以FLAC2D模擬台灣西南部液化土層上淺基礎建築物受震液化行為

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邱晨祐(Chen-You Qiu) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

以FLAC2D模擬台灣西南部液化土層上淺基礎建築物受震液化行為

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摘要(中)

台灣位處地震頻繁的環太平洋地震帶上，歷史上曾遭遇許多災害性地震，隨之而來的土壤液化問題在近幾年逐漸受到人們關注。本研究使用FLAC2D (version 7.0)有限差分軟體研究台灣液化土層上單棟建築物之受震行為，研究之地盤條件，是以1999年集集地震與2016年美濃地震之液化鑽孔資料規劃一簡化土層，並以PM4Sand砂土模型模擬液化土層；建築物條件，選用台灣常見的鋼筋混凝土五層樓淺基礎建築物進行模擬；輸入震動以1999年集集地震波形進行模擬。本研究共進行十四組數值模擬，內容包含三大變因，分別為地下水位變化、不同基礎型式、淺層地盤改良等，探討於各種情況下之建築物受震液化行為。
研究結果顯示：地下水位下降對建築物抗液化效果顯著；不同基礎形式則因重量與應力影響圈等因素，抗液化效果不佳；淺層地盤改良工法則因為上部結構傾倒彎矩、基礎版接觸應力等因素，使該工法不具抗液化成效，於台灣的適用性存疑。

摘要(英)

Taiwan is located in the seismically active Pacific Ring of Fire and has experienced numerous catastrophic earthquakes throughout its history. In recent years, the issue of soil liquefaction following these earthquakes has garnered increasing attention. This study employs FLAC2D (version 7.0), a finite difference software, to investigate the seismic behavior of a single building situated on liquefied soil layers in Taiwan. The ground conditions for the study are based on simplified soil layers derived from liquefaction borehole data from the 1999 Chi-Chi Earthquake and the 2016 Meinong Earthquake, using the PM4Sand model to simulate the liquefied soil layers. The building conditions selected for simulation are typical five-story reinforced concrete shallow foundation structures commonly found in Taiwan. The seismic input is based on the waveforms from the 1999 Chi-Chi Earthquake.This study conducts a total of fourteen numerical simulation tests, examining three major variables: changes in groundwater levels, different foundation types, and shallow ground improvement methods. The study aims to explore the liquefaction behavior of buildings under various conditions.

The results indicate that lowering the groundwater level significantly enhances the building′s resistance to liquefaction. However, different foundation types show poor liquefaction resistance due to factors such as weight and stress influence zones. The shallow ground improvement methods, on the other hand, do not demonstrate effective liquefaction resistance due to issues like tilting moments of the superstructure and contact stresses of the foundation plate, raising doubts about their applicability in Taiwan.

關鍵字(中)

★ 土壤液化
★ 淺基礎建築物
★ 地下水位
★ 淺層地盤改良

關鍵字(英)

★ Soil liquefaction
★ Shallow foundation buildings
★ Groundwater level
★ Shallow ground improvement

論文目次

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iii
目錄 v
表目錄 x
圖目錄 xiii
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 論文架構 4
第二章　文獻回顧 5
2-1 土壤液化 5
2-1-1 土壤液化起源、行為與條件 5
2-1-2 土壤液化力學機制 6
2-1-3 土壤液化的災害 8
2-1-4 土壤液化簡易評估法－NCEER(2001) 9
2-2 數值分析軟體－FLAC2D 11
2-2-1 有限差分法 11
2-2-2 FLAC2D軟體簡介及計算方式 12
2-2-3 PM4Sand砂性土壤模型 13
2-2-4 邊界條件 14
2-2-5 土壤阻尼 15
2-2-6 動態加載與網格大小 16
2-2-7 動態有效應力分析 16
2-3 地下水位對土壤液化影響之相關研究 18
2-4 建築物下方淺層地盤改良之抗液化成效 21
第三章　研究方法 27
3-1 研究規劃與研究步驟 27
3-1-1 研究規劃 27
3-1-2 研究架構與分析步驟 30
3-2 數值分析模型－簡化土層 32
3-2-1 集集地震液化區域鑽孔資料 32
3-2-2 美濃地震液化區域鑽孔資料 33
3-2-3 鑽孔資料統整與簡化土層配置 34
3-2-4 簡化土層之檢核 36
3-2-5 建立數值分析網格 43
3-3 數值分析模型－結構模型建立 44
3-3-1 建築物型式與分析範圍 44
3-3-2 局部構件尺寸 45
3-3-3 結構元素之彈性參數 46
3-3-4 數值分析結構模型建立 46
3-4 自重分析參數與邊界設定 47
3-4-1 自重分析－流程 47
3-4-2 自重分析－簡化土層參數 49
3-4-3 自重分析－數值模型 51
3-5 基盤輸入震動加速度歷時 52
3-5-1 集集地震簡述 52
3-5-2 美濃地震簡述 53
3-5-3 選擇震動歷時及加速度歷時基線修正 54
3-5-4 決定基盤輸入地震強度 57
3-5-5 系統探測波 58
3-5-6 小結 59
3-6 動態分析參數與邊界設定 60
3-6-1 動態分析組成律－具液化潛勢之砂質土層：PM4Sand 60
3-6-2 動態分析組成律－不具液化潛勢之土層：Masing rule 62
3-6-3 動態分析－各土層動態參數設定整理 67
3-6-4 動態分析－雷利阻尼設定 71
3-6-5 動態分析－邊界設定 73
第四章　研究結果與分析 74
4-1 數值試驗規劃 74
4-1-1 試驗變因與監測項目說明 74
4-1-2 物理量正負值定義 77
4-2 建築物逐層加載之反力變化與檢核 83
4-2-1 建築物上部重量檢核 84
4-2-2 建築物整體重量檢核 85
4-2-3 獨立基腳建築物逐層加載情形 86
4-2-4 筏式基礎逐層加載情形 88
4-3 自然頻率分析 96
4-3-1 土層自然頻率 96
4-3-2 建築物自然頻率 96
4-4 未液化地盤之加速度放大倍率 100
4-5 輸入震動之選擇－2016美濃地震 103
4-5-1 輸入地震概述 103
4-5-2 土層受震反應 104
4-5-3 建築物受震反應 104
4-5-4 小結 104
4-6 變因：地下水位－分析結果 108
4-6-1 加速度歷時分析 108
4-6-2 超額孔隙水壓比歷時分析 110
4-6-3 土層剪應力(τ)〜剪應變 (γ) 關係 112
4-6-4 基腳下方總應力變化分析 114
4-6-5 建築物沉陷量與周圍地表變位情形 116
4-6-6 建築物傾倒角度歷時分析 117
4-6-7 一樓地坪變位、剪力、彎矩分析 118
4-6-8 小結 119
4-7 變因：基礎型式－分析結果 143
4-7-1 不同基礎型式建築物之初始狀態 144
4-7-2 加速度歷時分析 145
4-7-3 超額孔隙水壓比歷時分析與激發狀況 146
4-7-4 土層剪應力(τ)〜剪應變 (γ) 關係 148
4-7-5 基礎下方接觸應力變化分析 149
4-7-6 建築物沉陷量與周圍地表變位情形 150
4-7-7 建築物傾倒角度歷時分析 152
4-7-8 SSF與RF基礎下方排水情形比較 153
4-7-9 LSF不具改良效益原因探討 154
4-7-10 RF不具改良效益原因探討 156
4-8 變因：淺層固化工法－分析結果 177
4-8-1 改良土層之參數設定 177
4-8-2 各組別試驗目的 178
4-8-3 加速度歷時分析 179
4-8-4 超額孔隙水壓比歷時與土層液化分布 181
4-8-5 土層剪應力(τ)〜剪應變 (γ)關係 182
4-8-6 建築物沉陷量與周圍地表變位情形 183
4-8-7 建築物傾倒角度歷時分析 185
4-8-8 SSF與IMP之土層排水情形比較 186
4-8-9 淺層固化工法改良效果檢討 186
4-8-10 淺層固化工法不具成效原因探討－(一)建築物過大之翻覆彎矩 187
4-8-11 淺層固化工法不具改良成效因探討－(二)水位問題 189
4-8-12 淺層固化工法不具改良效益原因探討－(三)改良層透水性 191
4-8-13 淺層固化工法不具改良效益原因探討－(四)接觸應力 193
4-8-14 小結 195
第五章　結論與建議 235
5-1 結論 235
5-2 建議 237
參考文獻 238
附錄A－鑽孔資料 241

參考文獻

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指導教授

黃俊鴻(Jin-Hung Hwang)

審核日期

2024-7-30

推文