface shear failure is developed from the nail head interface. As the displacement increases, the failure extends to the tail of the nail.
(2) The soil failure mechanism around the screw nail is caused by shear failure at the interface of the nail head. Interfacial shear failure gradually extends to the tail of the nail with the pull-out displacement The soil around the nail also extends from the recess of the nail head thread to the nail tail with regular shear failure until a shear zone is formed. Shear zone thickness is about 6 times D_50.
(3) The simulation of the pull-out force of single knot nails at a nail diameter of 40 mm is close to the laboratory results. The knot of nail diameter of 80 mm is very different from the laboratory. The soil destruction mechanism around a single knot nails is similar to a screw nail. The difference is that single knot nails gradually increases with the pull-out displacement. Soil shear failure occurs in front of knot diameters of 40 mm and 80 mm. And the shear failure zone gradually increased about 1 times the diameter of the knot.
論文目次 目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究方法 2
1.3 論文組織及研究內容 2
第二章 文獻回顧 4
2.1 土釘加勁原理與機制 4
2.2 現地土釘不完全灌漿之研究 6
2.2.1 Jayawickrama 等人(2007)之研究 7
2.3 土釘相關拉出試驗與理論模式 8
2.3.1 Milligan & Tei(1998)之研究 9
2.3.2 楊尚恆(2001)之研究 12
2.3.3 Hong等人(2003)之研究 14
2.3.4 陳韋成(2007)之研究 16
2.3.5 莊晉誠(2003)之研究 17
2.3.6 卓育賢(2017)之研究 22
2.3.7 游原暉(2018)之研究 26
2.4 錨板(Anchor plates)破壞機制與拉出試驗 28
2.4.1 Dickin & Leung(1985)之研究 28
2.4.2 Wang & Wu(1980)之研究 31
2.4.3 Choudhary & Dash (2017)之研究 31
2.5 土釘拉出之數值模擬分析 34
2.5.1 土壤元素之模擬 34
2.5.2 土釘元素之模擬 34
2.5.3 界面元素之模擬 35
第三章 數值模型建立 36
3.1 數值分析程式 36
3.1.1 FLAC程式簡介 36
3.1.2 FLAC基本計算原理 36
3.1.3 FLAC數值模擬步驟與流程 41
3.2 砂土塑性模式 42
3.3 砂土之數值分析參數 46
3.3.1 砂土材料基本性質 46
3.3.2 砂土數值參數 47
3.4砂土三軸數值模擬 56
3.4.1 數值網格、邊界、初始條件 57
3.4.2 程式驗證 59
3.4.3 砂土模擬與驗證 61
3.5 灌漿釘數值模型建立 63
3.5.1 數值網格、邊界、初始條件 63
3.5.2 灌漿釘材料參數 63
3.5.3 界面元素 66
3.5.4 土釘拉出速率 68
3.6 螺桿釘與單一節瘤釘數值之模型建立 70
3.6.1 數值網格、邊界、初始條件 70
3.6.2 螺桿釘與單一節瘤釘材料參數 71
3.6.3 界面元素 74
第四章 數值分析結果與討論 75
4.1 灌漿釘拉出之數值模擬 75
4.1.1 灌漿釘數值分析與試驗之比較 75
4.1.2 灌漿釘周圍土壤之漸進式破壞行為 77
4.2 螺桿釘拉出之數值模擬 85
4.2.1 螺桿釘數值分析與試驗之比較 85
4.2.2 螺桿釘周圍土壤之漸進式破壞行為 89
4.3 單一節瘤釘拉出之數值模擬 96
4.3.1 節瘤幾何形狀之討論 96
4.3.2 單一節瘤釘數值分析與試驗之比較 100
4.3.3 單一節瘤釘周圍土壤之漸進式破壞行為 103
第五章 結論與建議 129
5.1 結論 129
5.2 建議 131
參考文獻 132

圖1.1 研究計畫流程圖 3
圖2.1 土釘結構受力機制示意圖 6
圖2.2 灌漿未達設計深度 (Jayawickrama 等人,2007) 7
圖2.3 坍孔影響之灌漿不確實 (Jayawickrama 等人,2007) 8
圖2.4 一般拉出試驗儀示意圖 (Raju 等人,1996) 9
圖2.5 模型土釘於不同長徑比之視摩擦係數(楊尚恆,2001) 13
圖2.6 模型土釘於不同覆土壓力之視摩擦係數(楊尚恆,2001) 13
圖2.7 土釘表面視摩擦係數與粗糙因子之關係(Hong等人,2003) 15
圖2.8 不同牙距之土釘埋設間距與群釘效應關係(Hong等人,2003) 15
圖2.9 不同長徑比對視摩擦係數之影響(Hong等人,2003) 16
圖2.10 土釘拉出行為與覆土壓力之關係(陳韋成,2007) 17
圖2.11 土釘拉出設備圖(莊晉誠,2003) 19
圖2.12 土體密度對灌漿釘拉拔強度之影響(莊晉誠,2003) 20
圖2.13 灌漿釘於不同坍孔率土體中拉拔強度之變化(莊晉誠,2003) 20
圖2.14 灌漿壓力及水灰比與灌漿釘拉拔強度之關係 (莊晉誠,2003) 21
圖2.15 灌漿壓力及水灰比與灌漿釘拉拔強度之關係 (莊晉誠,2003) 21
圖2.16 連續型節瘤預鑄釘拉出力-位移關係(卓育賢,2017) 23
圖2.17 傳統灌漿釘拉出力-位移關係(卓育賢,2017) 23
圖2.18 連續型之高性能預鑄釘示意圖 (卓育賢,2017) 24
圖2.19 非連續型之高性能預鑄釘示意圖 (卓育賢,2017) 25
圖2.20 純螺桿與單一節瘤(游原暉,2018) 26
圖2.21 單一節瘤拉出力–位移(游原暉,2018) 27
圖2.22 傳統灌漿釘拉出力–位移(游原暉,2018) 27
圖2.23 水平錨版破壞模式(Dickin & Leung,1985) 29
圖2.24 H/h=3之破壞型式(Dickin & Leung,1985) 29
圖2.25 H/h=5之破壞型式(Dickin & Leung,1985) 30
圖2.26 H/h=7之破壞型式(Dickin & Leung,1985) 30
圖2.27 深層錨版破壞情況 (Choudhary & Dash,2017) 32
圖2.28 不同深度與相對密度下之破壞機制(Choudhary & Dash ,2017) 32
圖2.29 軸對稱數值分析模擬土釘拉出試驗之網格示意圖(洪勇善,1999) 35
圖3.1 FLAC程式計算流程 40
圖3.2 試驗用石英砂顆粒形狀(朱志峯,2006) 46
圖3.3 石英砂粒徑分佈曲線(朱志峯,2006) 47
圖3.4 土壤彈性模數與圍壓之關係 49
圖3.5 No.201 Dr=80%試驗砂之應力-應變-體積變化曲線(朱志峯,2006) 51
圖3.6 不同圍壓下發揮摩擦角與剪塑性應變之關係 52
圖3.7 尖峰軸差應力下剪塑性應變與圍壓之關係 53
圖3.8 不同圍壓下發揮膨脹角與剪塑性應變之關係 54
圖3.9 初始膨脹下剪塑性應變與圍壓之關係 55
圖3.10 尖峰膨脹角下剪塑性應變與圍壓之關係 56
圖3.11 砂土三軸數值網格 58
圖3.12 Mohr-Coulomb彈性完全塑性模擬砂土三軸應力-應變-體積變化 60
圖3.13 數值模擬砂土三軸之應力-應變-體積變化關係圖 62
圖3.14 實驗室拉出試驗儀構造三視圖 64
圖3.15 灌漿釘數值網格模型 65
圖3.16 實驗室灌漿釘拉出力-位移曲線(游原暉,2018) 67
圖3.17 灌漿釘60 mm於不同拉出速度下拉出力與拉出位移之關係 69
圖3.18 灌漿釘60 mm於不同拉出速度下不平衡力與拉出位移之關係 70
圖3.19 螺桿釘數值網格模型 72
圖3.20 螺桿釘螺紋數值網格模型 72
圖3.21 單一節瘤釘數值網格模型(節瘤釘徑80 mm) 73
圖3.22 單一節瘤釘節瘤數值網格模型(節瘤釘徑80 mm) 73
圖4.1 灌漿釘數值模擬與實驗室拉出力-拉出位移曲線 76
圖4.2 灌漿釘60 mm數值模擬拉出力及正向壓力—拉出位移曲線 77
圖4.3 灌漿釘釘徑40 mm數值模擬之破壞發展情形 80
圖4.4 灌漿釘釘徑50 mm數值模擬之破壞發展情形 81
圖4.5 灌漿釘釘徑60 mm數值模擬之破壞發展情形 82
圖4.6 灌漿釘釘徑80 mm數值模擬之破壞發展情形 83
圖4.7 灌漿釘80 mm釘頭、釘腹、釘尾於不同拉出位移下之應力路徑曲線 84
圖4.8 實驗室螺桿釘 87
圖4.9 螺桿釘螺紋與拉出軸所夾角度之示意圖 87
圖4.10 螺桿釘數值模擬單位拉出力-拉出位移曲線 88
圖4.11 螺桿釘數值模擬單位拉出力與正向壓力—拉出位移曲線 89
圖4.12 螺桿釘周圍土壤破壞發展情形 91
圖4.13 螺桿釘周圍土壤破壞發展情形 92
圖4.14 螺桿釘周圍土壤破壞發展情形 93
圖4.15 螺桿釘周圍土壤破壞發展情形 94
圖4.16 螺桿釘釘頭、釘腹、釘尾於不同拉出位移下之應力路徑曲線 95
圖4.17實驗室圓錐狀節瘤 96
圖4.18 錐狀節瘤數值網格模型 97
圖4.19 柱狀節瘤數值網格模型 98
圖4.20 單一節瘤40 mm網格疏密數值拉出力—拉出位移曲線 99
圖4.21 單一節瘤釘數值模擬與實驗室拉出力-拉出位移曲線 101
圖4.22 節瘤釘徑40 mm數值模擬拉出力與正向壓力-拉出位移曲線 102
圖4.23 節瘤釘徑80 mm數值模擬拉出力與正向壓力-拉出位移曲線 103
圖4.24 單一節瘤40 mm周圍土壤破壞發展情形 106
圖4.25 單一節瘤40 mm周圍土壤破壞發展情形 107
圖4.26 單一節瘤40 mm周圍土壤破壞發展情形 108
圖4.27 單一節瘤40 mm周圍土壤破壞發展情形 109
圖4.28 單一節瘤40 mm周圍土壤破壞發展情形 110
圖4.29 單一節瘤40 mm釘周之剪塑性應變分布圖 111
圖4.30 單一節瘤40mm節瘤處之剪塑性應變分布圖(拉出位移30mm) 112
圖4.31 單一節瘤40mm節瘤處之剪塑性應變分布圖(拉出位移60mm) 113
圖4.32 單一節瘤80 mm周圍土壤破壞發展情形 116
圖4.33 單一節瘤80 mm周圍土壤破壞發展情形 117
圖4.34 單一節瘤80 mm周圍土壤破壞發展情形 118
圖4.35 單一節瘤80 mm周圍土壤破壞發展情形 119
圖4.36 單一節瘤80 mm周圍土壤破壞發展情形 120
圖4.37 單一節瘤80 mm周圍土壤破壞發展情形 121
圖4.38 單一節瘤80 mm周圍土壤破壞發展情形 122
圖4.39 單一節瘤80 mm周圍土壤破壞發展情形 123
圖4.40 單一節瘤80 mm周圍土壤破壞發展情形 124
圖4.41 單一節瘤80 mm釘周之剪塑性應變分布圖 125
圖4.42 單一節瘤80mm節瘤處之剪塑性應變分布圖(拉出位移30mm) 126
圖4.43 單一節瘤80mm節瘤處之剪塑性應變分布圖(拉出位移60mm) 127
圖4.44 單一節瘤80 mm釘頭、釘腹、節瘤前於不同位移下之應力路徑曲線 128

表2.1 土釘極限拉出阻抗 (Elias & Juran,1991) 5
表2.2 參數α、β (Choudhary & Dash,2017) 33
表3.1 灌漿釘材料參數 65
表3.2 灌漿釘徑與界面剪向勁度及摩擦角之關係 67
表3.3 螺桿釘材料參數 71
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