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系統識別號 U0002-2607201611151500
中文論文名稱 軟弱地盤中樁筏基礎構造之靜態力學行為
英文論文名稱 Static Behaviors of Piled Raft Foundations in Soft Ground Sites
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 104
學期 2
出版年 105
研究生中文姓名 林于茹
研究生英文姓名 Yu-Ru Lin
學號 603380352
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2016-06-29
論文頁數 149頁
口試委員 指導教授-張德文
委員-姚忠達
委員-張德文
委員-盧之偉
中文關鍵字 樁筏基礎  版式與箱式基礎  靜態分析  參數研究  三維有限元素分析 
英文關鍵字 piled raft foundation  plate raft and cellular raft foundation  static behavior  parametric study  three-dimensional finite element analysis 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究係採三維有限元素程式MIDAS/GTS NX模擬版式與箱式筏樁基礎於垂直向和水平向靜態均佈荷載下之力學行為。樁筏基礎數值模型係位於砂土-黏土-砂土所組合之地層,土壤材料參數及結構參數變化對基礎靜態行為之影響為觀察重點。所選擇的力加載方式包括:1.依時性壓密分析、2.階段施力(排水參數)分析、3.階段施力(不排水參數)分析,其中依時性壓密分析與階段施力(排水參數)分析中,黏土層採用修正劍橋黏土模式進行模擬,砂土層則以莫爾庫倫破壞模式進行模擬;而階段施力(不排水參數)分析中,黏土層與砂土層皆以莫爾庫倫破壞模式進行模擬。透過不同分析,本研究可以了解相關基礎在短期和長期受力情況下的差異性。
研究結果顯示:1.依時性壓密分析與階段施力(排水參數)分析結果類似(可視為基礎長期行為),基礎沉陷量隨超額孔隙水壓消散將逐漸趨於一致;在階段施力(不排水參數)分析中(基礎短期行為),基礎變形、沉陷以及軸力等隨參數變化較不明顯。2.版式與箱式筏基沉陷量皆以筏基中心最大、邊緣次之,角隅最小;應力分佈則以角隅最大、邊緣次之,中心最小(基樁亦然)。3.箱式筏基雖降低沉陷量,但因樁長不變樁底接觸砂層,基樁軸力和摩擦力將高於版式筏基。4.土壤模式和土壤參數影響將隨模式而不同,莫爾庫倫模式之土壤抗剪強度參數影響甚微,楊氏係數與柏松比影響相對較明顯;修正劍橋模式中楊氏係數與柏松比影響相對不明顯,模式之壓縮參數對於版式基礎行為影響較為顯著。5.各影響參數對箱式筏基影響將低於版式筏基,其中,土層厚度、樁長和樁距樁徑比值(S/D)最明顯。6.軟弱黏土層係夾於砂土層間,其承載能力將優於單一均質黏土層。版式筏基在依時性壓密分析中垂直與水平荷載下之樁基礎佔總荷載比例(α)相似,約為55%與60%。箱式筏基在垂直與水平荷載下之樁基礎佔總荷載比例(α)較版式基礎低,約為34%與57%。7.當樁距樁徑比值增加時,雖然樁基礎佔總荷載比例(α)將隨之下降,但單樁承受之軸力增加,將不利於基礎內承載性能評估。8.垂直均佈荷載下,短期分析顯示箱式筏基之樁基礎佔總荷載比例(α)將較版式筏基礎為小;由於砂層和黏土層對樁長將有影響,上述現象是否與筏基周遭土層有關值得進一步研究。
英文摘要 This study intends to discuss the vertical and horizontal load on static behaviors of piled raft foundations using the three-dimensional finite element analyses based on the software MIDAS/GTS NX program. The numerical models respectively with plate raft and cellular raft underlain by a number of piles were considered. Sand-clay-sand sols are assumed for the ground site. Three types of the static analysis were considered which includes: a. Time-dependent consolidation, b. Stage load drained, and c. Stage load undrained condition. In time-dependent consolidation and stage load drained analyses, Mohr Coulomb model and Modified Cam Clay (MCC) model are respectively used for sand and clay. For staged loading undrained case, only Mohr Coulomb model is adopted. The different analyses were aimed to simulate the long-term and short-term foundation behaviors.
This study finds that: 1.The time-dependent consolidation analysis and the staged loading drained analysis will yield similar long-term results when excess pore pressure fully dissipates. The effects of the influence factors became relatively unimportant for short-term condition. 2. The foundation settlements are in the order where center>edge>corner; loads distributed at the foundation are the opposite. 3. The foundation settlement becomes smaller when cellular raft is encountered. However since pile length is remained, the stresses of piles were increased due bearing sandy layer at bottom of the piles. 4. Soil model and soil parameters in use will affect the results. Elastic constants are more important than strength parameters when Mohr Coulomb model is used. For MCC model, the compressibility parameters are typically important. 5. Thickness of the soil layers, pile length and pile-to-pile spacing ratio (S/D) are the most significant factors; and they are more important in the cases of plate raft. 6. The resistance of sand-clay-sand site is higher than that of a single layer of soft clays. For long-term analysis, vertical and horizontal loads carried by the piles are respectively 55% and 60% of the foundation loads for plate raft, whereas the loading ratios become 34% and 57% in the case of cellular raft. 7. As S/D increased, the loads carried by piles decreased, however the internal stress of piles will be enlarged in which the pile damages could occur 8. For short-term analysis, the loads carried by piles are also found smaller in the case of cellular raft. Since the results are indeed related to site condition, the interpretations should be careful.
論文目次 目錄 I
圖目錄 III
表目錄 IX
第一章 緒論 1
§1-1研究動機與目的 1
§1-2研究方法與內容 1
第二章 文獻回顧 4
§2-1樁筏基礎分析方法 4
§2-2有限元素法 4
§2-3 樁筏基礎數值模擬 6
§2-4 案例驗證 9
§2-4-1 案例說明 9
§2-4-2 相關設計觀念比較 13
第三章 研究方法 15
§3-1有限元素軟體MIDAS/GTS NX 15
§3-1-1 MIDAS/GTS NX 簡介 15
§3-1-2分析模式介紹 17
§3-1-3土壤材料模式 18
§3-1-4 邊界條件設置 19
§3-1-5 介面元素 21
§3-2 MIDAS/GTS XN分析設定步驟 24
第四章 版式筏樁基礎行為 27
§4-1 模型建構概述 27
§4-1-2 模型建構前置作業 29
§4-1-3 數值模型建構 33
§4-2 土壤與結構材料 34
§4-3版式筏樁基礎模型 39
§4-4 豎向均佈力 47
§4-4-1沉陷量 54
§4-4-2樁筏基礎承載分攤比例 58
§4-4-3樁基礎軸力與摩擦力 63
§4-4-4樁基礎力分配性 76
§4-4-5樁基礎點承載力 80
§4-5水平均佈力 84
第五章 箱式筏樁基礎行為 94
§5-1 箱式筏基概述 94
§5-1-2 箱式筏樁基礎模型建構前置作業 94
§5-2 箱式筏樁基礎模型 95
§5-3 豎向均佈力 98
§5-3-1沉陷量 104
§5-3-2樁筏基礎承載分攤比例 108
§5-3-3樁基礎軸力與摩擦力 113
§5-3-4樁基礎力分配性 126
§5-3-5樁基礎點承載力 130
§5-4水平均佈力 134
第六章 結論與建議 142
§6-1 結果討論 142
§6-2 未來展望 145
參考文獻 146
圖1-1 研究流程圖 3
圖2-1 有限元素法分析流程圖 5
圖2-2 筏基版頂面與樁基礎頂面點位示意圖 6
圖2-3 S/d=4,L/d=30垂直荷載之軸力與摩擦力 7
圖2-4 S/d=4,L/d=30水平推力之彎矩與剪力 8
圖2-5 樁筏基礎模型案例 10
圖2-6 MIDAS/GTS NX樁筏基礎案例模型示意圖 10
圖2-7 ISSMGE- TC212所定義之樁筏基礎設計區間 13
圖2-8 Katzenbach等人所定義之樁筏基礎設計區間 14
圖3-1 MIDAS/GTS開啟畫面示意圖 15
圖3-2 簡易三維模型邊界條件示意圖 20
圖3-3 庫倫摩擦法則 21
圖3-4 MIDAS/GTS NX介面元素設定視窗 22
圖3-5 依時性壓密分析設置示意圖 24
圖3-6 階段施力(排水參數)分析設置示意圖 24
圖3-7 階段施力(不排水參數)分析設置示意圖 25
圖3-8 MIDAS/GTS NX不壓密邊界條件設定示意圖 26
圖3-9 MIDAS/GTS NX排水邊界條件設定示意圖 26
圖4-1 筏基版底部與樁、土壤接觸區域網格加密示意圖 30
圖4-2 筏基版周圍與樁、土壤接觸區域網格加密示意圖 30
圖4-3 沉陷量與分析域寬度關係 31
圖4-4 版式基礎與群樁配置 32
圖4-5修正劍橋模式特性參數關係圖 35
圖4-6 彈性完全塑性模式關係 36
圖4-7 分析域土層模型配置 40
圖4-8 版式基礎側視圖 41
圖4-9 版式基礎–介面元素 41
圖4-10 版式基礎分析域邊界束制 42
圖4-11 壓密分析-排水條件 43
圖4-12 壓密分析-不壓密邊界條件 43
圖4-13 依時性壓密分析步驟設置 44
圖4-14 階段施力(排水參數)分析步驟設置 45
圖4-15 階段施力(不排水參數)分析步驟設置 45
圖4-16 樁筏基礎變參數分析與比較流程圖 46
圖4-17 版式筏樁基礎-豎向均佈載重施加方式 47
圖4-18 版式基礎依時性壓密分析-筏基版沉陷量 48
圖4-19 版式基礎階段施力(排水參數)分析-筏基版沉陷量 48
圖4-20 版式基礎階段施力(不排水參數)分析-筏基版沉陷量 49
圖4-21 豎向均佈力-版式基礎之樁基礎沉陷量(依時性壓密) 49
圖4-22 豎向均佈力-版式基礎之筏基版頂面沉陷量(依時性壓密) 50
圖4-23 豎向均佈力-版式基礎之樁基礎沉陷量(依時性壓密) 50
圖4-24 超額孔隙水壓(依時性壓密-工期1300天) 51
圖4-25 超額孔隙水壓(依時性壓密-工期4300天) 51
圖4-26 版式筏樁基礎受豎向均佈力作用應力分佈 52
圖4-27版式筏樁基礎受豎向均佈力作用之筏基版底面應力分佈 53
圖4-28版式筏樁基礎受豎向均佈力作用之樁基應力分佈 53
圖4-29 版式筏樁基礎承載分擔比例-變地下水位 59
圖4-30 版式筏樁基礎承載分擔比例-變下層砂土k值 59
圖4-31 版式筏樁基礎承載分擔比例-變黏土層厚度 60
圖4-32 版式筏樁基礎承載分擔比例-變上層砂土厚度 60
圖4-33 版式筏樁基礎承載分擔比例-變黏土層剪力波速 61
圖4-34 版式筏樁基礎承載分擔比例-變樁長 62
圖4-35 版式筏樁基礎承載分擔比例-變樁徑 62
圖4-36 版式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變地下水位 63
圖4-37 版式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變下層砂土k值 64
圖4-38 版式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變黏土層厚度 64
圖4-39版式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變上層砂土厚度 65
圖4-40 版式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變黏土層剪力波速 65
圖4-41 版式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變地下水位 66
圖4-42 版式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變下層砂土k值 66
圖4-43 版式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變黏土層厚度 67
圖4-44 版式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變上層砂土厚度 67
圖4-45 版式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變黏土層剪力波速 68
圖4-46版式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變地下水位 68
圖4-47版式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變下層砂土k值 69
圖4-48 版式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變黏土層厚度 69
圖4-49版式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變上層砂土厚度 70
圖4-50版式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變黏土層剪力波速 70
圖4-51 版式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變S/d 71
圖4-52版式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變樁長 71
圖4-53版式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變樁徑 72
圖4-54版式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變S/d 73
圖4-55 版式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變樁長 73
圖4-56 版式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變樁徑 74
圖4-57 版式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變S/d 74
圖4-58 版式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變樁長 75
圖4-59 版式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變樁徑 75
圖4-60 版式筏樁基礎樁頂部分配力所取點位 76
圖4-61版式筏樁基礎樁底部點承力所取點位 80
圖4-62 樁筏基礎-水平向均佈載重施加方式 84
圖4-63 水平均佈力-版式基礎筏基版頂面位移量 85
圖4-64 水平均佈力-版式基礎筏筏基版底面位移量 85
圖4-65 水平均佈力-版式基礎樁基位移量 86
圖4-66 版式基礎-受水平均佈力變形示意圖 86
圖4-67 版式基礎受水平均佈力作用應力分佈 87
圖4-68 版式基礎受水平均佈力作用之筏基版底部應力分佈 87
圖4-69 版式基礎受水平均佈力作用之樁基礎應力分佈 88
圖4-70 版式基礎-筏基版頂面水平位移量-S/d 88
圖4-71 版式基礎-筏基版頂面水平位移量- L/d 89
圖4-72 版式基礎-樁筏基礎承載係數(αH)-S/d 90
圖4-73 版式基礎-樁筏基礎承載係數(αH)- L/d 91
圖4-74 (均質黏土層) 版式基礎-樁筏基礎承載係數(αH)-S/d 92
圖4-75 (均質黏土層) 版式基礎-樁筏基礎承載係數(αH)-L/d 92
圖4-76版式基礎-依時性壓密分析彎矩與剪力 93
圖5-1箱式筏樁基礎與群樁配置 95
圖5-2 箱式筏樁基礎–內部支撐柱 96
圖5-3 箱式筏樁基礎側視圖 96
圖5-4 箱式筏樁基礎–介面元素 97
圖5-5 箱式基礎分析域邊界束制 97
圖5-6 箱式筏樁基礎-豎向均佈載重施加方式 98
圖5-7 箱式基礎依時性壓密分析-樁基礎頂部沉陷量 99
圖5-8 箱式基礎階段施力(排水參數)分析-樁基礎頂部沉陷量 99
圖5-9 箱式基礎階段施力(不排水參數)分析-樁基礎頂部沉陷量 100
圖5-10 豎向均佈力-箱式基礎沉陷量(依時性壓密) 100
圖5-11 豎向均佈力-箱式基礎頂面沉陷量(依時性壓密) 101
圖5-12 豎向均佈力-箱式基礎之樁基礎沉陷量(依時性壓密) 101
圖5-13 箱式筏樁基礎受豎向均佈力作用應力分佈 102
圖5-14 箱式筏樁基礎受豎向均佈力作用之箱基版底面應力分佈 103
圖5-15箱式筏樁基礎受豎向均佈力作用之樁基應力分佈 103
圖5-16 箱式筏樁基礎承載分擔比例-變地下水位 109
圖5-17 箱式筏樁基礎承載分擔比例-變下層砂土k值 109
圖5-18 箱式筏樁基礎承載分擔比例-變黏土層厚度 110
圖5-19 箱式筏樁基礎承載分擔比例-變上層砂土厚度 110
圖5-20 箱式筏樁基礎承載分擔比例-變黏土層剪力波速 111
圖5-21 箱式筏樁基礎承載分擔比例-變S/d 111
圖5-22 箱式筏樁基礎承載分擔比例-變樁長 112
圖5-23 箱式筏樁基礎承載分擔比例-變樁徑 112
圖5-24 箱式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變地下水位 113
圖5-25 箱式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變下層砂土k值 114
圖5-26 箱式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變黏土層厚度 114
圖5-27 箱式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變上層砂土厚度 115
圖5-28 箱式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變黏土層剪力波速 115
圖5-29 箱式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變地下水位 116
圖5-30箱式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變下層砂土k值 116
圖5-31箱式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變黏土層厚度 117
圖5-32箱式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變上層砂土厚度 117
圖5-33箱式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變黏土層剪力波速 118
圖5-34箱式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變地下水位 118
圖5-35 箱式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變下層砂土k值 119
圖5-36 箱式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變黏土層厚度 119
圖5-37 箱式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變上層砂土厚度 120
圖5-38箱式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變黏土層剪力波速 120
圖5-39 箱式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變S/d 121
圖5-40 箱式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變樁長 121
圖5-41 箱式基礎依時性壓密分析軸力與摩擦力-變樁徑 122
圖5-42 箱式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變S/d 123
圖5-43 箱式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變樁長 123
圖5-44 箱式基礎階段施力(排水參數)分析軸力與摩擦力-變樁徑 124
圖5-45 箱式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變S/d 124
圖5-46 箱式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變樁長 125
圖5-47 箱式基礎階段施力(不排水參數)分析軸力與摩擦力-變樁徑 125
圖5-48 箱式基礎樁頂部分配力所取點位 126
圖5-49 箱式筏樁基礎樁底部點承力所取點位 130
圖5-50 箱式基礎-水平向均佈載重施加方式 134
圖5-51 水平均佈力-箱式基礎箱基礎頂面位移量 135
圖5-52 水平均佈力-箱式基礎箱基礎版底面位移量 135
圖5-53 水平均佈力-箱式基礎樁基位移量 136
圖5-54 箱式基礎-受水平均佈力變形示意圖 136
圖5-55 箱式基礎受水平均佈力作用應力分佈 137
圖5-56 箱式基礎受水平均佈力作用之箱基礎底部應力分佈 137
圖5-57 箱式基礎受水平均佈力作用之樁基礎應力分佈 138
圖5-58 箱式基礎-筏基版頂面水平位移量-S/d 138
圖5-59 箱式基礎-筏基版頂面水平位移量- L/d 139
圖5-60箱式基礎-樁筏基礎承載係數(αH)-S/d 140
圖5-61箱式基礎-樁筏基礎承載係數(αH)- L/d 140
圖5-62 箱式基礎-依時性壓密分析彎矩與剪力 141
表2-1 筏基版頂面沉陷量 7
表2-2 樁筏基礎案例土壤材料參數設定 11
表2-3 樁筏基礎αpr與Spr/Ssf參數 13
表2-4 樁筏基礎(L/d)和(n)與(S/Ssf)關係表 14
表3-1 MIDAS/GTS NX三維分析種類整理 16
表3-2 MIDAS/GTS NX分析模式說明 17
表3-3 土壤模式說明 18
表3-4 邊界條件分類 19
表3-5 介面元素參數 22
表3-6 Mode-II 模型內種類 23
表4-1 MIDAS/GTS 三維實體元素使用之節點數 28
表4-2 筏樁基礎尺寸 32
表4-3 數值模型建構流程 33
表4-4 Modified Cam-Clay特性參數整理 34
表4-5 排水土壤參數 37
表4-6 不排水土壤參數 38
表4-7 樁筏基礎混凝土材料參數 39
表4-8 分析域土層尺寸 39
表4-9 版式基礎標準模型基礎尺寸 40
表4-10 外力施載方式說明 44
表4-11 延長壓密分析與階段施力(排水參數)分析-最終沉陷量 52
表4-12 版式基礎依時性壓密分析-變參數沉陷量比較 54
表4-13 版式基礎階段施力(排水參數)分析-變參數沉陷量比較 55
表4-14 版式基礎階段施力(不排水參數)分析-變參數沉陷量比較 56
表4-15 版式基礎標準案例依時性壓密-樁筏基礎承載分攤比例 58
表4-16 版式基礎依時性壓密分析-變參數樁基礎分配力比較 77
表4-17 版式基礎階段施力(排水參數)分析-變參數樁基礎分配力比較 78
表4-18 版式基礎階段施力(不排水參數)分析-變參數樁基礎分配力比較 79
表4-19 版式基礎依時性壓密分析-變參數樁基礎點承力比較 81
表4-20 版式基礎階段施力(排水參數)分析-變參數樁基礎點承力比較 82
表4-21 版式基礎階段施力(不排水參數)分析-變參數樁基礎點承力比較 83
表4-22版式基礎標準模型之水平樁筏基礎承載係數(αH) 90
表5-1 箱式基礎尺寸 94
表5-2 箱式基礎依時性壓密分析-變參數沉陷量比較 104
表5-3箱式基礎階段施力(排水參數)分析-變參數沉陷量比較 105
表5-4箱式基礎階段施力(不排水參數)分析-變參數沉陷量比較 106
表5-5箱式基礎標準案例依時性壓密-樁筏基礎承載分攤比例 108
表5-6 箱式基礎依時性壓密分析-變參數分配力比較 127
表5-7 箱式基礎階段施力(排水參數)分析-變參數分配力比較 128
表5-8 箱式基礎階段施力(不排水參數)分析-變參數分配力比較 129
表5-9 箱式基礎依時性壓密分析-變參數點承力比較 131
表5-10 箱式基礎階段施力(排水參數)分析-變參數點承力比較 132
表5-11 箱式基礎階段施力(不排水參數)分析-變參數點承力比較 133
表5-12 箱式基礎標準模型之水平樁筏基礎承載係數(αH) 139
表6-1 基礎形式不同之樁基礎沉陷量整理 143
表6-2影響樁筏基礎承載係數顯著影響參數 144

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