水力回填煤灰之動態特性

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林資凱(Tze-Kin Lin ) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程研究所

論文名稱

水力回填煤灰之動態特性
(The properties of hydraulic filled coal ash)

相關論文

★ 土壤液化評估模式之不確定性	★ 廣域山崩之統計與最佳化分析－以莫拉克風災小林村鄰近地區為例
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★ 集集地震液化土之穩態強度	★ 現地土壤之液化強度與震陷特性
★ 地震規模修正因子之探討	★ 鯉魚潭水庫大壩受震反應分析
★ 全機率土壤液化評估法之研究	★ 基樁軸向承載之依時行為

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摘要(中)

囿於環保與用地問題，目前火力發電廠已有在鬆軟之水力回填煤灰場址構築重型儲煤堆或擴廠之規劃。但對於以水力回填煤灰造地所形成高含水量、高孔隙比與低強度地盤之工程性質研究，則甚為缺乏。究其原因，實為過去從未有在煤灰填築場址上，建造重型結構物之想法。然而，在如此鬆軟之地基如何安全承載重型結構物載重與地震力的作用，實為工程設計應審慎考慮之問題。因此，本研究特針對水力回填造地後之現地煤灰的動態特性進行研究，期能對此類場址之地基耐震設計有所幫助。
本研究規劃一序列現場試驗、取樣以及各種室內物理、化學性質試驗，求得現地煤灰之物理指數性質與現地工程性質。並對不同取樣方式所得試體與重模試體進行大量之三軸動態強度試驗，求得各種煤灰試體之液化強度曲線與超額孔隙水壓激發特性。
研究結果顯示，現地煤灰之土壤動態強度較一般液化地區的砂土為高；煤灰土層的動態強度隨著粗顆粒爐底灰含量的增加而降低；經擠壓砂樁改良過之煤灰土層，其液化強度有明顯的增加；粗顆粒煤灰受剪液化後，會產生顆粒破碎的情形；煤灰土壤受動態反覆應力作用時，其超額孔隙水壓比上升曲線分佈在一窄小的帶寬內；煤灰土壤受震液化後，其再壓密之體積應變量約為1％，較一般砂土為低；隨著煤灰所承受之最大剪應變增加，試體的再壓密體積應變量越大。

摘要(英)

In this paper, a series of in-situ explorations and samplings were carried out in a coal ash deposit at central Taiwan. The deposit was formed with coal ash, a surplus of thermal power plant, by hydraulic filling. Laboratory physical, chemical and cyclic triaxial tests were then conducted to obtain the basic properties of the coal ash and its cyclic resistance. The in-situ explorations included the standard penetration test, seismic cone penetration test and cross- hole seismic survey. The in-situ samplings consisted of tube sampling during boring and block sampling in a pit. Test samples comprised undisturbed samples and remolded samples. It was found that the in-situ coal ash is a high void ratio, high water content, high fines content, low unit weight, low specific gravity, non-plastic, cohesionless, spherical shaped, granular soil. Although the in-situ coal ash is soft and non-plastic, its cyclic resistance is significantly higher than those of the hydraulic filled sandy soils in the same general area. This may be attributed to its high fines content and fine-grained size. Besides, the influences of many factors on the cyclic resistance of the coal ash were summarized, and the characteristics of excess pore pressure generation and re-consolidation after liquefaction were also presented. These test data may provide a valuable base for aseismic design in a foundation soil with coal ash.

關鍵字(中)

★ 再壓密
★ 動態性質
★ 水力回填
★ 液化強度
★ 煤灰
★ 超額孔隙水壓

關鍵字(英)

★ coal ash
★ cyclic resistance
★ hydraulic filled

論文目次

中文摘要…..…………………………………………………………..Ⅰ
英文摘要…..…………………………………………………………..Ⅱ
目錄…...………………………………………………………………..Ⅲ
表目錄………………………………………………………………....Ⅶ
圖目錄.……………………………………………………………..….Ⅷ
符號說明…..………………………….…………………...………....XII
第一章前言….………………………………..…………………….1-1
1.1研究目的...…………………….………………………………...1-1
1.2研究方法與流程...…………….………………………………...1-2
1.3論文內容...…………………….………………………………...1-2
第二章文獻回顧…………………………………………………...2-1
2.1火力發電廠煤灰之處理...…….………………………………...2-1
2.2煤灰之基本特性...…………….………………………………...2-1
2.3土壤之動態試驗...…………….………………………………...2-2
2.3.1地震地盤運動...………….………………………………....2-2
2.3.2動力三軸試驗原理...…….………………………………....2-2
2.4土壤之動態強度...…….………………………………….……..2-3
2.4.1土壤受循環荷載作用的行為....…………………………....2-3
2.4.2土壤受循環荷載作用下的破懷準則……………………....2-4
2.4.3砂土動態強度之定義...….………………………………....2-5
2.4.4土壤受循環荷載作用下孔隙水壓的激發模式…………....2-5
2.4.5土壤於動態載重後再壓密的行為....……………………....2-7
2.4.6影響土壤動態強度的因素....……………………………....2-7
2.5土壤之動態性質....………..……………………………….…..2-10
2.5.1影響土壤剪力模數與阻尼比的因素...…………………...2-10
2.5.2前人研究...………………………………………………...2-12
第三章現地探查、取樣及試驗………………………………….3-1
3.1現場試驗規劃...………………………………………………....3-1
3.2試驗場址之地質剖面...………………………………………....3-1
3.3試體取樣方法...………………………………………………....3-2
3.4現地試驗...……………………………………………………....3-3
3.4.1標準貫入試驗（SPT-N）……..…………………………...3-3
3.4.2震測錐貫入試驗（SCPT）………………………………...3-3
3.4.3跨孔震測試驗...……………………….…………………....3-3
第四章室內試驗…..………………….……………………………4-1
4.1試驗規劃...…………………….………………………………...4-1
4.2現地煤灰之基本物理化學性質試驗……………………….…..4-2
4.2.1物理性質試驗...…………….………………………….…...4-2
4.2.2電子顯微鏡掃描...………….…………….………………...4-5
4.2.3粉末ｘ光繞射試驗（XRD）...……………………….……4-5
4.3試體準備...…………………………………….………………...4-5
4.3.1薄管土樣....……………………….………………………...4-6
4.3.2塊狀土樣....……………………….………………………...4-6
4.3.3重模土樣....……………………….………………………...4-7
4.4動力三軸試驗儀器與周邊配備....……………………….……..4-8
4.5動態試驗步驟...………………………………………………..4-12
第五章試驗結果與分析…...……………………………………..5-1
5.1現地試驗………………………….……………………………...5-1
5.1.1標準貫入試驗（SPT-N）.………………………….…………5-1
5.1.2震測錐貫入試驗試驗（SCPT）………………………….…5-1
5.1.3下孔及跨孔震測試驗……………………………………….5-1
5.2基本物理性質試驗...….…………………….…………………..5-2
5.3電子顯微鏡掃描觀察…………………….……………………..5-6
5.4礦物成份分析試驗結果…………………….…………………..5-7
5.5動力三軸試驗………………………….…………………….….5-7
5.5.1土壤液化強度之比較...……………………….…………….5-8
5.5.1.1試體取樣方式對煤灰液化強度之影響...……………....5-8
5.5.1.2粗、細煤灰互層比例對煤灰液化強度之影響…………5-8
5.5.1.3擠壓砂樁改良對煤灰液化強度之影響...……………....5-9
5.5.1.4煤灰與集集地震液化地區和非液化地區土壤之液
化強度比較……………………………………………...5-9
5.5.1.5不同煤灰夾層重模土樣之液化強度...………………..5-10
5.5.1.6重模煤灰土樣和原狀試體之液化強度比較...………..5-10
5.5.1.7重模煤灰土樣顆粒破碎對其液化強度之影響…...…..5-10
5.5.2土壤液化過程中孔隙水壓激發之探討……………...…....5-11
5.5.2.1其它地區砂土液化過程中孔隙水壓激發之情形...…..5-11
5.5.2.2原狀煤灰土樣液化過程中孔隙水壓激發之情形...…..5-12
5.5.2.3重模煤灰土樣液化過程中孔隙水壓激發之情形...…..5-13
5.5.3煤灰液化後再壓密特性之探討...…...…………………….5-13
第六章結論與建議…...………………………………………..6-1
6.1 結論……..………………………………………….…………...6-1
6.2 建議..……………………………………………….…………...6-3
參考文獻…..…………………………………………………….....Ref-1
附錄A 現地鑽探記錄與鑽探銅管基本性質試驗結果...……………A-1
附錄B 震測錐資料…………………………………………………...B-1
附錄C 最大與最小乾密度試驗流程………………………………...C-1
附錄D 剪力模數及阻尼比的計算方法..…………………………….D
圖目錄
目次頁次
圖1-1現地層狀堆積的煤灰土層...…………………………………..1-3
圖1-2研究流程圖……………………………...……………………..1-5
圖2-1電廠煤灰處理流程…...………………………………………2-16
圖2-2台電堆置煤灰之濱海灰塘區示意圖...………………………2-16
圖2-3儲灰庫築埧上游法示意圖...…………………………………2-17
圖2-4地震震波傳遞方式示意圖...…………………………………2-17
圖2-5土壤單元受地震力作用時之應力狀況...……………………2-18
圖2-6理想動力三軸試驗土壤單元之應力況...……………………2-19
圖2-7一般動力三軸試驗土壤單元之應力況...……………………2-20
圖2-8飽和鬆砂動力三軸試驗結果...………………………………2-21
圖2-9飽和緊砂動力三軸試驗結果...………………………………2-22
圖2-10循環應力振幅與達到初始液化的循環次數關係圖...……..2-22
圖2-11飽和砂土振動超額孔隙水壓組成示意圖..………………...2-23
圖2-12反覆三軸試驗孔隙水壓上升曲線範圍...…………………..2-23
圖2-13反覆單剪試驗孔隙水壓上升曲線範圍...…………………..2-24
圖2-14（2-2）式的孔隙水壓比上升曲線隨α的變化……………..2-24
圖2-15（2-3）式的孔隙水壓比上升曲線隨α的變化……….…….2-25
圖2-16再壓密試驗之體積應變與最大剪應變之關係....…………..2-25
圖2-17試體準備的方法對循環三軸試驗結果的影響...…………...2-26
圖2-18取樣和重模準備土樣方法對循環三軸試驗結果的影響.....2-26
圖2-19不同振幅之下之應力與應變阻滯圈...……………………...2-27
圖2-20各種剪應變下有效圍壓對剪力模數之影響...……………...2-28
圖3-1現地探查孔平面位置圖………………………………………..3-6
圖3-2現地探查試驗剖面圖…………………………………………..3-7
圖3-3現地探查試驗作業程序....……………………………………..3-8
圖3-4試驗場址之地質剖面圖………………………………………..3-9
圖3-5薄管取樣照片...……………………………………………….3-10
圖3-6（a）塊狀試體取樣照片-挖試坑……………………………..3-10
圖3-6（b）塊狀試體取樣照片-挖取試體…………………………...3-11
圖3-6（c）塊狀試體取樣照片-修整試體…………………………..3-11
圖3-6（d）塊狀試體取樣照片-密封………………………………..3-12
圖3-7標準貫入試驗照片...………………………………………….3-12
圖3-8 CPT下孔震測示意圖.………………………………………...3-13
圖3-9（a）CPT下孔震測試驗-敲擊金屬鈑面……...……………..3-14
圖3-9（b）CPT下孔震測試驗-CPT車內部...……………………..3-14
圖3-10跨孔式速度井測儀器配置圖...……………………………...3-15
圖3-11（a）跨孔式速度井測儀擊發器……………………………..3-16
圖3-11（b）跨孔式速度井測儀接收器……………………………..3-16
圖4-1室內試驗流程...……………………………………………….4-20
圖4-2塊狀試體準備方法（a?d）…………….…………………….4-21
圖4-2塊狀試體準備方法（e?h）…………….……………………..4-22
圖4-3塊狀試體試驗前照片...……………………………………….4-23
圖4-4重模煤灰試體照片...………………………………………….4-23
圖4-5動力三軸系統裝置示意圖...………………………………….4-24
圖4-6動態試驗流程...……………………………………………….4-25
圖5-1未改良區之鑽孔、CPT、SPT、與剪力波速VS剖面…………...5-23
圖5-2改良區之鑽孔、CPT、SPT、與剪力波速VS剖面……………...5-23
圖5-3原灰塘區煤灰粒徑分布曲線...……………………………….5-24
圖5-4改良區煤灰和原灰塘區煤灰粒徑分布之比較...…………….5-24
圖5-5重模煤灰土樣經多次三軸動態強度試驗後粒徑分布情形…5-25
圖5-6粗顆粒煤灰準備成重模土樣後之粒徑分佈情形……………5-25
圖5-7（a）塊狀試體浸水前照片……………………………………...5-26
圖5-7（b）塊狀試體浸水時照片……………………………………...5-26
圖5-7（c）塊狀試體浸水後照片（側面）……………………………...5-27
圖5-7（d）塊狀試體浸水後照片（正面）……………………………...5-27
圖5-8粗顆粒煤灰層土樣電子顯微鏡掃描照片（放大600倍）.……5-28
圖5-9粗顆粒煤灰層土樣電子顯微鏡掃描照片（放大1000倍）.…..5-28
圖5-10細顆粒煤灰層土樣電子顯微鏡掃描照片（放大600倍）…...5-29
圖5-11細顆粒煤灰層土樣電子顯微鏡掃描照片（放大1000倍）..…5-29
圖5-12粗顆粒煤灰層土樣電子顯微鏡掃描照片（放大3000倍）.....5-30
圖5-13細顆粒煤灰層土樣電子顯微鏡掃描照片（放大5000倍）.....5-30
圖5-14煤灰之X光繞射試驗結果...…………………………………5-31
圖5-15塊狀試體動力三軸試驗後破壞之情形...…………………...5-31
圖5-16各種煤灰液化強度曲線之比較...…………………………...5-32
圖5-17不同相對密度下的粗顆粒煤灰重模土樣液化強度曲線..…5-32
圖5-18不同相對密度下的細顆粒煤灰重模土樣液化強度曲線..…5-33
圖5-19其它地區之液化強度曲線比較...…………………………...5-33
圖5-20不同取樣方式對煤灰液化強度之影響...…………………...5-34
圖5-21粗、細煤灰夾層比例對其液化強度之影響..………………..5-34
圖5-22擠壓砂樁改良對煤灰液化強度之影響...…………………...5-35
圖5-23煤灰與921集集地震液化和非液化地區土壤之液化強
度比較………………………………………...……………5-35
圖5-24粗、細煤灰重模土樣液化強度比較…………………………5-36
圖5-25重模試體和未改良區薄管土樣液化強度之比較...………...5-36
圖5-26粗顆粒煤灰顆粒破碎對動態強度之影響（原來Drc=50%）...5-37
圖5-27粗顆粒煤灰顆粒破碎對動態強度之影響（原來Drc=70%）...5-37
圖5-28(a) 煤灰土樣三軸動態強度試驗之應力路徑圖…………….5-38
圖5-28(b)煤灰土樣三軸動態強度試驗之應力路徑圖……………..5-38
圖5-29台中港、太子城堡、貓羅溪及員林國小地區土壤之超
額孔隙水壓比上升曲線…………………………………...5-39
圖5-30原狀煤灰土樣之超額孔隙水壓比上升曲線...……………...5-39
圖5-31原狀煤灰土樣之超額孔隙水壓比模擬曲線...……………...5-40
圖5-32粗顆粒煤灰層重模土樣之超額孔隙水壓比上升曲線...…...5-40
圖5-33細顆粒煤灰層重模土樣之超額孔隙水壓比上升曲線...…...5-41
圖5-34煤灰土樣之再壓密試驗結果...……………………………...5-41
圖5-35原狀煤灰土樣再壓密試驗結果...…………………………...5-42
圖5-36重模煤灰土樣之再壓密試驗結果...………………………...5-42
表目錄
表次頁次
表1-1台電能源來源組成比例...……………………………………...1-3
表2-1剪力模數與阻尼比之影響因素...…………………………….2-14
表2-2最大剪力模數與有效圍壓關係之經驗方程式...…………….2-15表3-1現地探查與試驗之工作項目與數量...………………………...3-5
表4-1(a) 煤灰之室內實驗工作項目與數量....……………………...4-18
表4-1(b) 其它土壤動態強度之試驗數量.………………………….4-18
表4-2重模煤灰土樣之相對密度……...…………………………….4-19
表4-3重模煤灰土樣之基本物理性質……...……………………….4-19
表5-1未改良區剪力波速及剪力模數隨深度之變化情形……...….5-15
表5-2改良區剪力波速及剪力模數隨深度之變化情形...………….5-15
表5-3改良區及未改良區之現地試驗資料…………………………5-16
表5-4煤灰物理性質試驗結果...…………………………………….5-17
表5-5台中火力發電廠灰塘區煤灰化學成分分析結果...………….5-18
表5-6 ASTM之煤灰化學品質規定.………………………………...5-19
表5-7煤灰土樣之三軸動態強度試驗結果...……………………….5-19
表5-8重模煤灰土樣的三軸動態強度試驗結果...……...…………..5-20
表5-9其它地區薄管土樣的三軸動態強度試驗結果……………....5-21
表5-10雙向軸向應變達5％為液化，原狀煤灰土樣之液化強度…..5-21
表5-11雙向軸向應變達5％為液化，重模煤灰土樣之液化度…….5-22
表5-12雙向軸向應變達5％為液化，其它地區土樣之液化強度…5-22

參考文獻

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指導教授

黃俊鴻(Jing-Hung Hwang)

審核日期

2001-7-12

推文