路基土壤含水量變化對鋪面績效之影響

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姓名

姜惠宗(HUI- ZONG JIANG) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

路基土壤含水量變化對鋪面績效之影響

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摘要(中)

本研究中採用三維有限元素鋪面結構為分析模式，探討A-7-5凝聚性路基土壤在不同含水量、非均佈荷重、材料非線性、覆土應力對鋪面的影響。並續用前人將輪胎模型模擬成輪胎與鋪面表面的接觸應力分佈，再針對材料非線性以及覆土應力在路基土壤不同含水量作用下，分析不同打氣胎壓與單軸雙輪載重作用下鋪面的反應，再由前人之研究作進一步之分析，且應用於AI設計方法之車轍及疲勞龜裂模式理論，分析鋪面績效之影響。

摘要(英)

This study used the 3-dimensional finite element model to analyze pavement response under traffic loading. A-7-5 cohesive soil was analyzed to find out the effects of water content, non-uniform load, nonlinear properties of material and earth stress on flexible pavement. An analytical model was used to simulate contact stress distribution between the tire and surface. The effect of tire pressure on pavement structure under traffic load was observed, based on nonlinear properties of material and earth stress. The rutting and fatigue crack model by application of AI design method was used to analyze the influence of the performance of pavement.

關鍵字(中)

★ 非線性分析
★ 有限元素法
★ 含水量

關鍵字(英)

★ nonlinear analysis
★ finite element method
★ water content

論文目次

目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機及目的 2
1.3研究方法 3
1.4論文架構 3
第二章文獻回顧 4
2.1 多層彈性理論 4
2.1.1 Boussinesq理論 4
2.1.2 多層彈性系統 5
2.1.3多層彈性理論之KENLAYER鋪面設計程式 6
2.2 鋪面破壞準則 8
2.2.1 疲勞破壞準則 8
2.2.2 車轍破壞準則 10
2.3有限元素應用於柔性鋪面結構研究分析 12
2.3.1 有限元素法 12
2.3.2 鋪面幾何模擬 12
2.3.3 邊界條件 13
2.3.4 車輪荷重 13
2.4材料非線性行為 15
2.4.1 回彈模數設計法 15
2.4.2 回彈模數組成模式15
2.4.3 路基土壤之回彈模數組成模式 17
2.4.4 回彈模數回歸模數 17
2.5 輪胎與鋪面間接觸應力分佈之相關研究 19
2.5輪胎模型建立及非均佈載重模擬 21
第三章鋪面模型的建立及驗證 28
3.1三維有限元素柔性鋪面模型建立 28
3.1.1幾何形狀的模擬 28
3.1.2邊界條件 29
3.1.3車輪載重 29
3.1.4 材料性質 29
3.1.5有效路基深度的分析 30
3.2 柔性鋪面模型的驗証 30
3.2.1 均質半無限空間的驗証 31
3.2.2 載重作用觸網格劃分驗證 31
第四章不同含水量路基土壤非線性分析 42
4.1 輪胎模型 42
4.2土壤材料非線性行為 43
4.2.1 材料之回彈模數 43
4.2.2 回彈模數之定義 44
4.3路基土壤材料性質 44
4.3.1 土壤性質及試驗結果 45
4.3.2 回彈模數回歸模式之建立 46
4.3.3 路基土壤含水量變化對回彈模數之影響 47
4.3.4 材料非線性數值模數方法 48
4.3.5 大地應力與側向土壓力係數 49
4.3.6 相關文獻及應用. 50
4.4路基土壤含水量變化對鋪面分析之影響 51
4.4.1 表面撓度. 52
4.4.2 水平應變. 53
4.4.3 垂直應變. 54
4.4.4 分析方法之比較. 56
第五章柔性鋪面績效之影響 76
5.1鋪面疲勞破壞與車轍破壞分析 76
5.2路基土壤含水量變化對鋪面損壞分析之影響與比較 79
5.2.1疲勞龜裂損壞. 79
5.2.2車轍損壞分析. 80
第六章結論與建議 88
6.1結論 88
6.2建議 89
參考文獻 91
附錄一:副程式說明 96
附錄二:大地應力於ABAQUS輸入檔格式 102
附錄三:ABAQUS輸入檔說明 103
附錄四:疲勞破壞準則與適用情況 104
附錄五:車轍破壞準則與適用情況 108
表目錄
表2.1 式(2.9)中之m係數 11
表2.2 式(2.11)中之b係數 11
表2.3 載重車輛車型分類 14
表3.1 斷面特性 33
表4.1 四層鋪面(省道)材料參數 57
表4.2 A-7-5 土壤之相關物性(楊樹榮2002) 57
表4.3 不同含水量下之乾密度與破壞應力(楊樹榮2002) 57
表4.4 鋪面材料回彈模數選取列表 58
表4.5 ABAQUS材料非線性副程式(USDFLD)中參數的定義 58
表5.1 疲勞破壞準則參數表 82
表5.2 車轍破壞準則參數表 82
圖目錄
圖2.1 圓形均佈荷重中心下方之應力增量 22
圖2.2 垂直應力σz 22
圖2.3 徑向應力σr 23
圖2.4 切線應力σt 23
圖2.5 三層系統接觸面應力表示圖 24
圖2.6 T4車種車胎配置圖 24
圖2.7接觸胎印之尺寸 25
圖2.8典型之凝聚性土壤試驗結果 25
圖2.9典型之顆粒狀土壤試驗結果 26
圖2.10 胎印(打氣胎壓690KPa, 輪荷重23kN) 26
圖2.11 輪胎與剛性面接觸 27
圖3.1 有限元素網格配置 33
圖3.2 三維有限元素模型 34
圖3.2 C3D20元素示意圖 34
圖3.4輪胎與軸重之幾何關係 35
圖3.5 單輪配置圖 35
圖3.6 單軸雙輪配置圖 36
圖3.7 雙軸雙輪配置圖 36
圖3.8 不同路基土壤深度下分析結果的差異 37
圖3.9 驗証均質斷面在不同深度下的水平應變 37
圖3.10 驗証均質斷面在不同深度下的垂直應變 38
圖3.11 驗証均質斷面在不同深度下的水平應力 38
圖3.12 驗証均質斷面在不同深度下的垂直應力 39
圖3.13 驗証均質斷面在不同深度下的相對位移 39
圖3.14不同元素垂直應力 40
圖3.15不同元素水平側向應力 40
圖3.16不同元素水平側向應變 41
圖3.17不同元素垂直應變 41
圖4.1 ABAQUS分析流程圖 60
圖4.2 路基土壤回彈行為 61
圖4.3 A-7-5土壤之永久應變回歸結果 61
圖4.4 A-7-5土壤之回彈應變回歸結果 62
圖4.5 A-7-5土壤不同含水量下之回彈應變 62
圖4.6土壤之回彈應變回歸結果 63
圖4.7 在80 kN單軸載重下面層所得之表面撓度 64
圖4.8 在160 kN單軸載重下面層所得之表面撓度 64
圖4.9 單軸載重無覆土應力下面層之表面撓度(80 kN) 65
圖4.10 單軸載重考慮覆土應力下面層之表面撓度(80 kN) 65
圖4.11 單軸載重無覆土應力下面層之表面撓度(160 kN) 66
圖4.12 單軸載重考慮覆土應力下面層之表面撓度(160 kN) 66
圖4.13 單軸重80 kN土壤所得之水平應變 67
圖4.14 單軸重160 kN土壤所得之水平應變 67
圖4.15 單軸重無覆土應力下土壤之水平應變(80 kN) 68
圖4.16 單軸重考慮覆土應力下土壤之水平應變(80 kN) 68
圖4.17 單軸重無覆土應力下土壤之水平應變(160 kN) 69
圖4.18 單軸重考慮覆土應力下土壤之水平應變(160 kN) 69
圖4.19 單軸重80 kN土壤所得瀝青層之水平應變 70
圖4.20 單軸重160 kN土壤所得瀝青層之水平應變 70
圖4.21 單軸重無覆土應下瀝青層之水平應變(80 kN) 71
圖4.22 單軸重考慮覆土應力下瀝青層之水平應變(80 kN) 71
圖4.23 單軸重無覆土應力瀝青層之水平應變(160 kN) 72
圖4.24 單軸重考慮覆土應力瀝青層之水平應變(160 kN) 72
圖4.25 單軸重80 kN路基土壤所得之垂直應變 73
圖4.26 單軸重160 kN路基土壤所得之垂直應變 73
圖4.27 單軸重無覆土應力下路基土壤之垂直應變(80 kN) 74
圖4.28 單軸重考慮覆土應力下路基土壤之垂直應變(80 kN) 74
圖4.29 單軸重無覆土應力路基土壤之垂直應變(160 kN) 75
圖4.30 單軸重考慮覆土應力路基土壤之垂直應變(160 kN) 75
圖5.1省道斷面有覆土應力達疲勞龜裂損壞所能承受之次數 83
圖5.2省道斷面無覆土應力達疲勞龜裂損壞所能承受之次數 83
圖5.3國道斷面有覆土應力達疲勞龜裂損壞所能承受之次數 84
圖5.4 國道斷面無覆土應力達疲勞龜裂損壞所能承受之次數 84
圖5.5 單軸分析所得達疲勞龜裂損壞所能承受之次數 85
圖5.6 單軸分析無覆土應力達疲勞龜裂損壞所能承受之次數 85
圖5.7 單軸分析考慮覆土應力達疲勞龜裂損壞所能承受之次數 86
圖5.8 單軸分析所得達車轍損壞所能承受之次數 86
圖5.9 單軸分析無覆土應力達車轍損壞所能承受之次數 87
圖5.10 單軸分析考慮覆土應力達車轍損壞所能承受之次數 87

參考文獻

參考文獻
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指導教授

張瑞宏(J.H. Chang)

審核日期

2005-7-16

推文