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系統識別號 U0002-2501201811044500
中文論文名稱 軟弱黏土中水平層狀加勁懸浮砂樁承載試驗
英文論文名稱 Model Tests on Bearing Behavior of Horizontal Laminated Reinforced Sand Columns Floating in Soft Clay
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 106
學期 1
出版年 107
研究生中文姓名 張祐鑫
研究生英文姓名 Yu-Hsin Chang
學號 604380302
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2017-12-27
論文頁數 153頁
口試委員 指導教授-洪勇善
共同指導教授-吳朝賢
委員-洪勇善
委員-吳朝賢
委員-楊國鑫
中文關鍵字 懸浮砂樁  軟弱黏土  中等堅硬黏土  地工合成材  層狀加勁  模型試驗 
英文關鍵字 Sand column  Floating  Soft clay  Geosynthetic  Laminated reinforced  Model test 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究針對軟弱黏土與中等堅硬黏土中,層狀加勁懸浮砂樁的可行性應用進行模型試驗。為使試驗符合現地真實行為,依模型相似律之因次分析,選擇適當的材料與尺寸進行試驗。試驗分為平面應變與軸對稱模型試驗,分五層、十層、二十層交叉擺設等不同加勁層數配置以及剛性樁進行模型試驗。此外,也進行純黏土及未加勁懸浮砂樁試驗,比較純黏土、未加勁懸浮砂樁,以及不同加勁層數懸浮砂樁承載能力的差異。

試驗結果顯示,於軟弱黏土與中等堅硬黏土中之懸浮砂樁水平置入加勁材後,皆能有效提升軸向承載壓力,並將上方載重傳遞至砂樁底部。隨著加勁層數越多,加勁效果趨於臨界,其中模擬加勁層數極端之剛性樁,承載力反不如允許腫脹的加勁懸浮砂樁。在極小沉陷量時,剛性樁有利,但隨著沉陷量增加易產生貫穿破壞;在較大沉陷量時,加勁樁開始發展其價值,能允許樁體適度腫脹又有著地工合成材的束制力,使得樁體圍束力增加、軸向力隨之上升。若以全面加載所代表的平均應力來看,加勁材提升承載力的效果較為有限。
英文摘要 This study investigates the bearing behavior of individual geosynthetic-laminated sand columns embedded in very soft clay and medium hard clay through model tests. Similarity analysis was first executed to determine the suitable properties of the constituents used in the model test to ensure comparable behavior between the prototype-scale and model-scale geosynthetic-laminated sand columns. The model tests were divided into plane strain and axisymmetric,with rigid column and 5、10 or 20 layers in cross direction of geosynthetic sheets horizontally placed in these model sand columns. Loading tests performed on soft clay, ordinary sand column (OSC) and laminated reinforced sand column (LRSC) were employed to explore the effectiveness of reinforcement and various horizontal spacing.
Experimental results showed that horizontally inserted reinforcements improve the bearing capability of the model sand columns. With the more layers of geosynthetic, the stiffening effect tends to be critical.Rigid columns are advantageous when the amount of settlement is very small, but with the increase of settlement easily lead to destruction through;In a large amount of settlement, reinforced sand columns began to develop its value, can allow the columns to moderate swelling also have the bending force of geosynthetics, Making the columns body bundling force increases, the axial force increases. If the full load represents the average pressure of view, geosynthetics to enhance the carrying capacity of the effect is more limited.
論文目次 章節目錄
章節目錄……………………………………………………………………………….I
圖目錄………………………………………………………………………………..IV
表目錄…………………………………………………………………………..….. XXIX
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究方法 3
1.3 論文組織及研究內容 5
第二章 文獻回顧 6
2.1砂石樁工法 7
2.2砂石樁加勁方式 8
2.3加勁材層數與安置位置之影響 9
2.4層狀加勁砂樁承載模型試驗 12
2.5單群樁使用不同地工合成材加勁模型試驗 14
2.6加勁材對懸浮樁性能影響 18
第三章 試驗儀器與試驗內容 23
3.1試驗計畫 23
3.2 試驗儀器介紹 24
3.2.1實驗室十字片剪力試驗儀 24
3.2.2平面應變模型試驗儀 30
3.2.3軸對稱模型試驗儀 37
3.3試驗內容與試驗方法 50
3.3.1試驗砂土與黏土之基本物理性質試驗 51
3.3.2黏土十字片剪試驗 52
3.4平面應變模型試驗 52
3.4.1加勁砂樁設計方式 53
3.4.2模型試驗步驟 55
3.5軸對稱加勁砂樁模型試驗 62
3.5.1加勁砂樁設計方式 62
3.5.2模型試驗步驟 64
第四章 試驗結果與分析 80
4.1模型試驗之模型相似律 80
4.2試驗砂土與黏土基本物理性質試驗結果 82
4.3地工合成材試驗結果 85
4.3.1地工合成材基本性質 85
4.3.2地工合成材雙向拉伸試驗結果 86
4.3.3地工合成材軸向均拉試驗結果 89
4.4 載重下加勁材厚度量測試驗結果 93
4.5十字片剪試驗結果 97
4.6平面應變模型試驗結果 98
4.6.1平面應變試驗之驗證 98
4.6.2試驗之基本參數 104
4.6.3模型試驗內容 105
4.6.4純黏土試驗結果 105
4.6.5未加勁懸浮砂樁試驗結果 107
4.6.6剛性樁試驗結果 111
4.6.7加勁懸浮砂樁試驗結果 115
4.6.8不同試驗條件承載能力比較 119
4.7軸對稱模型試驗結果 122
4.7.1模型試驗之重複性 122
4.7.2模型試驗之基本性質參數 124
4.7.3模型試驗結果 125
4.7.4純黏土試驗結果 126
4.7.5未加勁懸浮砂樁試驗結果 128
4.7.6五層交叉擺設加勁懸浮砂樁試驗結果 130
4.7.7十層交叉擺設加勁懸浮砂樁試驗結果 132
4.7.8二十層交叉擺設加勁懸浮砂樁試驗結果 135
4.7.9粗糙界面剛性樁試驗結果 136
4.7.10不同加勁間距試驗結果比較 138
4.7.11中等堅硬黏土層懸浮砂樁試驗結果 142
4.7.12不同強度黏土層試驗結果比較 144
第五章 結論與建議 147
5.1結論 147
5.2建議 150
參考文獻 151



圖目錄
圖1.1 砂樁之受力狀態與破壞示意圖(Hughes and Withers,1974) 2
圖1.2 研究流程圖 4
圖2.1 砂樁破壞形式(Brauns,1987) 8
圖2.2 合成材三種加勁方式(Latha and Murthy,2007) 8
圖2.3加勁材安置方式(Haeri et al.,2000) 9
圖2.4加勁材各安置位置與不同層數之三軸試驗結果(Haeri et al.,2000) 9
圖2.5加勁材層數與加勁試體強度比關係圖(Haeri et al.,2000) 10
圖2.6不同半徑和間距比之應力-應變關係(S = 12.5 mm)(Wu and Hong,2008) 11
圖2.7不同半徑和間距比之應力-應變關係(S = 25 mm)(Wu and Hong,2008) 11
圖2.8不同加勁材10層加勁承載試驗結果(陳冠龍,2015) 13
圖2.9相同加勁材不同層數之試驗結果(陳冠龍,2015) 13
圖2.10模型試驗示意圖(Ali et al.,2014) 14
圖2.11加勁材配置示意圖(Ali et al.,2014) 14
圖2.12 模型試驗步驟(Ali et al.,2014) 15
圖2.13外包加勁懸浮砂樁試驗結果(Ali et al.,2014) 16
圖2.14外包加勁點承砂樁試驗結果(Ali et al.,2014) 16
圖2.15層狀加勁懸浮砂樁試驗結果(Ali et al.,2014) 17
圖2.16層狀加勁點承砂樁試驗結果(Ali et al.,2014) 17
圖2.17模型試驗配置示意圖(Dash and Bora,2013) 18
圖2.18不同樁長試驗結果(Dash and Bora,2013) 19
圖2.19不同間距試驗結果(Dash and Bora,2013) 19
圖2.20不同加勁範圍試驗結果(Dash and Bora,2013) 20
圖2.21不同加勁範圍試驗結果(Dash and Bora,2013) 20
圖2.22不同加勁範圍砂樁側向變形圖(Dash and Bora,2013) 21
圖2.23懸浮砂樁變形圖(Dash and Bora,2013) 22
圖3.1 實驗室十字片剪試驗儀器 26
圖3.2實驗室十字片剪儀器之扭力彈簧 26
圖3.3扭力彈簧校正圖 27
圖3.4實驗室十字片剪儀器之十字葉片 28
圖3.5實驗室十字片剪儀器之圓形刻度盤 28
圖3.6實驗室十字片剪儀器之下部裝置 29
圖3.7平面應變模型試驗儀 32
圖3.8平面應變模型示意圖 32
圖3.9應力環50kg 33
圖3.10應力環校正係數圖 33
圖3.11中央螺旋桿與速率控制閥 34
圖3.12加強剛性的鋼板 34
圖3.13試驗儀容器 35
圖3.14前方玻璃板與後方木條(俯視) 35
圖3.15木條後方擋土坂 36
圖3.16鋼性樁、木條、承載板 36
圖3.17 萬能拉伸試驗機構造示意圖 39
圖3.18 萬能拉伸試驗機 39
圖3.19 砂樁模型試驗局部示意圖 40
圖3.20 模型試驗承壓桿 41
圖3.21 模型試驗用S型荷重元(500 kg) 41
圖3.22 荷重元校正係數圖 42
圖3.23 模型試驗用頂部土壓計(D=24.5 mm,capacity 1000 kPa) 42
圖3.24 模型試驗用底部土壓計(D=24.5 mm,capacity 1000 kPa) 43
圖3.25 頂部土壓計校正係數圖 43
圖3.26 底部土壓計校正係數圖 44
圖3.27 模型試驗底板 44
圖3.28 試驗底板中央金屬卡榫 45
圖3.29 試驗底板下方固定裝置 46
圖3.30 模型試驗反力架 46
圖3.31 反力架底部荷重元連接處 47
圖3.32 數據擷取器 47
圖3.33 數據擷取器之操作畫面 48
圖3.34 模型試驗圓桶 49
圖3.35 中空壓克力套管 49
圖3.36 GT3地工合成材 53
圖3.37十層加勁材配置方式(單位:mm) 54
圖3.38平面應變模型試驗流程圖 57
圖3.39加勁材方片(GT3) 58
圖3.40黏土均勻拌合之情形 58
圖3.41將木條固定於儀器中央 59
圖3.42將木條外圍塗上凡士林………………………………………….59
圖3.43黏土均勻逐次填入試驗儀器之情形 59
圖3.44刮平黏土表面…………………………………………………………….59
圖3.45放置好後方木條並鎖上擋土坂 60
圖3.46將木條抽出……………………………………………………………….60
圖3.47在底層鋪上一層紅砂標明邊界…………………………………………60
圖3.48將加勁材與砂依序填入預留空間………………………………....……60
圖3.49砂樁填築完成 61
圖3.50架設應力環與承載板……………………………………………….……61
圖3.51模型加載試驗過程 61
圖3.52透過玻璃視窗觀察並紀錄……………………………………………….61
圖3.53加勁砂樁配置圖 63
圖3.54軸對稱模型試驗流程圖 66
圖3.55軸對稱模型試驗流程示意圖 67
圖3.56加勁材圓片(GT3) 68
圖3.57 乾燥黏土塊 68
圖3.58 攪拌機及拌合後黏土 69
圖3.59 架設下方土壓計 69
圖3.60 黏土分次填入圓桶中並壓實 70
圖3.61將壓克力套管架設於桶中央 70
圖3.62使用鏝刀工具碾壓及抹平黏土 71
圖3.63鋼尺沿桶壁邊抹平表面黏土高程 71
圖3.64將試驗砂填入中空壓克力套管 72
圖3.65 利用萬能拉伸儀抬伸壓克力套管 72
圖3.66 利用搗桿搗實砂樁 73
圖3.67 利用搗桿安裝加勁材 73
圖3.68 放置水平儀確認砂層水平 74
圖3.69 加勁砂樁安裝完成 74
圖3.70 架設荷重元、頂部土壓計 75
圖3.71 沉陷量達50 mm示意圖 75
圖3.72 利用十字片剪儀器測定不排水剪力強度 76
圖3.73 開挖承載桿周圍黏土 76
圖3.74 砂樁固結方式與器材介紹 78
圖3.75 放置一天待砂樁固結 78
圖3.76 開挖砂樁周圍黏土 79
圖3.77 固結後砂樁試體(純砂樁) 79
圖4.1 試驗黏土粒徑分布曲線圖 83
圖4.2 No.201石英砂粒徑分佈曲線圖 84
圖4.3 砂土之圍壓與摩擦角關係圖(郭建明,2013) 84
圖4.4 地工合成材的方向性 87
圖4.5 雙向拉伸試驗結果(GT3) (簡嘉緯,2014) 87
圖4.6 雙向拉伸試驗試體架設情形(GT3) (簡嘉緯,2014) 88
圖4.7 雙向拉伸試驗試體破壞情形(GT3)(張應變41 %)(簡嘉緯,2014) 88
圖4.8 地工合成材軸向均拉試驗軸向壓力-垂直位移關係圖(陳冠龍,2015) 90
圖4.9 計算示意圖(單位:mm) (陳冠龍,2015) 91
圖4.10 地工合成物軸向均拉試驗結果(陳冠龍,2015) 91
圖4.11 GT3織物軸向均拉試驗試體破壞情形(張應變46.64%) (陳冠龍,2015) 92
圖4.12 雙向拉伸試驗與軸向均拉試驗比較(陳冠龍,2015) 92
圖4.13 加勁材厚度壓縮與載重關係(簡嘉緯,2014) 94
圖4.14 砂樁頂部應力-沉陷曲線圖校正結果(五層加勁) 95
圖4.15 砂樁頂部應力-沉陷曲線圖校正結果(十層加勁) 95
圖4.16 砂樁頂部應力-沉陷曲線圖校正結果(二十層加勁) 96
圖4.17砂樁頂部應力-沉陷關係原始曲線圖 96
圖4.18十字片剪試驗剪力強度-含水量關係圖 97
圖4.19連續基礎下之土壤承載力破壞示意圖(Das,2015) 100
圖4.20土壤與前後界面造成摩擦力方向示意圖(淺基礎) 100
圖4.21純黏土承載力試驗結果 100
圖4.22黏土不排水凝聚力與α之關係 .
(interpolated values based on Terzaghi et al.,1996) 101
圖4.23 深基礎荷載傳遞機制(Das,2015) 103
圖4.24剛性樁試驗土壤破壞面………………………………………...………103
圖4.25土壤與前後界面造成摩擦力方向(深基礎) 103
圖4.26 剛性載承載力試驗結果………………………………………………..103
圖4.27軟弱黏土模型試驗結果(w=40.80%) 106
圖4.28中等堅硬黏土模型試驗結果(w=36.07%) 106
圖4.29未加勁懸浮砂樁模型試驗結果(w=41.4%) 108
圖4.30未加勁懸浮砂樁模型試驗結果(w=35.61%) 108
圖4.31軟弱黏土未加勁懸浮砂樁加載完成變形圖 109
圖4.32未加勁懸浮砂樁沉陷50mm變形示意圖 109
圖4.33中等堅硬黏土未加勁懸浮砂樁加載完成變形圖 110
圖4.34未加勁懸浮砂樁沉陷50mm變形示意圖 110
圖4.35光滑與粗糙界面剛性樁 111
圖4.36光滑剛性樁試驗結果(w=40.03%) 112
圖4.37光滑剛性樁試驗結果(w=35.46%) 112
圖4.38粗糙剛性樁試驗結果(w=40.08%) 113
圖4.39粗糙剛性樁試驗結果(w=35.22%) 113
圖4.40不同界面剛性樁比較(軟弱黏土層) 114
圖4.41不同界面剛性樁比較(中等堅硬黏土層) 114
圖4.42於黏土w=40.54%之GT3-10VD懸浮砂樁試驗結果 116
圖4.43於黏土w=40.54%之GT3-10VD砂樁加載過程 116
圖4.44於黏土w=36.01%之GT3-10VD懸浮砂樁試驗結果 117
圖4.45於黏土w=36.01%之GT3-10VD砂樁加載過程 117
圖4.46不同含水量GT3-10VD砂樁比較 118
圖4.47不同含水量GT3-10VD砂樁比較 118
圖4.48軟弱黏土中之各承載力試驗 120
圖4.49中等堅硬黏土中之各承載力試驗 121
圖4.50小沉陷量時的趨勢 121
圖4.51純黏土重複性試驗 122
圖4.52GT3-10VD加勁砂樁重複性試驗 123
圖4.53承載板下方應力分佈圖(余易昇,2013) 126
圖4.54純黏土模型試驗結果 127
圖4.55未加勁懸浮砂樁模型試驗結果 128
圖4.56未加勁懸浮砂樁於沉陷50mm之變形圖 129
圖4.57未加勁懸浮砂樁變形示意圖 129
圖4.58 GT3-5VD五層加勁懸浮砂樁模型試驗結果 130
圖4.59 GT3-5VD五層加勁懸浮砂樁變形圖 131
圖4.60 GT3-5VD五層加勁懸浮砂樁變形示意圖 131
圖4.61 GT3-10VD十層加勁懸浮砂樁模型試驗結果 133
圖4.62 GT3-10VD十層加勁砂樁模型試驗結果 (陳冠龍,2015) 133
圖4.63 GT3-10VD加勁砂樁變形圖 134
圖4.64 GT3-10VD砂樁變形示意圖 134
圖4.65 GT3-20VD二十層加勁懸浮砂樁模型試驗結果 135
圖4.66粗糙界面剛性樁試驗結果 137
圖4.67不同加勁間距試驗結果之比較(上方土壓計) 139
圖4.68不同加勁間距試驗結果之比較(平均應力) 140
圖4.69小沉陷量時不同加勁間距試驗結果之比較(上方土壓計)…………….140
圖4.70小沉陷量時不同加勁間距試驗結果之比較(平均應力)……………….141
圖4.71未加勁砂樁模型試驗結果(w=35.56%) 143
圖4.72GT3-10VD模型試驗結果(w=35.63%) 143
圖4.73兩種強度黏土之上方土壓計 145
圖4.74兩種強度黏土之平均應力 145
圖4.75小沉陷量時兩種強度黏土之上方土壓計………………………………146
圖4.76小沉陷量時兩種強度黏土之平均應力…………………………………146



表目錄
表2.1模型試驗系列(Dash and Bora,2013) 18
表3.1扭力彈簧校正表 27
表3.2 平面應變模型試驗組合 54
表3.3 模型試驗研究組合 63
表4.1原型與模型之無因次項比較表(余易昇,2013) 81
表4.2 試驗黏土基本物理性質結果 82
表4.3 黏土主要成分 83
表4.4 砂土基本物理試驗結果 83
表4.5 加勁材基本物理性質 85
表4.6 地工合成材雙向拉伸試驗結果(簡嘉緯,2014) 86
表4.7 地工合成材軸向均拉試驗結果(陳冠龍,2015) 90
表4.8 設計載重組別(簡嘉緯,2014) 94
表4.9 平面應變模型試驗基本參數 104
表4.10軸對稱模型試驗之基本性質參數……………………………………...124
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