撓度回算值校正係數建立之研究

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溫建源(Jian-Yuan Wen ) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程研究所

論文名稱

撓度回算值校正係數建立之研究
(The Sudy of Developing the Adjustment Factor of Backcalculated Resilient Modulus)

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摘要(中)

依1993年AASHTO柔性鋪面加鋪設計所述，由校估後撓度值回算求得之回彈模數，並不等於在試驗室利用重覆載重試驗量測而得之回彈模數，建議以一係數校正之，方能獲得鋪面結構強度SNeff以進行柔性鋪面加鋪設計。本研究之目的即利用中央大學發展之本土化撓度值校估模式及中央大學試驗道路之相關試驗結果，進行校估後撓度值與回算值之相關性分析及回算值校正係數建立之本土化研究，最後進行柔性鋪面加鋪設計應用之分析及探討，藉以提供公路養護單位對於FWD在柔性鋪面加鋪設計上的有效運用。
對於校估後撓度值與回算值之相關性分析，本研究採用人工神經網路以進行分析，經利用倒傳遞神經網路訓練分析結果顯示，應用人工神經網路進行之相關性分析結果頗佳。對於鋪面各結構層回算值校正係數之建立，因瀝青混凝土之回彈模數係隨溫度而改變之溫感性材料，且本研究採用校估至瀝青混凝土有效溫度為25℃之撓度值進行後續分析，故將瀝青混凝土層之試驗室25℃回彈模數值，與FWD之回算值結果進行比較，以建立瀝青混凝土層有效溫度為25℃之回算值校正係數；而粒料級配及路基土壤之回彈模數係隨應力而改變之非線性材料，故本研究利用有限元素程式ABAQUS建立一2D軸對稱柔性鋪面有限元素模型，分析有限元素模型在承受FWD衝擊式動態載重下之粒料級配基層及路基土壤應力值，再依此應力值求解試驗室之非線性回彈模數值，與FWD之回算值結果進行比較後，即可建立粒料級配基層及路基土壤回算值之校正係數。由回算值校正係數分析結果得知，瀝青混凝土層為0.67、粒料級配基層為1.48，而路基土壤為1.10。

摘要(英)

According to the 1993 AASHTO Guide for Design of Pavement Structure, the moduli calculated by adjusted deflection basins are not equal to the resilient moduli measured in the laboratory. It’s suggested that the adjusted moduli should be modified by the factor that is a function of structure number for overlay design in the Guide. The principal intention of this study is to develop the adjustment factors of backcalculated resilient moduli. Besides, the correction between adjusted deflection basins and backcalculated resilient moduli is another emphasis. The above-mentioned locally deflection adjusted model was developed from Nation Central University Test Road. According to the modified model, it provides effective application of Falling Weight Deflectometer (FWD) on overlay design in Taiwan.
Artificial Neural Network is used as a methodological tool to develop the correction between adjusted deflection basins and resilient moduli, and the trained results illustrate the method considerably well.
In order to develop adjustment factors of backcalculated resilient moduli of pavement structure layers, this study compares resilient moduli measured in the laboratory with backcalculated resilient moduli of FWD. Besides, this research analyzed the stress state of the granular subbase material and subgrade soil by Finite Element Method, in accordance with FWD dynamic loads to obtain the resilient moduli of laboratory. Comparing with backcalculated resilient modulus of FWD, this research develops adjustment factors of granular subbase and subgrade soil. The result of the adjustment factors show the factor is 0.67 for asphalt concrete mixture, 1.48 for granular subbase, and 1.10 for subgrade soil.

關鍵字(中)

★ 加鋪設計
★ 回算值校正係數
★ 撓度值

關鍵字(英)

★ adjustment fac
★ deflection basin
★ overlay design

論文目次

目錄
目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I
圖目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．III
表目錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．VI
第一章緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.1 研究動機．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.2 研究目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
1.3 研究流程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
第二章文獻回顧．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.1 柔性鋪面加鋪設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.1.1 加鋪設計法則．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.1.2 AASHTO柔性鋪面加鋪設計．．．．．．．．．．．．8
2.1.3 柔性鋪面刨除加鋪設計法．．．．．．．．．．．．．13
2.2 撓度值校估．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
2.3 撓度值與回算值之相關性分析．．．．．．．．．．．．．19
2.4 回算值校正係數．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
2.5 鋪面結構分析方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
2.5.1 多層彈性理論．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
2.5.2 有限元素法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
第三章校估後撓度值與回算值之相關性分析．．．．．．．．．33
3.1 撓度指標分析法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
3.1.1 撓度指標選取．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
3.1.2 撓度指標分析結果．．．．．．．．．．．．．．．．35
3.2 人工神經網路分析法．．．．．．．．．．．．．．．．．38
3.2.1 人工神經網路．．．．．．．．．．．．．．．．．．38
3.2.2 倒傳遞網路分析結果．．．．．．．．．．．．．．．40
第四章回算值校正係數之建立．．．．．．．．．．．．．．．47
4.1 有限元素模型之建立與驗證．．．．．．．．．．．．．．47
4.1.1 鋪面尺寸分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．48
4.1.2 網格疏密分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．56
4.1.3 元素型式分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．66
4.2 非線性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．71
4.3 動態載重分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．75
4.4 校正係數建立．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．80
4.4.1 瀝青混凝土層．．．．．．．．．．．．．．．．．．80
4.4.2 粒料級配基層及路基土壤．．．．．．．．．．．．．82
4.4.3 敏感性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．85
第五章柔性鋪面加鋪設計應用之分析及探討．．．．．．．．．86
第六章結論與建議．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．96
6.1 結論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．96
6.2 建議．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．98
參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．100
圖目錄
圖2.1 d0撓度值校估(粒料或瀝青處理底層) ．．．．．．．．．．12
圖2.2 d0撓度值校估(水泥或卜作嵐處理底層) ．．．．．．．．．13
圖2.3 中央大學試驗道路配置圖．．．．．．．．．．．．．．．17
圖2.4 中央大學試驗道路結構斷面圖．．．．．．．．．．．．．18
圖2.5 三種鋪面結構之回算值比較．．．．．．．．．．．．．．27
圖2.6 鋪面n層結構系統示意圖．．．．．．．．．．．．．．．28
圖3.1 倒傳遞網路模式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．40
圖3.2 網路學習及應用過程．．．．．．．．．．．．．．．．．41
圖3.3 神經網路架構．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．43
圖3.4 訓練結果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．45
圖3.5 訓練樣本RMS Error．．．．．．．．．．．．．．．．．45
圖3.6 訓練樣本Correlation．．．．．．．．．．．．．．．．．46
圖3.7 網路輸出值與訓練目標值關係圖．．．．．．．．．．．．46
圖4.1 水平方向尺寸分析之鋪面有限元素模型．．．．．．．．．53
圖4.2 水平方向尺寸分析差異百分比．．．．．．．．．．．．．54
圖4.3 水平方向尺寸分析(採無限軸對稱邊界元素)之鋪面有限元素模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54
圖4.4 水平方向尺寸分析差異百分比(採無限軸對稱邊界元素)．．55
圖4.5 垂直方向尺寸分析(採無限軸對稱邊界元素)之鋪面有限元素模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．55
圖4.6 垂直方向尺寸分析差異百分比(採無限軸對稱邊界元素)．．56
圖4.7 載重區域網格疏密分析之鋪面有限元素模型．．．．．．．60
圖4.8 載重區域網格疏密分析差異百分比．．．．．．．．．．．61
圖4.9 瀝青混凝土層網格疏密分析之鋪面有限元素模型．．．．．61
圖4.10 瀝青混凝土層網格疏密分析差異百分比．．．．．．．．62
圖4.11 粒料級配基層網格疏密分析之鋪面有限元素模型．．．．62
圖4.12 粒料級配基層網格疏密分析差異百分比．．．．．．．．63
圖4.13 路基土壤第一個有限層網格疏密分析之鋪面有限元素模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63
圖4.14 路基土壤第一個有限層網格疏密分析差異百分比．．．．64
圖4.15 路基土壤第二個有限層網格疏密分析之鋪面有限元素模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．64
圖4.16 路基土壤第二個有限層網格疏密分析差異百分比．．．．65
圖4.17 路基土壤第三個有限層網格疏密分析之鋪面有限元素模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．65
圖4.18 路基土壤第三個有限層網格疏密分析差異百分比．．．．66
圖4.19 有限立方體軸對稱元素(CAX4) ．．．．．．．．．．．66
圖4.20 有限立方體軸對稱元素(CAX8及CAX8R) ．．．．．．．67
圖4.21 無限軸對稱邊界元素(CINAX4及CINAX5R) ．．．．．．67
圖4.22 面層最大撓度元素型式分析差異百分比．．．．．．．．69
圖4.23 面層底部張應變元素型式分析差異百分比．．．．．．．69
圖4.24 路基頂部壓應變元素型式分析差異百分比．．．．．．．70
圖4.25 元素型式分析差異百分比總和．．．．．．．．．．．．70
圖4.26 典型黏性土壤材料之回彈模數與軸差應力關係圖．．．．72
圖4.27 不同非線性分析方法之撓度盤比較．．．．．．．．．．72
圖4.28 KENLAYER模式-分割法．．．．．．．．．．．．．．．74
圖4.29 KENLAYER模式-不分割法．．．．．．．．．．．．．．74
圖4.30 FWD動態載重歷時圖．．．．．．．．．．．．．．．．79
圖4.31 FWD動態載重與面層最大撓度值之關係圖．．．．．．．79
圖4.32 現地FWD量測值與FWD靜態載重及動態載重之比較圖．80
圖4.33 現地FWD量測值與FWD動態載重及動態載重非線性分析之比較圖．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．84
圖5.1 JILS-FWD現地撓度試驗(一) ．．．．．．．．．．．．．91
圖5.2 JILS-FWD現地撓度試驗(二) ．．．．．．．．．．．．．91
圖5.3 現地鑽心試驗以量測瀝青混凝土層厚度．．．．．．．．．92
圖5.4 瀝青混凝土層中間點溫度量測．．．．．．．．．．．．．92
表目錄
表2.1 非破壞性撓度施測間距建議表．．．．．．．．．．．．．7
表2.2 FWD撓度值校估模式．．．．．．．．．．．．．．．．18
表2.3 各分析模式之優缺點．．．．．．．．．．．．．．．．．20
表2.4 瀝青混凝土層回算值校正係數．．．．．．．．．．．．．25
表2.5 未經處理之級配料及路基土壤回算值校正係數．．．．．．25
表2.6 路基土壤回算值校正係數．．．．．．．．．．．．．．．26
表3.1 各層回彈模數與直接指標之判定係數．．．．．．．．．．36
表3.2 各層回彈模數與曲率指標之判定係數．．．．．．．．．．36
表3.3 各層回彈模數與形狀因子指標之判定係數．．．．．．．．37
表3.4 各層回彈模數與斜率指標之判定係數．．．．．．．．．．37
表3.5 各層回彈模數與倒數指標之判定係數．．．．．．．．．．37
表3.6 各層回彈模數與矩形面積指標之判定係數．．．．．．．．37
表3.7 各層回彈模數與梯形面積指標之判定係數．．．．．．．．37
表3.8 類神經網路模式簡表．．．．．．．．．．．．．．．．．39
表3.9 分析參數設定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．44
表3.10 過度訓練現象判斷．．．．．．．．．．．．．．．．．44
表4.1 各層材料之性質．．．．．．．．．．．．．．．．．．．50
表4.2 載重之特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．50
表4.3 兩選擇方案所需分析時間．．．．．．．．．．．．．．．52
表4.4 各分割層材料性質．．．．．．．．．．．．．．．．．．75
表4.5 非線性回彈模數比較．．．．．．．．．．．．．．．．．．．75
表4.6 動態分析之材料性質．．．．．．．．．．．．．．．．．78
表4.7 瀝青混凝土面層及處理底層之試驗室25℃回彈模數值．．81
表4.8 動態載重非線性分析之材料性質．．．．．．．．．．．．84
表4.9 動態載重非線性回彈模數．．．．．．．．．．．．．．．84
表4.10 敏感性分析結果．．．．．．．．．．．．．．．．．．85
表5.1 現地撓度試驗相關結果．．．．．．．．．．．．．．．．93
表5.2 校估後撓度值．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．93
表5.3 人工神經網路分析法所推論之各層回彈模數結果．．．．．94
表5.4 校正後回算值及現存鋪面有效結構數．．．．．．．．．．94
表5.5 I305測站交通量調查資料(民國88年) ．．．．．．．．．94
表5.6 科羅拉多州之EWL常數．．．．．．．．．．．．．．．94
表5.7 殘餘壽年分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．95
表5.8 未來交通需求所需之結構數及加鋪/刨除加鋪所需厚度．．95

參考文獻

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指導教授

林志棟(Jyh-Dong Lin)

審核日期

2001-7-3

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