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系統識別號 U0002-3006200614020900
中文論文名稱 雙楔形滑動塊體法應用於土釘邊坡之受震分析
英文論文名稱 Seismic analysis of the nailed-slopes using two-wedge method
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 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 楊書愷
研究生英文姓名 Shu-Kai Yang
學號 692311375
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-06-16
論文頁數 194頁
口試委員 指導教授-洪勇善
委員-洪勇善
委員-吳朝賢
委員-林三賢
中文關鍵字 土釘陡坡  地震  雙楔形破壞模式  Newmark法  最佳傾角 
英文關鍵字 steep nailed slope  earthquake  two wedge failure mode  Newmark method  optimum nail inclination 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本文以雙楔型模式搭配Newmark滑動塊體法,分析土釘加勁邊坡受震滑移的行為。模式中考慮土壤摩擦角隨剪位移增加而衰減,分析的結果與陳建仁(2002)之振動台試驗比較,以佐證理論模式的正確性。另外,亦提出上部塊體變形行為的初步探討,由前幾階段振動之塊體變形分析與試驗結果比對,反推塊體變形分析中適當的彈簧折減勁度,以及預測震後坡面變形的決定方式。

研究結果顯示,利用雙楔型滑動塊體法分析土釘邊坡受震產生的滑移量,於最接近平移式破壞之邊坡(模型1),分析結果最為良好;其餘較為接近傾覆式破壞之模型,分析結果除模型3外,皆較試驗值低。但可發現考量土壤摩擦角衰減於分析模式中,有助於改善瀕臨破壞階段的分析結果。整體而言,滑移量分析與試驗結果有相同的趨勢。於坡面變形方面,基於結構互制原理建立塊體變形模式,於瀕臨破壞階段前亦有不錯的模擬結果,當邊坡受震進入瀕臨破壞階段,由於邊坡已產生較大的變形量,強度大不如前且不易掌握,此時分析結果較為低估。

參數研究中,依據Hong等人(2005)所提出模型邊坡與原型間的系統相似律關係,配合前人建議的臨界滑移量觀念,求得60°~90°陡坡於不同地震力作用下所需的最小釘長。此外,基於最小滑移量的原則選擇邊坡的最佳土釘傾角,經分析邊坡坡度為60°、70 °、80°及90°之最佳土釘傾角分別為48°、43°、37°及25°,亦即,邊坡坡度越陡最佳土釘傾角越緩。最後,觀察土壤阻尼比與彈性模數於塊體動態行為分析中,對上塊體相對變形量與延遲現象的影響。
英文摘要 This study applies Newmark method with two wedge failure mode to analyze the sliding behavior of steep nailed-slops under seismic excitation. The analytic model has considering decay of the soil internal frictional angle when occur lager shear displacement. In order to confirm the validity of the mode, results of the present study are compared with those obtained from shaking table tests (Chen, 2002). A preliminary discussion regarding the deformation of upper block is also proposed. By comparing preceding steps of analytic block deformation with experimental observations, proper stiffness attenuation in the analysis can be obtained.
Analytic results showed that prediction of two wedge sliding block method from the present study and those of shaking table test have good agreement when the nailed slopes belong to translation failure mode (model 1). The results underestimate displacement of sliding block when the nailed slopes tend to rocking failure mode except model 3. Due to incremental sliding shear displacement considering the decay of internal frictional angle of the soil to be contributive to improve the results in incipient collapse phase. In the results of slope deformation analysis are close to the observation from shaking table tests before the incipient collapse. However, the soil strength discrepancy between the original and the incipient collapse phase, the results from this study are lower than shaking table tests when nailed-slopes are into the incipient collapse phase.
In accordance with the critical sliding displacement concept, the shortest nails lengths for steep slopes are obtained based on the similar relationship between the reduced scale model and the prototype-scale structure (Hong et al., 2005). The optimum nail inclinations are respectively 48°, 43°, 37° and 25° for slope angle 60°, 70°, 80° and 90°. The effects of damping ratio and elastic modulus of soil mass are also considered in the study.
論文目次 誌謝…………………………………………………………………..I
中文摘要…………..……………………………………………...III
英文摘要……………..……………………………………………..V
目錄………………………………………………………………….VII
表目錄…………………………………………………………………X
圖目錄…………………………………………………………………XI
第一章 導論…………………………………………………………01
1.1研究背景及動機......................................01
1.2研究方法…………………………………………….………….02
1.3研究內容…………………………………………………….…02
第二章 文獻回顧………………………………………………….04
2.1邊坡穩定分析法…………..…………………………………..04
2.1.1擬靜態法…………………………………………………….04
2.1.2邊坡動態反應分析法……………………………………….04
2.1.3滑動塊體法………………………………………………….05
2.2理論背景…………………………………………………….…05
2.2.1 Newmark滑動塊體法之基本觀念與假設…….....…....05
2.2.2臨界加速度之求取………………………………………….06
2.2.3累積位移量及方向修正係數……………………………….14
2.2.4 臨界位移量及適用性……………………………………….15
2.3 Newmark法相關經驗公式與修正…………………………….17
2.3.1累積滑移量經驗公式………………………………...…..17
2.3.2 Newmark滑動塊體法修正之相關研究………………………18
2.4土釘加勁結構動態模型試驗……………………..……………27
2.4.1離心機試驗………………………………………………….27
2.4.2振動台試驗之介紹………………………………………...28
2.4.2.1振動台砂箱設備……………………………………………28
2.4.2.2振動台系統介紹……………………………………………29
2.4.2.3砂土之性質及基本參數………………………………………29
2.4.2.4輸入地震波及模型之配置……………………………………31
2.4.2.5振動台試驗結果………………………………………………31
2.5綜合評析……………………………………………………………39
第三章 雙楔形破壞模式分析…………………………………….…41
3.1危險滑動面及安全係數的求取……………………………………41
3.1.1靜態下之危險滑動面及安全係數………………………...…41
3.1.2雙楔形破壞之模式定義……………………………...………44
3.2雙楔形破壞模式分析………………………………………………46
3.2.1地震力作用下之臨界破壞面及臨界加速度………………….47
3.3求取Newmark累積位移量…………………………………………51
3.3.1 Newmark累積位移量公式之基本假設……………………….51
3.3.2滑動塊體法分析之結果……………………………………….52
3.3.3土釘界面阻抗之影響…………………………………………..52
第四章 雙楔形滑動塊體法之修正與應用……………………………60
4.1 雙楔形模式應用於上部塊體之分析……………………………60
4.2 土壤強度修正之分析模式………………………………………67
4.2.1坡趾滑移量之修正…………………………………………..…67
4.2.2 分析結果與討論……………………………………………….72
4.3 可變形體之分析模式……………………………………………77
4.3.1基本構想………………………………………………………..77
4.3.2 結構互制與塊體分割………………………………………….79
4.3.3 彈簧勁度之選定……………………………………………….84
4.3.4阻尼係數之選定……………………………………………...85
4.4塊體滑移之數值方法……………………………………………..86
4.5.1反算彈簧折減倍數及時間點的選取……………………………87
4.5.2振動台試驗剪應變與剪力模數之關係………………………111
4.6 整體坡面變形分析…………………………………..………113
第五章 參數研究……………………………………………………115
5.1 模型試驗參數研究…………………..…………………………115
5.1.1 土釘傾角之影響………………………………………………115
5.1.2 最小釘長之選取………………………………………...…125
5.1.3 地震頻率之影響………………………………………...…131
5.2 動態行為特性之參數研究……………………………………..145
5.2.1 質量分配對塊體變形之影響………………………………..145
5.2.2 阻尼比對塊體變形之影響……………………………………148
5.2.3 彈性模數對塊體變形之影響…………...…………………152
第六章 結論與建議……………………………………...…………156
6.1 結論……………………………………………………………..156
6.2 建議……………………………………………………………..158
參考文獻………………………………………………………………159
附錄 Fortran 語言碼…………………………………….…………165
表目錄
表2.1模擬振動台試驗模型之參數及振動歷時………….…………33
表3.1六組模型配置之安全係數及臨界滑動面(註:靜態情況).…46
表3.2破壞滑動面比較(洪國銘,2004)…………..………………50
表3.3評估土釘加勁邊坡穩定性之比較(洪國銘,2004)….………51
表3.4各模型考慮殘餘土釘拉出阻抗下之臨界加速度值………….56
表4.1六組模型其各塊體之滑動面傾角及臨界加速度…………….61
表4.2模型1在各階段振動之各塊體間的相對滑移量……………..65
表4.3模型1與模型3提高各階段振動之尖峰加速度……………….65
表4.4 雙楔形模式破壞面與試驗結果之比對………………………69
表4.5 模型4之各階段震後坡面變形量……………………………112
表5.1 塊體質量分配之大小……………………………………..142
圖目錄
圖1.1研究流程圖……….……………………………………………03
圖2.1Newmark(1965)建議之三種破壞型式示意圖…………..……07
圖2.2無限邊坡之平面式滑動示意(Crespellani等人,1998)……08
圖2.3有限邊坡平面式滑動示意圖(Chen與Liu,1990)………..…09
圖2.4 Francasi-culmann理論分析有限邊坡之平面式滑動(Ling等人,
1999)………………..10
圖2.5摩擦角10o臨界加速度與傾角之關係(溫郁菁,2003)……..10
圖2.6摩擦角20o臨界加速度與傾角之關係(溫郁菁,2003)……..11
圖2.7摩擦角30o臨界加速度與傾角之關係(溫郁菁,2003)………11
圖2.8摩擦角40o臨界加速度與傾角之關係(溫郁菁,2003)………12
圖2.9對數螺線破壞面示意圖(Crespellani等人,1998)………..13
圖2.10 Newmark滑動塊體法積分過程示意圖(Crespellani等人,1998)…15
圖2.11加入垂直加速度後水平地震係數的變化(Ling等人,1999)……….19
圖2.12垂直加速度之考量對累積滑移量的影響(Ling等人,1999)…….…20
圖2.13 模擬摩擦係數為變數時草嶺邊坡滑動之加速度、速度及位移量與時間關係(尖峰及殘餘摩擦角皆為24 o)(彭文飛,2001)…………………….22
圖2.14傾斜振動平版試驗(Wartman等人,2003)………………….25
圖2.15傾斜振動平版試驗量測所得之位移及加速度結果(Wartman等人,2003)……………………………………………………………25
圖2.16土壤柱體在頻率8.0Hz下,柱頂與柱底之加速度及位移(Wartman等人,2003)………………………………………………..26
圖2.17剛體與可變形體之位移量差異 (Wartman等人,2003)…..26
圖2.18離心機模擬土釘加勁結構物之破壞示意(Tufenkjian與Vucetic,2000)…………………..…………………………………27
圖2.19集集大地震TCU074測站東西向地震加速度歷時曲線………32
圖2.20 TCU074測站地震加速度歷時富氏譜……………..……..32
圖2.21土釘模型邊坡受震之坡面變形(數據取自陳建仁,2002)…33
圖2.22土釘模型邊坡震後之滑動面(陳建仁,2002)………..……34
圖2.23加勁擋土牆破壞示意圖(a)加勁程度較高(b)加勁程度較低(Nagel,1985)……………………………………………………….40
圖3.1單塊體極限分析示意圖……………………………….………42
圖3.2 Stocker等人(1979)之German法示意圖………..……………43
圖3.3雙楔形破壞模式示意圖……………………….…...….……45
圖3.4雙楔形破壞之擬靜態分析流程圖……………….……………48
圖3.5土釘加勁邊坡模型各階段尖峰加速度與累積位移量關係(洪國銘,2004)…………………………………………………………..53
圖3.6土釘加勁邊坡模型各階段尖峰加速度與累積位移量關係(註:土釘界面摩擦阻抗採殘餘值)……………………………………………57
圖4.1上塊體雙楔形分析示意圖………………………………………60
圖4.2地震加速度與慣性力之關係示意圖……………………………63
圖4.3地震加速度與上塊體作用力之關係圖…………………………64
圖4.4模型1之坡面變形(最大尖峰加速度為1.5g)……………...…66
圖4.5模型3之坡面變形(最大尖峰加速度為1.5g)………...………66
圖4.6試驗用砂No.315相對密度60%之直剪試驗應力-應變曲線(游以民,2001)………………………………………………………………68
圖4.7土壤摩擦角之折減示意圖……………….……………………68
圖4.8土壤摩擦角修正之分析流程……………………………………69
圖4.9 雙楔形模式分析破壞面傾角與試驗結果比對………………69
圖4.10塊體滑移量之分析結果……………...………………………72
圖4.11滑動塊體底部摩擦力示意圖……….…………………………77
圖4.12滑動塊體底部摩擦力示意圖( )………………………….….78
圖4.13滑動塊體底部摩擦力示意圖( )………………….…………79
圖4.14塊體質量分割示意圖………………..………………………79
圖4.15各塊體間連接機制示意圖………….……..…………………80
圖4.16塊體1之力平衡示意圖…………..……………………………81
圖4.17塊體2之力平衡示意圖………………..………………………82
圖4.18塊體3之力平衡示意圖…………..……………………………82
圖4.19塊體4之力平衡示意圖………….……….……………………83
圖4.20塊體5之力平衡示意圖………………………………………84
圖4.21台北盆地砂性土壤剪力模數與國外研究結果之比較(吳偉特,
1983)................................................85
圖4.22 Newmark等加速度法…………………………………………86
圖4.23模型1於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )………...…88
圖4.24 模型1於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )……..…89
圖4.25 模型1於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )…..……..89
圖4.26 模型1於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…..…..90
圖4.27 模型1於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )…..……90
圖4.28 模型1於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )….….91
圖4.29模型2於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )…..…….91
圖4.30 模型2於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…….….92
圖4.31 模型2於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )……..…..92
圖4.32 模型2於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…..…..93
圖4.33 模型2於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )….…….93
圖4.34 模型2於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )….….94
圖4.35 模型3於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )………….94
圖4.36模型3於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…….…95
圖4.37 模型3於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )…….…..95
圖4.38 模型3於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )………96
圖4.39 模型3於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )…….….96
圖4.40 模型3於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )….….97
圖4.41 模型4於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )………….97
圖4.42模型4於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )……….98
圖4.43模型4於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )…….…..98
圖4.44模型4於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )……..99
圖4.45模型4於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )……….99
圖4.46模型4於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…….100
圖4.47模型5於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )………….100
圖4.48模型5於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )……….101
圖4.49模型5於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )………..101
圖4.50模型5於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )……..102
圖4.51模型5於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )……….102
圖4.52模型5於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )……103
圖4.53模型6於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )………...103
圖4.54模型6於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )……..104
圖4.55模型6於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )……….104
圖4.56模型6於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…….105
圖4.57模型6於尖峰加速度時之坡面變形分析結果( )……..105
圖4.58模型6於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )……106
圖4.59模型1於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…….107
圖4.60模型2於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…….108
圖4.61模型3於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…….108
圖4.62模型4於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…..….109
圖4.63模型5於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…..….109
圖4.64模型6於最大變形時間點時坡面變形分析結果( )…..….110
圖4.65地震加速度歷時(8~9秒)……………………………………113
圖4.66整體坡面變形圖(8~9秒)…………………..……..………114
圖5.1土釘傾角與震後滑移量關係(邊坡坡度60°)……………...116
圖5.2土釘傾角與震後滑移量關係(邊坡坡度70°)……………...116
圖5.3土釘傾角與震後滑移量關係(邊坡坡度80°)……………..…117
圖5.4土釘傾角與震後滑移量關係(邊坡坡度90°)……………...117
圖5.5土釘傾角與滑移量關係(邊坡坡度60°對應最佳土釘傾角48°)…..118
圖5.6土釘傾角與滑移量關係(邊坡坡度70°對應最佳土釘傾角43°)..…...118
圖5.7土釘傾角與滑移量關係(邊坡坡度80°對應最佳土釘傾角為37°).....119
圖5.8土釘傾角與滑移量關係(邊坡坡度90°對應最佳土釘傾角為25°)….119
圖5.9 坡度與最佳土釘傾角的關係……………………………..121
圖5.10階段振動整體坡面變形圖(土釘傾角為0°)…………...121
圖5.11階段振動整體坡面變形圖(土釘傾角為15°)……….…..122
圖5.12階段振動整體坡面變形圖(土釘傾角為30°)………..…….122
圖5.13階段振動整體坡面變形圖(土釘傾角為45°)………..……123
圖5.14階段振動整體坡面變形圖(土釘傾角為60°)……….………123
圖5.15各階段之地震加速度歷時…………………………….....126
圖5.16 194gal之尖峰加速度作用下邊坡滑移量與土釘長度之關係…….126
圖5.17 587gal之尖峰加速度作用下邊坡滑移量與土釘長度之關係…….128
圖5.18 893gal之尖峰加速度作用下邊坡滑移量與土釘長度之關係…….129
圖5.19 頻率2Hz地震歷時之正弦波 (Bathurst與Hatami,1998)………..131
圖5.20加州大地震水平東西向加速度歷時及富氏頻譜(范峻崇,2005)….132
圖5.21加州大地震水平南北向加速度歷時及富氏頻譜(范峻崇,2005)….133
圖5.22阪神地震水平東西向加速度歷時及富氏頻譜(范峻崇,2005)….…133
圖5.23阪神地震水平南北向加速度歷時及富氏頻譜(范峻崇,2005)….....134
圖5.24地震作用頻率1Hz時臨界加速度、塊體滑動速度、滑移量與歷時關係…………………………………………………………………135
圖5.25地震作用頻率5Hz時臨界加速度、塊體滑動速度、滑移量與歷時關係…………………………………………………………………136
圖5.26地震作用頻率10Hz時臨界加速度、塊體滑動速度、滑移量與歷時關係………………………………………………………………137
圖5.27地震作用頻率15Hz時臨界加速度、塊體滑動速度、滑移量與歷時關係………………………………………………………………138
圖5.28地震作用頻率20Hz時臨界加速度、塊體滑動速度、滑移量與歷時關係………………………………………………………………139
圖5.29地震作用頻率40Hz時臨界加速度、塊體滑動速度、滑移量與歷時關係………………………………………………………………140
圖5.30地震作用頻率60Hz時臨界加速度、塊體滑動速度、滑移量與歷時關係………………………………………………………………141
圖5.31地震作用頻率80Hz時臨界加速度、塊體滑動速度、滑移量與歷時關係………………………………………………………………142
圖5.32地震作用頻率100Hz時臨界加速度、塊體滑動速度、滑移量與歷時關係……………………….……………………………………143
圖5.33地震波頻率與滑移量關係…………………………………144
圖5.34質量分配示意圖……………………………………………146
圖5.35質量分配與上塊體變形的關係(模型1)……………..…147
圖5.36質量分配與上塊體變形的關係(模型4)…………..………147
圖5.37塊體1相對於坡趾變形量與地震歷時的關係………………149
圖5.38各阻尼比時上部塊體相對於坡趾的變形行為(8sec~9sec)……….151
圖5.39各塊體最大變形量與阻尼比之關係………………………152
圖5.40為塊體1相對於坡趾變形與地震歷時的關係(8sec~9sec)…153
圖5.41為各彈簧勁度下,上塊體相對於坡趾變形與歷時之關係圖(針對8sec~9sec進行觀察)……………………………………………154
圖5.42各塊體最大變形量與彈性模數之關係………………………155








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