博碩士論文 91322031 詳細資訊




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姓名 陳元吉(Yuan-Chu Chen)  查詢紙本館藏   畢業系所 土木工程學系
論文名稱 以加勁長度改善高含水量下粘土加勁擋土牆穩定性之研究
(Effectiveness of reinforcement length in improving the stability of Mechanically Stabilized Earth Wall at high water content)
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摘要(中) 加勁擋土牆在設計時是以透水性佳的優良級配砂作為回填材料。但在施工現場常為了節省經費而直接使用現地透水性差的黏性土壤回填,這種作法顯然地違反當初設計時的假設。透水性差的黏土有可能因連日大雨而使含水量上升,造成土壤不排水剪力強度減低而側向土壓力增高的情況,甚至因而崩塌。
  本研究主要利用大地工程離心機進行黏土加勁擋土牆的離心模型實驗,討論以改變加勁長度對改善高含水量下黏土加勁擋土牆穩定性之效果。
  研究結果可得下列結論:1.土壤經水洗後,性質仍與未水洗的土壤相同。2.適當地增長加勁長度對擋土牆的穩定性幫助很大,但有極限值存在;以中大紅土為背填土的加勁擋土牆為例,在含水量為41%時,其臨界加勁長度為牆高的1.35倍。3.加勁擋土牆的加勁區末端會有沈陷區產生。4.當加勁長度為臨界加勁長度時,可改善69%的牆面頂沈陷及64%的牆面頂前傾。5.在高含水量黏土加勁擋土牆穩定性的改善對策中,以增長加勁長度的方式,在臨界加勁長度以下時,較陳柏文(2003)提出減少加勁間距的方法節省材料的使用量。
摘要(英) Mechanically Stabilized Earth Wall (MSEW) is required to use the high quality granular soil as reinforced backfill materials. However, in many cases the low quality in-situ clayey soil is frequently used instead to cut down the cost, which obviously violates the design assumptions. In addition, the clayey soil backfill may increase in water content during heavy rainfall, and that will result in decreasing of undrained shear stress of clayey soil and increasing of lateral earth pressure, sometimes leading to collapse of wall.
A series of centrifuge modeling tests have been performed to study the effectiveness of reinforcement length in improving the stability of MSEW with clayey soil backfill of high water content.
From this study, the conclusions can be drawn as following: (1)There is no significant difference in mechanical properties between water-purged soil sample and non-water-purged soil sample; (2)Appropriately increasing reinforcement length can improve the stability of MSEW. The critical reinforcement length of MSEW with clayey soil backfill is 1.35H at 41% water content; (3)Settlement zone will occur at the end of the reinforcement on the top of the wall; (4)Increasing reinforcement length to the critical length can reduce 69% settlement and 64% horizontal displacement of crest of the wall; (5)The way with increasing reinforcement length under the critical length can save more quantities of material than the way with reducing reinforcement spacing to achieve the same stability.
關鍵字(中) ★ 黏土加勁擋土牆
★ 離心模型試驗
★ 臨界加勁長度
關鍵字(英) ★ centrifuge modeling tests
★ Mechanically Stabilized Earth Wall with clayey s
★ critical reinforcement length
論文目次 目 錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目 錄 Ⅲ
表 目 錄 Ⅶ
圖 目 錄 Ⅹ
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 2
1-3 研究目的與方法 2
1-4 論文內容 3
第二章 文獻回顧 4
2-1 前言 4
2-2 加勁擋土牆破壞機制 4
2-3 加勁擋土牆破壞實例 6
2-4 加勁擋土牆相關研究 8
2-5 小結 11
第三章 試驗土樣性質 28
3-1 前言 28
3-2 土樣的取得與準備方法 28
3-3 物理性質試驗 29
3-4 力學性質試驗 31
3-5 小結 34
第四章 儀器設備、原理及試驗方法 58
4-1 前言 58
4-2 試驗儀器與相關設備 59
4-2-1 地工離心機 59
4-2-2 模型試驗箱 60
4-2-3 影像擷取設備 60
4-2-4 位移計 61
4-3 離心模型試驗原理 62
4-3-1 基本相似律 63
4-3-2 模型模擬 65
4-3-3 離心模擬的優點 65
4-4 加勁材料 66
4-5 前導試驗 67
4-5-1 風乾天數與含水量實驗 67
4-5-2 夯實試驗 68
4-5-3 無圍壓縮試驗 68
4-6 模型試體設計與製作步驟 69
4-7 試驗步驟 72
4-8 試驗完成後之檢核實驗 72
第五章 離心模型試驗結果與分析 97
5-1 前言 97
5-2 離心模型試體與相關的量測項目 98
 5-2-1 離心模型試體 98
 5-2-2 牆體沈陷及前傾量的量測 99
 5-2-3 牆頂裂縫的量測 100
 5-2-4 試體含水量與不排水剪力強度 100
5-3 試驗的可重複性及標準試體的試驗結果 101
 5-3-1 重複性試驗 101
 5-3-2 標準試體試驗 101
5-4 加勁長度對高含水量黏土加勁擋土牆穩定性
的影響 102
5-4-1 直立邊坡的自立高度試驗 103
5-4-2 加勁長度與牆面頂沈陷及前傾的關係 103
5-4-3 加勁長度與牆頂沈陷區的關係 105
5-4-4 加勁長度與裂縫的關係 106
5-4-5 加勁長度的修正建議 107
 5-5 改善加勁長度與間距方法之比較 107
5-5-1 臨界加勁長度的改善率 107
5-5-2 相同改善率所使用的加勁材料比 108
第六章 結論與建議 132
6-1 結論 132
6-2 建議 133
參考文獻 134
表目錄
第二章
表2-1 加勁材料性質………………...……………………………………….12
(摘自 Porbaha and Goodings,1994)
表2-2 試驗相關配置參數……………………................................................12
(摘自 Porbaha and Goodings,1994)
續表2-2 試驗相關配置參數…………………………………….…………...13
(摘自 Porbaha and Goodings,1994)
續表2-2 試驗相關配置參數………………………………………….……...14
(摘自 Porbaha and Goodings,1994)
表2-3 離心模型試驗參數及破壞G數……………….……………………...14
(摘自Suah and Goodings 1990)
表2-4 土樣與加勁材相關基本物理性質……………………….…………...15
(摘自 楊錫武、歐陽仲春,2000)
表2-5 離心模型試驗結果……………………………………………….…...15
(摘自Zornberg , Sitar and Mitchell,1998)
續表2-5 離心模型試驗結果………………………………………….……...16
(摘自Zornberg , Sitar and Mitchell,1998)
第三章
表3-1 未經水洗之中大紅土阿太堡塑性限度……………………………….35
表3-2 陳柏文之中大紅土性質…………………………..………….……….35
(摘自 陳柏文「以離心模型試驗探討高含水量黏性背填土加勁擋土牆之穩定性」,pp46)
表3-3 中大紅土阿太堡液性限度……………………..……………………..36
表3-4 三軸試驗中壓密時間與體積變化關係(Pc’=196kPa)……………..37
表3-5 乾篩土樣試體試驗結果(Pc’=98.1kPa)……………………………38
表3-6 乾篩土樣試體試驗結果(Pc’=147.15kPa)…………………………38
表3-7 乾篩土樣試體試驗結果(Pc’=196.2kPa)………………..…………39
表3-8 水洗土樣試體試驗結果(Pc’=98.1kPa)………………….………...39
表3-9 水洗土樣試體試驗結果(Pc’=147.15kPa)………………………....40
表3-10 水洗土樣試體試驗結果(Pc’=196.2kPa)……………….………...40
表3-11 乾篩土樣力學強度參數……………………………………...……...41
表3-12 水洗土樣力學強度參數…………………………………………......41
表3-13 兩種土樣的力學強度參數……………………………………...…...41
第四章
表 4-1 原型與離心模型其主要物理量與相似性比較…………...…………...74
(摘自 李崇正,1994)
表4-2 離心機機械配件之規格……………………………………..………..75
(Acutronic , 1995)
續表4-2 離心機機械配件之規格………………………….………………...76
(Acutronic , 1995)
表4-3 操作者桌面控制系統之規格……………………….………………...77
(Acutronic , 1995)
續表4-3 操作者桌面控制系統之規格……………………….……………...78
(Acutronic , 1995)
表4-4 CCD規格表………………………………………………………...…...79
表4-5 加勁材料基本物理性質…………………………….………………...80
表4-6 風乾天數與含水量的關係……………………………………………80
表4-7 標準夯實試驗…………………………………………………..……..80
表4-8 滾壓夯實試驗………………………………………...……………….81
表4-9 含水量28%的不排水剪力強度試驗…………….…………………….81
表4-10 含水量41%的不排水剪力強度試驗……………...………………….81
表4-11 加勁背填區應填土重及土壤性質…..…………...………………….82
表4-12 基礎土壤區應填土重及土壤性質…..…………...………………….82
表4-13 試體模型與原型的關係………………..………...………………….82
第五章
表5-1 八組離心模型試驗的配置參數…………….……………………….110
表5-2 試驗前後試體含水量.…………………………………………....….111
表5-3 十字片扭剪計與單壓實驗之比較……………………………….….111
表5-4 含水量與試體與不排水剪力強度的關係.………………………….112
表5-5 重複性實驗的配置參數及結果……………………………………..113
表5-6 標準試體的試驗結果…………………………………...…………...114
表5-7 陳柏文(2003)參考試體的試驗結果……………...……………..….114
表5-8 加勁擋土牆之離心模型改變的參數及變形行為說明……………..114
表5-9 加勁長度與牆面頂沉陷及前傾的關係………………...…………...115
表5-10 加勁長度與第一道、第二道裂縫位置的關係……….….......…….115
表5-11 加勁長度與最大裂縫位置與深度的關係……………………..…..116
圖目錄
第二章
圖2-1 視凝聚力理論………………………………………………….……...17
(摘自 Yang,1992 周南山改繪,1997)
圖2-2 破壞面上應力互制……………………………………………….…...17
(摘自 Jewell,1984 周南山改繪,1997)
圖2-3 摩擦力傳遞…………………………………………………………....18
(摘自 賴森榮 陳俶季,1987)
圖2-4 被動土壓力傳遞……………………………………...……………….18
(摘自 賴森榮 陳俶季,1987)
圖2-5 外部不穩定破壞…………………...…………………..……………...19
(摘自 Elias and Christopher,1997)
圖2-6 實際破壞案例………………………………………….……………...20
(改繪自 Huang,1994)
圖2-7 暨南大學破壞案例…………….……………………………………...20
(摘自 周南山,2002)
圖2-8 三芝破壞案例……………….………………………………………...21
(摘自 周南山,2002)
圖2-9 五股破壞案例………………………………………………….……...21
(摘自 周南山,2002)
圖2-10 加勁長度與牆面坡度對牆體穩定性的影響…………….………….22
(摘自 楊錫武、歐陽仲春,2000)
圖2-11 加勁長度與回包長度對牆體穩定性的影響……………….……….22
(摘自 Suah and Goodings,1990)
圖2-12 回填材料凝聚力與破壞面關係……………………………….…….23
(摘自Leshchinsky, Volk and Reinschmit,1986)
圖2-13 加勁長度對牆體的影響………………………………………….….24
(摘自 章為民、賴忠中、徐光明,2000)
圖2-14 加勁間距密度對牆體的影響……………………………….……….24
(摘自 章為民、賴忠中、徐光明,2000)
圖2-15 回填土壤強度對牆體的影響………………………………….....….25
(摘自 章為民、賴忠中、徐光明,2000)
圖2-16 基礎土壤軟硬對牆體的影響………………………………...……...25
(摘自 章為民、賴忠中、徐光明,2000)
圖2-17 四種不同的加勁方式…………………………………………...…...26
(摘自 楊錫武、歐陽仲春,2000)
圖2-18 不同加勁方式的坡頂沉陷及其分布…………………...…………...26
(摘自 楊錫武、歐陽仲春,2000)
圖2-19 破壞G數與加勁層數、強度和砂土相對密度的關係圖……….…27
(摘自 Zornberg , Sitar and Mitchell,1998)
圖2-20 加勁間距與牆面頂前傾關係圖……………………………….…….27
(摘自 陳柏文,2003)
第三章
圖3-1 土樣置入攪拌機攪拌……………………………………..…….…….42
圖3-2 水洗法過40號篩置入儲存桶中………………….…………….…….42
圖3-3 粉碎機…………………………………………………………...…….43
圖3-4 球磨機…………………………………………………….…………...43
圖3-5 中大紅土阿太堡液性限度……………….…………………………...44
圖3-6 比重計…………………………………………………………….…...44
圖3-7 篩洗過程……………………………………………...……………….45
圖3-8 八組篩分析試驗結果……………………………………..…………..45
圖3-9 水洗土樣篩分析試驗結果…………………………...……………….46
圖3-10 未水洗土樣篩分析試驗結果……………………….……………….46
圖3-11 攪拌機將土樣完全打散………………………………………..……47
圖3-12 使用搗捧將氣泡趕出…………………………………………..……47
圖3-13 預壓密應力為80kPa,平均主應力為53kPa………………………48
圖3-14 具纖維玻璃加強透明外罩之三軸室………………………..………48
圖3-15 荷重計及電磁感應式位移計………………………………..………49
圖3-16 水壓計…………………………………………………………..……49
圖3-17 油式雙量管體積變化儀…………………………..…………………50
圖3-18 自動計讀系統………………………………………….…………….50
圖3-19 預處理好之紅土試體…………………………….………………….51
圖3-20 組立完成之分裂模……………………………….………………….51
圖3-21 上好橡皮膜的試體…………………………………………….…….52
圖3-22 通室壓水進三軸室………………………………………….……….52
圖3-23 試驗結束後的試體…………………………….…………………….53
圖3-24 典型的壓密時間與體積變化關係………………………….……….53
圖3-25 乾過篩土樣軸差應力與軸向應變的關係…….…………………….54
圖3-26 乾過篩土樣超額孔隙水壓與軸向應變的關係……….…………….54
圖3-27 水洗土樣軸差應力與軸向應變的關係………………….………….55
圖3-28 水洗土樣超額孔隙水壓與軸向應變的關係…………….………….55
圖3-29 乾過篩土樣應力路徑圖……………………………………….…….56
圖3-30 水洗土樣應力路徑圖…………………………………….………….56
圖3-31 兩種土樣的p-q圖……………………………………….………….57
第四章
圖4-1 離心機設備配置…………………………………………….………...83
(Acutronic , 1995)
圖4-2 離心機側視圖…………………………….………………………..….84
(Acutronic , 1995)
圖4-3 離心機上視圖………………….……………………………..……….84
(Acutronic , 1995)
圖4-4 中央大學地工離心機控制及資料收集示意圖…………...………….85
圖4-5 自行設計之模型試驗箱………………………………………….…...86
(莊孟翰,1996)
圖4-6 影像擷取設備配置圖………………………………………….……...87
圖4-7 CV-M538型電藕合攝影機…………………………………..………...87
圖4-8 訊號放大器及訊號線……………………………...………………….88
圖4-9 鏡頭固定架及照明設備…………………………………...………….88
圖4-10 六具電磁感應式位移計及雷射位移計配置……………….……….89
圖4-11 原型與1/N縮尺之離心模型在1g及Ng離心力場及有效覆土應力示意圖………………………………………………………………….89
圖4-12 1/N縮尺之離心模型座標系統………………………………..…….90
圖4-13 加速度分量示意圖……………………………………….………….90
圖4-14 模型模擬之觀念………………………………………...…………...90
圖4-15 研究所使用的加勁材料…………………………………….……….91
圖4-16 風乾中的紅土塊……………….…………………………………….91
圖4-17 紅土風乾天數與含水量的關係…………………………….……….92
圖4-18 試驗用標準夯錘及夯模……………………………………...……...92
圖4-19 養生中的模型土樣及夯實土樣…………………...………………...93
圖4-20 試驗箱黏貼橡皮膜……………………………………………...…...93
圖4-21 夯實製作基礎土壤…………………………….…………………….94
圖4-22 加勁材放進試體並整平………………….………………………….94
圖4-23 滾壓製作加勁擋土牆………………………….…………………….95
圖4-24 製作完成之加勁擋土牆……………………………….…………….95
圖4-25 試體架設量測儀器,試驗準備完成…………….………………….96
圖4-26 十字片扭剪計………………………………………………..………96
第五章
圖5-1 名詞定義示意圖…………………………………………..…….…...117
圖5-2 自重壓實階段LVDT的讀數………………………………...……….117
圖5-3 移除擋板………………….………………………………………….118
圖5-4 移除擋板階段LVDT的讀數………………………………………….118
圖5-5 移除擋板階段LDS的讀數…………………………………………...119
圖5-6 標準試體變形情況………………………………………...………...119
圖5-7 自立高度試驗牆體倒塌的狀況………………………...…………...120
圖5-8 自立高度試驗CCD攝像結果………………………..………………120
圖5-9 自立高度試驗電磁感應式位移計的變化圖……………..…………121
圖5-10 加勁長度與牆面頂沈陷量的關係…………………………………121
圖5-11 加勁長度與牆面頂前傾量的關係…………………………………122
圖5-12 L/H=0.71時的牆體變形圖…………………………………..…….122
圖5-13 L/H=0.85時的牆體變形圖…………………………..…………….123
圖5-14 L/H=1第一組試驗時的牆體變形圖…………………….………….123
圖5-15 L/H=1第二組試驗時的牆體變形圖…………………….…….……124
圖5-16 L/H=1.15時的牆體變形圖……………….…………….………….124
圖5-17 L/H=1.35時的牆體變形圖…………………………………..…….125
圖5-18 L/H=1.5時的牆體變形圖………………………………………..…125
圖5-19 牆面頂後20cm處均有一道明顯裂縫………………...……………126
圖5-20 L/H=1.5試驗移除擋板階段LVDT的讀數………………….……...126
圖5-21 L/H=1.35試驗移除擋板階段LVDT的讀數……………….……….127
圖5-22 L/H=1.35牆頂沈陷區的位置……………………………...……….127
圖5-23 L/H=1時最大裂縫的位置…………………………………….…….128
圖5-24 L/H=1.15時最大裂縫的位置……………………………...……….128
圖5-25 加勁長度與牆頂最大裂縫的關係………………………...……….129
圖5-26 0.85倍牆高前傾量的改善率……………………………...……….129
圖5-27 0.85倍牆高前傾量的改善率……………………………...……….130
圖5-28 陳柏文沈陷改善率為23%時所需要的加勁間距…..……...……….130
圖5-29 陳柏文前傾改善率為23%時所需要的加勁間距…..……...……….131
參考文獻 [1]李咸亨,「神戶地震中加勁擋土牆的行為」,現代營建,第210期,第24-29頁(1997)。
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[21]楊錫武、歐陽仲春,「加筋高路堤陡坡邊坡離心模型的研究」,土木工程學報,第33卷,第5期,第88~91頁(2000)。
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[23]陳柏文,「以離心模型試驗探討高含水量黏性背填土加勁擋土牆之穩定性」,碩士論文,國立中央大學土木工程學系,中壢。
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[28]Acutronic, Geotechnical Centrifuge Model 665-1 Technical Proposal 6022, France (1993).
指導教授 陳慧慈、李崇正
(Huei-Tsyr Chen、Chung-Jung Lee)
審核日期 2004-7-12
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