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系統識別號 U0002-2407200716241700
中文論文名稱 地工合成物水平加勁砂柱試體之力學行為探討
英文論文名稱 Mechanical Behavior of Geosynthetic-Laminated Sand Columns
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 蔡伊雯
研究生英文姓名 I-Wen Tsai
學號 694311019
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-06-27
論文頁數 255頁
口試委員 指導教授-吳朝賢
委員-林三賢
委員-洪勇善
中文關鍵字 砂柱  加勁  地工合成材  三軸試驗 
英文關鍵字 granular column  reinforced  geosynthetic  triaxial test 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 打設於軟弱土層中之砂石樁,樁體上部結構易因側向束縛力不足而發生破壞,對砂石樁加勁可增加側向束縛應力並減少其破壞。本研究進行實驗室靜態三軸試驗以求得水平加勁砂石樁之應力-應變行為,且透過改變圍壓、加勁材種類、加勁材層數及試體尺寸等參數來分析此複合材料之力學行為。
將試體徑向應變率換算成加勁材之拉伸速率,並以此速率進行加勁材拉伸試驗。以線彈性-完全塑性模式模擬加勁材張力-伸張量之關係,依此求取加勁材之彈性模數。
試驗結果顯示:加勁試體之三軸試驗進行至軸向應變32%時,軸差應力仍持續上昇且未達尖峰值。加勁試體之視凝聚力與 角均隨著所施加之軸差應力而上升,加勁材勁度越高,加勁後試體所發揮之視凝聚力亦越高,加勁材勁度對試體 角並無明顯影響。
加勁材之間距比亦為影響加勁效果之ㄧ重要因素,間距比愈小,相同圍壓及軸向應變下對應之軸差應力值會越大;而體積應變值則會越小。由此可見,加勁材之層數越多,可增加試體之軸差應力,並減少其側向膨脹量。
由試驗結果亦可見,直徑較小之試體,對應之軸差應力較大,這可能是因為圍壓增加,且加勁材之間距縮小,導致砂土與加勁材間的互制效應減少所致。
在加勁試體之數值模擬上,試體軸差應力理論值與試驗值之平均誤差均在13.5%以下,而體積應變理論值與試驗值之平均誤差約為29.2%。
英文摘要 Most granular columns that fail from bulging near the top are due to insufficient lateral support. Laboratory triaxial compression tests were carried out in order to determine the stress-strain relation of sand columns. The mechanical behavior of the composite material was investigated through varying the number of geosynthetic layers, types of geosynthetic, different diameters of sample, and confining pressure.
Transferred the radial strain rate of sand column to the tensile rate of geosynthetic. A linear relation was used between the tensile strain and tensile force of the geosynthetic.
As observed from the the test result , the deviatoric stress varied for different types of geosynthetics used in different layers. The different in friction angle is marginal. But the c value is observed to be quite sensitive to the reinforcement types and layers of geosynthetic.
Increase in stress for reinforced cand is more pronounced for greater number of geosynthetic layers. Nevertheness, the stress ratio decreases with an increase in confining pressure. The small-size samples show significantly higher stress ratio. The size effect clearly increase with higher number of geosynthetic layers and lower confining pressure.
A numerical procedure to investigate the stress-strain relation of sand column. The theoretical analysis was validated through laboratory triaxial compression tests. The average error of deviatoric stress is less than 13.5%, for volumetric strain the average error is around 29.2%.
論文目次 目錄 I
表目錄 V
圖目錄 IX
照片目錄 XV
第一章 緒論 1
1-1 研究目的與動機 1
1-2 研究方法 2
1-3 研究架構與內容 3
第二章 文獻回顧 5
2-1 加勁砂石樁 6
2-1-1 砂石樁之破壞 7
2-2 水平加勁研究 7
2-2-1 加勁材種類對加勁效果的影響 8
2-2-2 加勁材層數對加勁效果的影響 9
2-2-3 加勁材的排放位置對加勁效果的影響 11
2-3 加勁材與土壤間之交互性質 13
2-3-1 加勁試體之破壞機制 13
2-3-2 加勁材之摩擦特性 14
2-4 砂柱試體應力-應變行為理論分析 16
2-4-1 粒狀土壤之應力-應變行為 16
2-4-2 粒狀土壤之組成關係 18
2-4-3 砂柱試體應力-應變行為模擬 22
2-5 相關加勁土壤之研究 27
第三章 試驗計劃與內容 51
3-1 試驗材料之基本性質 52
3-1-1 土壤基本物理性質 52
3-1-2 加勁材之基本性質 52
3-2 試驗儀器與設備 53
3-2-1 ELE靜態三軸試驗儀 53
3-2-2 體積應變量測裝置 56
3-2-3 萬能材料試驗機 57
3-2-4 直接剪力試驗儀 58
3-3 儀器校正 58
3-3-1 應力環校正 59
3-3-2 量管校正 59
3-3-3 體積變化量測儀校正 60
3-4 不織布拉伸試驗 60
3-5 不織布-砂土界面之直接剪力試驗 61
3-6 靜態三軸試驗步驟 63
3-6-1 水平加勁材置入方式 63
3-6-2 試體準備與製作 63
3-6-3 三軸室組立步驟 66
3-6-4 控壓系統操作方法 67
3-6-5 體積變化量測儀操作步驟 69
第四章 試驗結果與討論 95
4-1 試驗材料基本性質 95
4-2 不織布基本性質試驗結果 96
4-2-1 不織布寬幅拉伸試驗結果 96
4-2-2 拉伸速率對不織布之影響 97
4-2-3加勁材張力-應變曲線之模擬 98
4-2-4 不織布-砂土界面之直接剪力試驗結果 99
4-3 靜態三軸試驗結果 100
4-3-1 未加勁試體之三軸試驗結果 100
4-3-2 四層水平加勁試體之三軸試驗結果 101
4-3-3 六層水平加勁試體之三軸試驗結果 104
4-3-4 八層水平加勁試體之三軸試驗結果 106
4-3-5 不同直徑試體之水平加勁三軸試驗結果 107
4-4 水平加勁參數對加勁效果之影響 108
4-4-1 圍壓 108
4-4-2 加勁材種類 110
4-4-3 加勁材層數 112
4-4-4 試體尺寸 114
4-5 水平加勁對顆粒狀土壤產生之視凝聚力 116
4-6 水平加勁三軸試體之理論值 117
第五章 砂柱試體應力-應變關係模擬 197
5-1 理論模式說明 197
5-1-1 水平加勁材鋪設於砂柱中之理論模式 197
5-1-2 水平加勁砂石樁之複合模式 199
5-2 模擬參數求取 201
5-2-1 砂柱試體之應力-應變行為模擬 201
5-2-2 砂柱試體之正規化參數求取 201
5-2-3 摩擦角與圍壓之關係 203
5-2-4 加勁材之理論分析參數 204
5-3 理論分析結果與試驗值比對 204
5-3-1 未加勁砂柱試體比對結果 205
5-3-2 四層水平加勁試體理論分析結果 206
5-3-3 六層水平加勁試體理論分析結果 208
5-3-4 八層水平加勁試體理論分析結果 210
5-3-5 不同直徑加勁試體理論分析結果 211
5-4各尺寸試體在相同間距下之理論值……………………..212
第六章 結論與建議 243
6-1 結論 243
6-2 展望與建議 247
參考文獻 249
附錄 253


表目錄
表2-1 試驗用加勁材之力學性質 (取自Haeri,2000) 32
表3-1 試驗用不織布性質 71
表3-2 三軸室規格 71
表3-3 荷重架機件規格 72
表3-4 萬能材料試驗機機件規格 73
表4-1 不織布拉伸試驗結果 120
表4-2 四層水平加勁試體軸向應變32%對應之軸差應力 120
表4-3 四層水平加勁試體體積應變最大值 121
表4-4 六層水平加勁試體軸向應變32%對應之軸差應力 121
表4-5 六層水平加勁試體體積應變最大值 122
表4-6 Type2八層加勁之軸差應力與體積應變最大值 122
表4-7 各尺寸加勁試體軸向應變28%下之軸差應力 123
表4-8 各尺寸加勁試體軸向應變28%下之體積應變 123
表4-9 各軸向應變之軸差應力比(四層加勁7 cm試體) 124
表4-10 各軸向應變之軸差應力比(六層加勁7 cm試體) 125
表4-11 四層水平加勁試體之最大徑向應變 126
表4-12 六層水平加勁試體之最大徑向應變 126
表4-13 Type2各層數加勁試體之軸差應力最大值 127
表4-14 Type2各層數加勁試體之體積應變最大值 127
表4-15 六層及八層水平加勁之試體在各軸向應變下,
與四層水平加勁試體之軸差應力差值百分比 128
表4-16 Type2水平加勁直徑7 cm試體之最大徑向應變 129
表4-17 直徑5 cm與7 cm之試體在各軸向應變下,
與直徑10 cm試體之軸差應力差值百分比 130
表4-18 圍壓20kPa,各軸向應變下之軸差應力比 131
表4-19 圍壓50kPa,各軸向應變下之軸差應力比 131
表4-20 圍壓100kPa,各軸向應變下之軸差應力比 132
表4-21 圍壓200kPa,各軸向應變下之軸差應力比 132
表4-22 四層加勁試體各軸向應變之視凝聚力與 角 133
表4-23 六層加勁試體各軸向應變之視凝聚力與 角 133
表4-24 水平加勁試體中加勁材伸張量與對應之張力 134
表4-25 Type1加勁試體之理論與試驗最大軸差應力 135
表4-26 Type2加勁試體之理論與試驗最大軸差應力 135
表4-27 Type3加勁試體之理論與試驗最大軸差應力 135
表5-1 不同圍壓下,體積應變之最小平方法總和 214
表5-2 砂土理論模式參數 215
表5-3 未加勁試體之尖峰軸差應力與對應之體積應變 215
表5-4 未加勁7 cm試體軸差應力試驗值與理論值比對 216
表5-5 未加勁7 cm試體體積應變試驗值與理論值比對 216
表5-6 Type1四層加勁7 cm試體軸差應力值比對 217
表5-7 Type1四層加勁7 cm試體體積應變值比對 217
表5-8 Type2四層加勁7 cm試體軸差應力值比對 218
表5-9 Type2四層加勁7 cm試體體積應變值比對 218
表5-10 Type3四層加勁7 cm試體軸差應力值比對 219
表5-11 Type3四層加勁7 cm試體體積應變值比對 219
表5-12 Type1六層加勁7 cm試體軸差應力值比對 220
表5-13 Type1六層加勁7 cm試體體積應變值比對 220
表5-14 Type2六層加勁7 cm試體軸差應力值比對 221
表5-15 Type2六層加勁7 cm試體體積應變值比對 221
表5-16 Type3六層加勁7 cm試體軸差應力值比對 222
表5-17 Type3六層加勁7 cm試體體積應變值比對 222
表5-18 Type2八層加勁7 cm試體軸差應力值比對 223
表5-19 Type2八層加勁7 cm試體體積應變值比對 223
表5-20 Type2四層加勁5 cm試體軸差應力值比對 224
表5-21 Type2四層加勁5 cm試體體積應變值比對 224
表5-22 Type2四層加勁10 cm試體軸差應力值比對 225
表5-23 Type2四層加勁10 cm試體體積應變值比對 225



圖目錄
圖2-1 砂石樁破壞形式(取自Brauns,1978) 33
圖2-2 三軸試驗結果之破壞包絡線(取自Long et al. 1972) 33
圖2-3 試體以不同加勁材加勁之試驗結果
(取自Chandrasekaran,1989) 34
圖2-4 圍壓100kPa下之試驗結果(取自Haeri,2000) 35
圖2-5 3D加勁之配置圖(取自Zhang et al.,2006) 36
圖2-6 雙邊元素3D加勁之試驗結果(取自Zhang et al.,2006) 36
圖2-7 3D加勁之試驗結果(取自Zhang et al.,2006) 37
圖2-8 BCR隨加勁層數的變化(取自Cai & Li,1994) 37
圖2-9 加勁砂石樁配置圖(取自Madhav 等人,1994) 38
圖2-10 載重與沉陷量關係(取自Madhav等人,1994) 38
圖2-11 加勁材層數與尖峰強度的關係(取自Haeri,2000) 39
圖2-12 平鈑載重試驗配置圖(取自Radhey,2004) 39
圖2-13 不同加勁層數之沉陷量-應力關係(取自Radhey,2004) 40
圖2-14 最大膨脹量-鋪設間距關係(取自Radhey,2004) 40
圖2-15 加勁試體之三軸剪力試驗結果(取自Broms,1977) 41
圖2-16 加勁材安置方式(取自 Haeri,2000) 41
圖2-17 加勁材各安置方法之試驗結果(取自Haeri,2000) 42
圖2-18 BCR與加勁材位置關係(取自Cai & Li,1994) 42
圖2-19 外包加勁試體試驗結果(取自Al-Refeai,1985) 43
圖2-20 加勁與未加勁試體液化潛能評估結果
(取自Krishnaswamy & Isaac,1995) 43
圖2-21 單一格框與複數格框之配置(取自Rajagopal,1999) 44
圖2-22 不同材質格框加勁試體之應力-應變曲線
(取自 Rajagopal,1999 ) 44
圖2-23 不同加勁材料之p-q圖(取自Rajagopal,1999) 45
圖2-24 不同纖維含量之應力-應變曲線(取自Wang,2000) 45
圖2-25 粗細粒料加勁試體試驗結果
(取自Radoslaw & Michalowski,2003) 46
圖2-26 纖維加勁試體之破壞包絡線(取自Radoslaw,2003) 47
圖2-27 三種加勁方式 (取自Latha & Murthy,2006) 48
圖2-28 不同加勁方式之應力-應變關係
(取自Latha & Murthy,2006) 48
圖3-1 實驗計畫流程圖 74
圖3-2 試驗用砂粒徑分佈曲線 75
圖3-3 三軸室構造 75
圖3-4 主要控制面板 76
圖3-5 荷重架操作面板 77
圖3-6 荷重架後方配置 77
圖3-7 荷重架 78
圖3-8 應力環 79
圖3-9 三軸試驗產生體積變化之因素 79
圖3-10 體積變化量測儀 80
圖3-11 萬能試驗儀儀器結構 81
圖3-12 改良式夾具 81
圖3-13 直剪下盒設計圖 82
圖3-14 體積變化量測儀配置圖 82
圖3-15 不織布寬幅拉伸試驗試片規格 83
圖3-16 直剪試驗示意圖 83
圖3-17 水平加勁材鋪設方式 84
圖4-1 不織布之張力-應變關係(10 mm/min) 136
圖4-2 不同拉伸速率下,不織布之張力-應變關係 136
圖4-3 不織布應力-應變關係模擬(0.15 mm/min) 138
圖4-4 不織布直剪試驗結果 139
圖4-5 直徑7 cm純砂試體之應力-應變-體積應變關係 141
圖4-6 直徑7 cm純砂試體之應力路徑圖 142
圖4-7 Type1四層水平加勁試體之應力-應變-體積應變關係 143
圖4-8 Type2四層水平加勁試體之應力-應變-體積應變關係 144
圖4-9 Type3四層水平加勁試體之應力-應變-體積應變關係 145
圖4-10 Type1六層水平加勁試體之應力-應變-體積應變關係 146
圖4-11 Type2六層水平加勁試體之應力-應變-體積應變關係 147
圖4-12 Type3六層水平加勁試體之應力-應變-體積應變關係 148
圖4-13 Type2八層水平加勁試體之應力-應變-體積應變關係 149
圖4-14 直徑5 cm試體之應力-應變-體積應變關係 150
圖4-15 直徑10 cm試體之應力-應變-體積應變關係 151
圖4-16 軸向應變5%下之應力比與艙室圍壓關係 152
圖4-17 軸向應變10%下之應力比與艙室圍壓關係 153
圖4-18 軸向應變15%下之應力比與艙室圍壓關係 154
圖4-19 軸向應變20%下之應力比與艙室圍壓關係 155
圖4-20 軸向應變25%下之應力比與艙室圍壓關係 156
圖4-21 軸向應變30%下之應力比與艙室圍壓關係 157
圖4-22 圍壓20 kPa下,四層加勁與未加勁試體比較 158
圖4-23 圍壓20 kPa下,六層加勁與未加勁試體比較 159
圖4-24 圍壓50 kPa下,四層加勁與未加勁試體比較 160
圖4-25 圍壓50 kPa下,六層加勁與未加勁試體比較 161
圖4-26 圍壓100 kPa下,四層加勁與未加勁試體比較 162
圖4-27 圍壓100 kPa下,六層加勁與未加勁試體比較 163
圖4-28 圍壓200 kPa下,四層加勁與未加勁試體比較 164
圖4-29 圍壓200 kPa下,六層加勁與未加勁試體比較 165
圖4-30 四層水平加勁試體之徑向-軸向應變關係 166
圖4-31 六層水平加勁試體之徑向-軸向應變關係 167
圖4-32 圍壓20 kPa下,不同層數之應力-應變-體積應變關係 168
圖4-33 圍壓50 kPa下,不同層數之應力-應變-體積應變關係 169
圖4-34 圍壓100kPa下,不同層數之應力-應變-體積應變關係 170
圖4-35 圍壓200kPa下,不同層數之應力-應變-體積應變關係 171
圖4-36 各軸向應變下,軸差應力與加勁材層數關係 172
圖4-37 各軸向應變下,不同層數之軸差應力比與圍壓關係 175
圖4-38 不同圍壓下,最大徑向應變與加勁材層數關係 178
圖4-39 圍壓20 kPa,各直徑試體應力-應變-體積應變曲線 179
圖4-40 圍壓50 kPa,各直徑試體應力-應變-體積應變曲線 180
圖4-41 圍壓100 kPa,各直徑試體應力-應變-體積應變曲線 181
圖4-42 圍壓200 kPa,各直徑試體應力-應變-體積應變曲線 182
圖4-43 各軸向應變下,四層水平加勁試體之p-q圖 183
圖4-44 各軸向應變下,六層水平加勁試體之p-q圖 186
圖4-45 視凝聚力及摩擦角與軸向應變關係 189
圖4-46 水平加勁試體之受力模式 191
圖5-1 兩水平加勁材間應力分析示意圖(取自林賢欽,1998) 226
圖5-2 參數K與n求法示意圖 227
圖5-3 未加勁砂土初始彈性模數與圍壓之關係 227
圖5-4 正規化參數 與平均誤差平方值總和關係 228
圖5-5 未加勁砂土之組成關係 228
圖5-6 未加勁砂土摩擦角與圍壓之關係 229
圖5-7 未加勁砂土摩擦角與圍壓之半對數座標關係 229
圖5-8 未加勁砂土之試驗結果與理論值 230
圖5-9 加勁材Type1四層加勁之試驗結果與理論值 231
圖5-10 加勁材Type2四層加勁之試驗結果與理論值 232
圖5-11 加勁材Type3四層加勁之試驗結果與理論值 233
圖5-12 加勁材Type1六層加勁之試驗結果與理論值 234
圖5-13 加勁材Type2六層加勁之試驗結果與理論值 235
圖5-14 加勁材Type3六層加勁之試驗結果與理論值 236
圖5-15 加勁材Type2八層加勁之試驗結果與理論值 237
圖5-16 Type2四層加勁5 cm試體之試驗與理論值 238
圖5-17 Type2四層加勁10 cm試體之試驗結果與理論值 239
圖5-18 加勁材鋪設間距2.5 cm…………………………………..240
圖5-19 加勁材鋪設間距3.5 cm…………………………………..241
圖5-20 加勁材鋪設間距5 cm…………………………………….242



照片目錄
照片2-1 試體破壞方式(取自Haeri,2000) 49
照片2-2 試驗前後之試體照片(取自Al-Refeai,1985) 49
照片2-3 格框加勁試體(取自Rajagopal,1999) 50
照片2-4 加勁纖維破壞方式(取自Radoslaw,2003) 50
照片3-1 試驗用砂土之顆粒形狀(20X) 85
照片3-2 試驗用加勁材(50X) 85
照片3-3 三軸室 87
照片3-4 控壓系統操作面板 87
照片3-5 荷重架 88
照片3-6 應力環(4.5 kN & 10 kN) 88
照片3-7 體積變化量測儀 89
照片3-8 萬能材料試驗機 90
照片3-9 直接剪力試驗儀 90
照片3-10 改良後直剪下盒照片 91
照片3-11 應力環校正方式 92
照片3-12 體積變化量測儀校正 92
照片3-13 不織布寬幅拉伸試驗配置圖 93
照片3-14 四層加勁試體照片 93
照片4-1 不織布寬幅拉伸試驗過程(10 mm/min) 192
照片4-2 Type1直剪試驗後之試體(正向應力392.2 kPa) 192
照片4-3 7 cm試體之純砂試驗情形(圍壓200 kPa) 193
照片4-4 Type2四層水平加勁試體膨脹情形(圍壓100 kPa) 194
照片4-5 四層加勁試驗結束後之加勁材(Type1圍壓200 kPa) 195
照片4-6 Type2六層水平加勁試體膨脹情形(圍壓100 kPa) 196

參考文獻 1. 陳榮河(1989),「加勁擋土牆之分析與設計」,地工技術雜誌,第25期,pp.
46-61
2. 沈欽裕(1996),「地工合成物加勁砂石樁載重-沉陷關係初探」,碩士論文,
淡江大學土木研究所,台北。
3. 林賢欽(1998),「地工合成物加勁砂石樁載重-沉陷關係」,碩士論文,淡江大學 土木研究所,台北。
4. 蔡君平(2006),「地工合成物包裹砂柱試體之應力-應變行為探討」,碩士論文,淡江大學土木研究所,台北。
5. Al-Refeai, T., (1985), “Constitute Behavior of Fabric vs. Fiber Reinforced Sand,” Ph. D. Thesis, The University of Michigan, Annbor,Michigan.
6. Brauns, J., (1978), “Initial Bearing Capacity of Stone Columns and Sand Piles,” Symposium on Soil Reinforcing and Stabilising Techniques, Stdney, Australia, pp.477-496.
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