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系統識別號 U0002-2707201514120300
中文論文名稱 軟弱粘土層中水平層狀加勁砂樁承載試驗
英文論文名稱 Model Tests on Bearing Behavior of Horizontal Laminated Reinforced Sand Columns 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 103
學期 2
出版年 104
研究生中文姓名 陳冠龍
研究生英文姓名 Guan-Long Chen
學號 602380403
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-06-26
論文頁數 197頁
口試委員 指導教授-洪勇善
委員-吳朝賢
委員-劉家男
中文關鍵字 砂樁  軟弱粘土  地工合成材  層狀加勁  模型試驗 
英文關鍵字 Sand column  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 本研究針對軟弱粘土中層狀加勁砂樁的應用進行模型試驗,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。試驗針對三種不同強度之加勁材料,分五層、十層與同向及交叉擺設以及不同加勁範圍之層數配置進行模型試驗。此外,也進行純粘土及未加勁砂樁的試驗,比較純粘土所提供的承載能力與未加勁以及不同加勁材強度、層數等承載能力的變化。

試驗結果顯示,當軟弱粘土層中之砂樁水平置入加勁材後,能有效提升軸向承載壓力,並將上方載重傳遞至砂樁底部。當擺設之加勁材強度大時,較密的加勁材間距可大幅提升砂樁之承壓能力。若加勁材具有較大之強度異向性,交叉擺設較同向擺設能帶來較好的效果。而不同加勁範圍方面,由試驗得知部分加勁無法達到與全段加勁相近之軸壓能力。擺設加勁材後,能束制砂樁側向腫脹程度,擺設間距較密且強度較大之加勁材,更能有效束制側向腫脹並使樁體變形更趨均勻。
英文摘要 This study investigates the bearing behavior of individual geosynthetic-laminated sand columns embedded in very soft 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 conducted on three types of geosynthetics was employed to reinforce the sand columns either with 5 or 10 layers in same and 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. Using the reinforcements with high strength and smaller spacing can exhibit significant improvement in bearing capacity of sand column. Consequently, the greater amounts of stress are transmitted from the top to the bottom of the laminated reinforced sand columns, and the columns deform in a relatively uniform manner along the height of the columns. If the reinforcement has obvious anisotropic behavior on strength, then place it in cross can provide higher bearing capability. Additionally, local reinforced area in sand columns cannot obtain the close bearing capability.
論文目次 章節目錄
章節目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究方法 3
1.3研究內容 5
第二章 文獻回顧 6
2.1砂石樁工法 6
2.2砂石樁加勁方式 8
2.3加勁材勁度對加勁效果影響 9
2.4加勁材界面摩擦角對加勁效果影響 12
2.5層狀加勁砂柱之模型試驗研究 15
第三章 試驗儀器與試驗內容 19
3.1試驗計畫 19
3.2試驗儀器介紹 21
3.2.1實驗室十字片剪力試驗儀 21
3.2.2地工合成材雙向拉伸試驗儀 27
3.2.3地工合成材軸向均拉試驗儀 31
3.2.4直接剪力試驗儀 36
3.2.5模型試驗儀 41
3.3 試驗內容與試驗方法 54
3.3.1試驗砂土與粘土之基本物理性質試驗 55
3.3.2粘土十字片剪試驗 55
3.3.3地工合成材雙向拉伸試驗 56
3.3.4地工合成材軸向均拉試驗 58
3.3.5加勁材與試驗砂之界面摩擦角剪力試驗 61
3.3.6載重下加勁材厚度量測 62
3.4加勁砂樁模型試驗 64
3.4.1加勁砂樁設計方式 64
3.4.2模型試驗步驟 67
第四章 試驗結果與分析 84
4.1試驗砂土與粘土基本物理性質試驗結果 84
4.2 地工合成材試驗結果 87
4.2.1地工合成材基本性質 87
4.2.2地工合成材雙向拉伸試驗結果 88
4.2.3地工合成材軸向均拉試驗結果 95
4.3加勁材-砂土界面力學行為 103
4.4載重下加勁材厚度量測試驗結果 107
4.5砂樁模型試驗結果 110
4.5.1模型試驗之模型相似律 110
4.5.2模型試驗之重複性 112
4.5.3模型試驗之基本性質參數 114
4.5.4模型試驗結果 116
4.5.5純粘土試驗結果 118
4.5.6未加勁砂樁試驗結果 119
4.5.7五層同向擺設加勁砂樁試驗結果 122
4.5.8十層同向擺設加勁砂樁試驗結果 131
4.5.9五層交叉擺設加勁砂樁試驗結果 140
4.5.10十層交叉擺設加勁砂樁試驗結果 149
4.5.11不同加勁範圍交叉擺設加勁砂樁試驗結果 158
4.5.12不同加勁間距之加勁砂樁試驗結果 172
4.5.13周圍粘土起伏 179
第五章 結論與建議 193
5.1結論 193
5.2建議 195
參考文獻 196




圖目錄
圖1.1 砂樁之受力狀態與破壞示意圖 2
圖1.2 合成材三種加勁方式(Latha & Murthy,2007) 2
圖1.3 研究流程圖 4
圖2.1 擠壓砂樁工法(張吉佐,2002) 7
圖2.2 砂柱破壞形式(Brauns,1987) 7
圖2.3 合成材三種加勁方式(Latha & Murthy,2007) 8
圖2.4 圍壓100 kPa下之試驗結果(Haeri et al.,2000) 10
圖2.5 不同加勁材勁度下加勁砂柱之應力應變關係(Wu and Hong,2008) 10
圖2.6 不同加勁材強度下加勁砂柱之應力應變關係(Wu and Hong,2008) 11
圖2.7 不同勁度加勁材之軸差應力與體積應變比較(林致瑋,2013) 11
圖2.8 砂土-加勁材界面摩擦角於層狀加勁砂柱之行為(Hong and Wu,2013) 13
圖2.9 兩連續加勁材間圍壓應力高程分佈(Hong and Wu,2013) 13
圖2.10 不同間距下兩連續加勁材間圍壓應力高程分佈(Hong and Wu,2013) 14
圖2.11 模型試驗示意圖(Kousik et al.,2010) 16
圖2.12 砂柱腫脹情況(Kousik et al.,2010) 16
圖2.13 外包與層狀加勁砂柱形式(Ali et al.,2012) 17
圖2.14 模型試驗步驟(Ali et al.,2012) 17
圖2.15 垂直應力與沉陷量關係圖(Ali et al.,2012) 18
圖2.16 砂柱試體變形照片(Ali et al.,2012) 18
圖3.1 研究試驗流程圖 20
圖3.2 實驗室十字片剪試驗儀器(VJ Tech) 23
圖3.3 實驗室十字片剪儀器之扭力彈簧 24
圖3.4 扭力彈簧校正圖 25
圖3.5 實驗室十字片剪儀器之十字葉片 25
圖3.6 實驗室十字片剪儀器之圓形刻度盤 26
圖3.7 實驗室十字片剪儀器之下部裝置 26
圖3.8 雙向拉伸試驗儀 28
圖3.9 中央夾具結構 29
圖3.10 外側轉盤照片 29
圖3.11 監測元件照片 30
圖3.12 軸向均拉試驗示意圖(單位:mm) 32
圖3.13 夯實模 32
圖3.14 織物夾具(內徑75 mm) 33
圖3.15 承載桿(直徑25 mm) 33
圖3.16 應力環與轉接頭(50 Kg) 34
圖3.17 應力環校正係數圖(50 Kg) 34
圖3.18 應力環與轉接頭(200Kg) 35
圖3.19 應力環校正係數圖(200 Kg) 35
圖3.20 直接剪力試驗儀 37
圖3.21 改造之直剪下盒各式零件介紹 38
圖3.22 加勁材厚度量測相關示意圖 40
圖3.23 萬能拉伸試驗機構造示意圖 43
圖3.24 萬能拉伸試驗機 43
圖3.25 模型試驗示意圖 44
圖3.26 砂樁模型試驗局部示意圖 44
圖3.27 模型試驗承載桿 45
圖3.28 模型試驗用S型荷重元(500 kg) 45
圖3.29 荷重元校正係數圖 46
圖3.30 模型試驗用頂部土壓計(D=24.5 mm,capacity 1000 kPa) 46
圖3.31 模型試驗用底部土壓計(D=24.5 mm,capacity 1000 kPa) 47
圖3.32 頂部土壓計校正係數圖 47
圖3.33 底部土壓計校正係數圖 48
圖3.34 模型試驗用雷射位移計 48
圖3.35 雷射位移計校正曲線圖 49
圖3.36 模型試驗底板 49
圖3.37 試驗底板中央金屬卡榫 50
圖3.38 試驗底板下方固定裝置 51
圖3.39 模型試驗反力架 51
圖3.40 反力架底部荷重元連接處 52
圖3.41 數據擷取器 52
圖3.42 數據擷取器之操作畫面 53
圖3.43 模型試驗圓桶(內徑50公分) 53
圖3.44 中空壓克力套管 54
圖3.45 加勁材雙向拉伸示意圖(單位:mm) 57
圖3.46 雙向拉伸試驗架設 57
圖3.47 試驗織物(GT3) 59
圖3.48 利用雙向拉伸機繃緊織物並固鎖 59
圖3.49 織物夾具架設完成 60
圖3.50 均拉試驗整體架設 60
圖3.51 加勁材與試驗砂之界面剪力試驗示意圖 62
圖3.52 厚度量測儀 63
圖3.53 量測加勁材厚度之架設圖 63
圖3.54 模型試驗使用之三種加勁材料 64
圖3.55 層狀加勁加勁材配置方式(單位:mm) 66
圖3.56 模型試驗流程圖 69
圖3.57 模型試驗流程示意圖 70
圖3.58 加勁材圓片(GT3) 71
圖3.59 乾燥粘土塊 71
圖3.60 攪拌機及拌合後粘土 72
圖3.61 壓克力套管架設情形 73
圖3.62 粘土分次填入圓桶中並壓實 74
圖3.63 使用鏝刀工具碾壓及抹平粘土 74
圖3.64 鋼尺沿桶壁邊抹平表面粘土高程 75
圖3.65 將試驗砂填入中空壓克力套管 75
圖3.66 利用萬能拉伸儀抬伸壓克力套管 76
圖3.67 利用搗桿搗實砂樁 76
圖3.68 利用搗桿安裝加勁材 77
圖3.69 放置水平儀確認砂層水平 77
圖3.70 加勁砂樁安裝完成 78
圖3.71 架設荷重元、頂部土壓計、雷射位移計 78
圖3.72 沉陷量達50 mm示意圖 79
圖3.73 雷射位移計量測距砂樁中心60 mm至240 mm之間粘土起伏 79
圖3.74 利用十字片剪儀器測定不排水剪力強度 80
圖3.75 開挖承載桿周圍粘土 80
圖3.76 砂樁固結方式與器材介紹 82
圖3.77 放置一天待砂樁固結 82
圖3.78 開挖砂樁周圍粘土 83
圖3.79 固結後砂樁試體(純砂) 83
圖4.1 試驗粘土粒徑分布曲線圖 85
圖4.2 No.201石英砂粒徑分佈曲線圖 86
圖4.3 砂土之圍壓與摩擦角關係圖(重繪,郭建明,2013) 86
圖4.4 地工合成材的方向性 90
圖4.5 雙向拉伸試驗結果(GT1) 90
圖4.6 雙向拉伸試驗結果(GT2) 91
圖4.7 雙向拉伸試驗結果(GT3) 91
圖4.8 雙向拉伸試驗試體架設情形(GT1)(簡嘉緯,2014) 92
圖4.9 雙向拉伸試驗試體破壞情形(GT1)(張應變16 %)(簡嘉緯,2014) 92
圖4.10 雙向拉伸試驗試體架設情形(GT2) (簡嘉緯,2014) 93
圖4.11 雙向拉伸試驗試體破壞情形(GT2)(張應變42 %)(簡嘉緯,2014) 93
圖4.12 雙向拉伸試驗試體架設情形(GT3) (簡嘉緯,2014) 94
圖4.13 雙向拉伸試驗試體破壞情形(GT3)(張應變41 %)(簡嘉緯,2014) 94
圖4.14 地工合成材軸向均拉試驗軸向壓力-垂直位移關係圖 98
圖4.15 計算示意圖(單位:mm) 98
圖4.16 地工合成物軸向均拉試驗結果 100
圖4.17 軸向均拉試驗試體破壞情形 101
圖4.18 雙向拉伸試驗與軸向均拉試驗比較 103
圖4.19 GT1XD界面剪力試驗結果(林致緯,2013) 104
圖4.20 GT1MD界面剪力試驗結果(林致緯,2013) 105
圖4.21 GT2XD界面剪力試驗結果(林致緯,2013) 105
圖4.22 GT2MD界面剪力試驗結果(林致緯,2013) 106
圖4.23 GT3XD界面剪力試驗結果(林致緯,2013) 106
圖4.24 GT3MD界面剪力試驗結果(林致緯,2013) 107
圖4.25 加勁材厚度壓縮與大載重關係(簡嘉緯,2014) 109
圖4.26 砂樁頂部應力-沉陷曲線圖校正結果(五層加勁) 109
圖4.27 砂樁頂部應力-沉陷曲線圖校正結果(十層加勁) 110
圖4.28 三種模型試驗砂樁頂部應力-沉陷量曲線 114
圖4.29 承載板下方應力分佈圖(余易昇,2013) 118
圖4.30 純粘土模型試驗結果 119
圖4.31 未加勁砂樁模型試驗結果 120
圖4.32 未加勁砂樁於沉陷50mm之變形 121
圖4.33 沈陷50 mm時樁體體積應變分佈 121
圖4.34 GT1-5SD-1五層加勁砂樁模型試驗結果 123
圖4.35 GT1-5SD-1五層加勁砂樁變形圖(橫穿方向) 124
圖4.36 GT1-5SD-1五層加勁砂樁變形示意圖(橫穿方向) 124
圖4.37 GT1-5SD-1五層加勁砂樁變形圖(機器方向) 125
圖4.38 GT1-5SD-1五層加勁砂樁變形示意圖(機器方向) 125
圖4.39 GT2-5SD-1五層加勁砂樁模型試驗結果 126
圖4.40 GT2-5SD-1五層加勁砂樁變形圖(橫穿方向) 126
圖4.41 GT2-5SD-1五層加勁砂樁變形示意圖(橫穿方向) 127
圖4.42 GT2-5SD-1五層加勁砂樁變形圖(機器方向) 127
圖4.43 GT2-5SD-1五層加勁砂樁變形示意圖(機器方向) 128
圖4.44 GT3-5SD-1五層加勁砂樁模型試驗結果 128
圖4.45 GT3-5SD-1五層加勁砂樁變形圖(橫穿方向) 129
圖4.46 GT3-5SD-1五層加勁砂樁變形示意圖(橫穿方向) 129
圖4.47 GT3-5SD-1五層加勁砂樁變形圖(機器方向) 130
圖4.48 GT3-5SD-1五層加勁砂樁變形示意圖(機器方向) 130
圖4.49 GT1-10SD-1十層加勁砂樁模型試驗結果 132
圖4.50 GT1-10SD-1十層加勁砂樁變形圖(橫穿方向) 133
圖4.51 GT1-10SD-1十層加勁砂樁變形示意圖(橫穿方向) 133
圖4.52 GT1-10SD-1十層加勁砂樁變形圖(機器方向) 134
圖4.53 GT1-10SD-1十層加勁砂樁變形示意圖(機器方向) 134
圖4.54 GT2-10SD-1十層加勁砂樁模型試驗結果 135
圖4.55 GT2-10SD-1十層加勁砂樁變形圖(橫穿方向) 135
圖4.56 GT2-10SD-1十層加勁砂樁變形示意圖(橫穿方向) 136
圖4.57 GT2-10SD-1十層加勁砂樁變形圖(機器方向) 136
圖4.58 GT2-10SD-1十層加勁砂樁變形示意圖(機器方向) 137
圖4.59 GT3-10SD-1十層加勁砂樁模型試驗結果 137
圖4.60 GT3-10SD-1十層加勁砂樁變形圖(橫穿方向) 138
圖4.61 GT3-10SD-1十層加勁砂樁變形示意圖(橫穿方向) 138
圖4.62 GT3-10SD-1十層加勁砂樁變形圖(機器方向) 139
圖4.63 GT3-10SD-1十層加勁砂樁變形示意圖(機器方向) 139
圖4.64 GT1-5VD-1五層加勁砂樁模型試驗結果 141
圖4.65 GT1-5VD-1五層加勁砂樁變形圖(3XD 2MD) 142
圖4.66 GT1-5VD-1五層加勁砂樁變形示意圖(3XD 2MD) 142
圖4.67 GT1-5VD-1五層加勁砂樁變形圖(3MD 2XD) 143
圖4.68 GT1-5VD-1五層加勁砂樁變形示意圖(3MD 2XD) 143
圖4.69 GT2-5VD-1五層加勁砂樁模型試驗結果 144
圖4.70 GT2-5VD-1五層加勁砂樁變形圖(3XD 2MD) 144
圖4.71 GT2-5VD-1五層加勁砂樁變形示意圖(3XD 2MD) 145
圖4.72 GT2-5VD-1五層加勁砂樁變形圖(3MD 2XD) 145
圖4.73 GT2-5VD-1五層加勁砂樁變形示意圖(3MD 2XD) 146
圖4.74 GT3-5VD-1五層加勁砂樁模型試驗結果 146
圖4.75 GT3-5VD-1五層加勁砂樁變形圖(3XD 2MD) 147
圖4.76 GT3-5VD-1五層加勁砂樁變形示意圖(3XD 2MD) 147
圖4.77 GT3-5VD-1五層加勁砂樁變形圖(3MD 2XD) 148
圖4.78 GT3-5VD-1五層加勁砂樁變形示意圖(3MD 2XD) 148
圖4.79 GT1-10VD-1十層加勁砂樁模型試驗結果 151
圖4.80 GT1-10VD-1十層加勁砂樁變形圖(5XD 5MD) 151
圖4.81 GT1-10VD-1十層加勁砂樁變形示意圖(5XD 5MD) 152
圖4.82 GT1-10VD-1十層加勁砂樁變形圖(5MD 5XD) 152
圖4.83 GT1-10VD-1十層加勁砂樁變形示意圖(5MD 5XD) 153
圖4.84 GT2-10VD-1十層加勁砂樁模型試驗結果 153
圖4.85 GT2-10VD-1十層加勁砂樁變形圖(5XD 5MD) 154
圖4.86 GT2-10VD-1十層加勁砂樁變形示意圖(5XD 5MD) 154
圖4.87 GT2-10VD-1十層加勁砂樁變形圖(5MD 5XD) 155
圖4.88 GT2-10VD-1十層加勁砂樁變形示意圖(5MD 5XD) 155
圖4.89 GT3-10VD-1十層加勁砂樁模型試驗結果 156
圖4.90 GT3-10VD-1十層加勁砂樁變形圖(5XD 5MD) 156
圖4.91 GT3-10VD-1十層加勁砂樁變形示意圖(5XD 5MD) 157
圖4.92 GT3-10VD-1十層加勁砂樁變形圖(5MD 5XD) 157
圖4.93 GT3-10VD-1十層加勁砂樁變形示意圖(5XD 5MD) 158
圖4.94 GT3-2VD-0.2兩層加勁砂樁模型試驗結果 161
圖4.95 GT3-2VD-0.2兩層加勁砂樁變形圖(1XD 1MD) 161
圖4.96 GT3-2VD-0.2兩層加勁砂樁變形示意圖(1XD 1MD) 162
圖4.97 GT3-2VD-0.2兩層加勁砂樁變形圖(1MD 1XD) 162
圖4.98 GT3-2VD-0.2兩層加勁砂樁變形示意圖(1MD 1XD) 163
圖4.99 GT3-4VD-0.4四層加勁砂樁模型試驗結果 163
圖4.100 GT3-4VD-0.4四層加勁砂樁變形圖(2XD 2MD) 164
圖4.101 GT3-4VD-0.4四層加勁砂樁變形示意圖(2XD 2MD) 164
圖4.102 GT3-4VD-0.4四層加勁砂樁變形圖(2MD 2XD) 165
圖4.103 GT3-4VD-0.4四層加勁砂樁變形示意圖(2MD 2XD) 165
圖4.104 GT3-6VD-0.6六層加勁砂樁模型試驗結果 166
圖4.105 GT3-6VD-0.6六層加勁砂樁變形圖(3XD 3MD) 166
圖4.106 GT3-6VD-0.6六層加勁砂樁變形示意圖(3XD 3MD) 167
圖4.107 GT3-6VD-0.6六層加勁砂樁變形圖(3MD 3XD) 167
圖4.108 GT3-6VD-0.6六層加勁砂樁變形示意圖(3MD 3XD) 168
圖4.109 GT3-8VD-0.8八層加勁砂樁模型試驗結果 168
圖4.110 GT3-8VD-0.8八層加勁砂樁變形圖(4XD 4MD) 169
圖4.111 GT3-8VD-0.8八層加勁砂樁變形示意圖(4XD 4MD) 169
圖4.112 GT3-8VD-0.8八層加勁砂樁變形圖(4MD 4XD) 170
圖4.113 GT3-8VD-0.8八層加勁砂樁變形示意圖(4MD 4XD) 170
圖4.114不同加勁範圍之比較 171
圖4.115加勁範圍比與砂樁頂部應力關係圖 171
圖4.116 GT3-3VD-0.6三層加勁砂樁模型試驗結果 174
圖4.117 GT3-3VD-0.6三層加勁砂樁變形圖(2XD 1MD) 174
圖4.118 GT3-3VD-0.6三層加勁砂樁變形示意圖(2XD 1MD) 175
圖4.119 GT3-3VD-0.6三層加勁砂樁變形圖(2MD 1XD) 175
圖4.120 GT3-3VD-0.6三層加勁砂樁變形示意圖(2MD 1XD) 176
圖4.121 GT3-10VD-0.6十層加勁砂樁模型試驗結果 176
圖4.122 GT3-10VD-0.6十層加勁砂樁變形圖(5XD 5MD) 177
圖4.123 GT3-10VD-0.6十層加勁砂樁變形示意圖(5XD 5MD)177
圖4.124 GT3-10VD-0.6十層加勁砂樁變形圖(5MD 5XD) 178
圖4.125 GT3-10VD-0.6十層加勁砂樁變形圖(5MD 5XD) 178
圖4.126 不同加勁間距之比較 179
圖4.127 距砂樁中心120 mm之粘土單點起伏 183
圖4.128 砂樁周圍粘土起伏 192



表目錄
表2.1 試驗用加勁材之力學性質(Haeri et al.,2000) 9
表3.1 扭力彈簧校正表 24
表3.2 模型試驗研究組合 66
表4.1 試驗粘土基本物理性質結果 84
表4.2 粘土主要成分 85
表4.3 砂土基本物理試驗結果 85
表4.4 加勁材基本物理性質 87
表4.5 地工合成材雙向拉伸試驗結果 89
表4.6 地工合成材軸向均拉試驗結果 96
表4.7 加勁材-砂界面剪力試驗結果(林致緯,2013) 104
表4.8 設計載重組別(簡嘉緯,2014) 108
表4.9 原型與模型之無因次項比較表(余易昇,2013) 112
表4.10 模型試驗基本參數與試驗結果 115
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