冰凍工法於隧道開挖中凍脹有限元素分析

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唐大舜(Da-shun Tang) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

冰凍工法於隧道開挖中凍脹有限元素分析
(FEM simulation of frost heave with artificial ground freezing in tunnel excavation)

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摘要(中)

本論文針對用於輔助潛盾隧道開挖之冰凍工法，考慮土壤冰凍後產生水分遷徙現象造成土壤之凍脹行為；研究中將使用分凝勢、及入流通量兩種凍脹模型進行數值模擬。分析之案例為中國南京San－Zhang隧道與雲林科技大學現地凍土試驗，以有限元素軟體ABAQUS進行數值模擬分析。依照現地狀況建立有限元素數值模型，透過溫度邊界條件的設定，模擬冰凍管的冷凍作用，並根據凍脹模型設定土層之熱學性質參數、凍脹分析相關參數。模擬之結果與現地量測資料比較，以探討模擬之成效；另外分別藉由調整凍結緣溫度、冷凍溫度、及凍土層上部覆土應力，探討各參數之變化對土壤凍脹之影響。

摘要(英)

The main objective of this study is to study water migration and frost heave induced by ground freezing method applied to tunnel construction. The segregation potential method and the water inflow content method are used in the numerical simulation. Two cases are simulated, included the San-Zhang subway in Nanjing of China, and the ground freezing test in National Yunlin University of Science and Technology. The numerical analysis is performed by using ABAQUS, and considers temperature boundary conditions, thermal property parameter of soil layer, frost heave model parameter. The applicability of the numerical results is denouemented by comparing with the on-site observation of the field measurement. Further, influence factors such as the strength of freezing and overburden pressure are studied.

關鍵字(中)

★ 有限元素法
★ 分凝勢
★ 水分遷徙
★ 土壤凍脹
★ 地盤冰凍工法
★ 潛盾隧道

關鍵字(英)

★ tunnel
★ ground freezing method
★ frost heave
★ water migration
★ finite element method
★ segregation potential

論文目次

目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 IX
第一章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 研究方法 2
1.4 論文架構 2
第二章文獻回顧 4
2.1 冰凍工法相關事項 4
2.1.1 冰凍工法之冷凍方法 5
2.1.2 冰凍工法常用之形式 6
2.1.3 冰凍管形式 8
2.2 土壤凍脹之成因 9
2.3 土壤的基本熱性質 11
2.4 土壤冰凍試驗之相關文獻 15
2.5 土壤冰凍數值模擬分析相關文獻 19
第三章熱力學分析理論與數值模擬方法 20
3.1 熱力學分析理論 20
3.1.1 熱傳遞機制 20
3.1.2 熱傳導分析理論 21
3.1.3 熱彈性材料之材料組成律 23
3.2 ABAQUS中熱傳導限元素法分析理論 26
3.3 熱應變分析方法 29
3.4 土壤之凍脹模型 30
3.4.1 土壤產生凍脹之過程 30
3.4.2 未凍水含量之預測 32
3.4.3 水分遷徙之凍脹模型 35
3.5 凍土之單軸壓縮強度 48
第四章凍脹模擬與分析 52
4.1 案例1－中國南京San－Zhang隧道 52
4.1.1 現地狀況與施作情形 52
4.1.2 模型尺寸與網格設置 54
4.1.3 熱傳導分析 58
4.1.4 依序偶合熱應變分析 62
4.2 案例2－雲林科技大學現地試驗 69
4.2.1 現地狀況與施作情形 69
4.2.2 模型尺寸與網格設置 77
4.2.3 熱傳導分析 79
4.2.4 依序偶合熱應變分析 81
第五章模擬結果與討論 83
5.1 案例1分析結果 83
5.1.1 熱傳導分析結果 83
5.1.2 入流通量法分析凍脹結果 85
5.1.3 分凝勢法分析凍脹結果 87
5.1.4 入流通量法與分凝勢法模擬水分遷徙之比較 88
5.2 案例1之參數分析 90
5.2.1 凍結緣溫度區間對土壤凍脹量之影響 90
5.2.2 冷凍能力強弱對土壤凍脹量之影響 92
5.2.3 上部荷載對土壤凍脹量之影響 95
5.3 案例2分析結果 97
5.4 案例2之參數分析 100
第六章結論與建議 104
6.1 結論 104
6.2 建議 105
參考文獻 107

參考文獻

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指導教授

張瑞宏(Jui-Hung Chang)

審核日期

2008-10-20

推文