含樁帽群樁受負摩擦力之數值分析

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姓名

許皓翔(HAO-SHIANG HSU) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

含樁帽群樁受負摩擦力之數值分析
(Numerical analysis on negative skin friction of pile group with cap)

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摘要(中)

自1960年以來，各地的重大工程因負摩擦力之問題，導致工程危害與經濟損失，諸多學者以現地試驗法、室內試驗法和數值分析探討負摩擦力之行為。數值分析擁有低成本、重複利用性多等優點，運用合理參數與力學模式，模擬實際的施工過程，得到可靠且完整之分析結果。
本研究以FLAC3D有限差分程式進行分析，模擬三維群樁受負摩擦力之行為，並選用MIDAS/GTS程式建立群樁模型。研究首先以摩擦與點承兩種形式基樁，進行單樁受負摩擦力分析，探討樁之下拉力(Dragload)與額外的樁沉陷量(Downdrag)，並與FLAC2D之二維數值結果對照，驗證三維數值之正確性;群樁分析考量樁位置、加載荷重與樁帽之影響因子，探討群樁效應對下拉力與樁土沉陷量之影響;同時彙整高鐵資料，進行深層降水引致橋墩基礎受負摩擦力影響。研究結果整理如下:(1)加載初期，群樁效應的束制導致樁土位移量減少，越接近群樁中心，負摩擦力折減程度越高，特別以中心樁受群樁效應影響最大。(2)隨著地表荷重增加，群樁下拉力分佈逐漸接近，並與單樁之下拉力相近，顯示群樁效應逐漸消失。(3)樁帽束制對摩擦群樁有重要影響，對角落樁造成額外下拉力，使樁基礎破壞之可能性提高。(4)高鐵案例分析，當地下水位降低至52公尺，群樁之負摩擦力達到極限狀態，足以危害群樁之承載力。

摘要(英)

Since 1960, negative skin friction (NSF) is one of the common problems in the design of pile foundations. In the past, several literatures reports can be found regarding the NSF on single pile and group piles in a compressible clay. NSF induces additional vertical load on the pile and pile settlement. it must to reduce the safety of the structure.
The objective of research is to investigate the dragload and downdrag on friction and end-bearing single pile with the finite different package FLAC3D. The simulation results of FLAC3D were compared with the results of FLAC2D to examine their difference. Group piles analysis considers the influence of various parameters including pile group configuration, position of piles in the group, surface loading and pile cap. The group effect are significantly influenced axial force and soil settlement. Finally, using FLAC3D to simulate the NSF of bridge foundations at High Speed Railway when the ground water was dropdown from the ground table to the lower elevation.
Based on the results and the comparisons from the analysis for group piles the following conclusions can be drawn: (1)Group effect causes reduction of soil settlement and dragload significantly on pile groups for the relatively small surcharge. The maximum reduction of dragload is obtained in central pile. (2)The magnitude of surface loading increases the group effect decreases. (3) Additional vertical load on friction corner piles was caused by fix-head cap.(4) In the THSR analysis case, when the ground water table was dropdown from the ground table to the depth of 52 meters, NSF would be limit stated to cause the maximum dragload on group piles. It might reduce the bearing capacity of the pile foundations seriously.

關鍵字(中)

★ 群樁
★ 樁帽
★ 負摩擦力
★ 數值分析
★ 高鐵

關鍵字(英)

★ FLAC
★ group pile
★ pile cap
★ negative skin friction
★ Dragload
★ Downdrag
★ 3D analysis
★ Taiwan High Speed Railway

論文目次

摘要 ii
ABSTRACT iii
誌謝 v
表目錄 x
圖目錄 xii
第一章緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究方法 2
1.3研究內容 3
第二章文獻回顧 5
2.1負摩擦力現象 5
2.2中性面位置 5
2.3基樁負摩擦力計算 8
2.4群樁之負摩擦力計算 16
2.5樁基礎承載力計算 20
2.6最小樁帽厚度 22
2.7負摩擦力之文獻回顧 25
第三章分析方法 35
3.1有限元素法概要 35
3.2 FLAC程式介紹 35
3.3分析流程 39
3.4幾何建模 40
3.5元素與網格 41
3.6材料參數 45
3.7材料組成律與破壞準則 47
3.8界面元素 49
3.9邊界條件 55
第四章分析結果與討論 56
4.1數值模擬正確性驗證 56
4.2單樁受負摩擦力之行為 61
4.2.1地表荷重對摩擦樁沉陷量影響 61
4.2.2地表荷重對摩擦樁下拉力影響 67
4.2.3地表荷重對點承樁沉陷量影響 73
4.2.4地表荷重對點承樁下拉力影響 77
4.3全模型與四分之一模型比較 83
4.4群樁受負摩擦力之行為 99
4.4.1群樁效應對摩擦群樁之沉陷量影響 99
4.4.2群樁效應對摩擦群樁之下拉力影響 107
4.4.3群樁效應對點承群樁之沉陷量影響 119
4.4.4群樁效應對點承群樁之下拉力影響 126
4.4.5摩擦與點承之群樁互制效應 132
4.5含樁帽之群樁受負摩擦力之行為 137
4.5.1樁帽介紹 137
4.5.2樁帽對摩擦群樁之影響 140
4.5.3樁帽對點承群樁之影響 145
第五章高鐵案例分析與探討 149
5.1研究背景 149
5.2高鐵案例之研究目的 150
5.3高鐵案例之研究流程 151
5.3.1橋墩基礎建立 151
5.3.2地層參數選用 158
5.3.3深層降水模式 164
5.4高鐵案例之深層降水研究 168
5.4.1深層降水對高鐵基礎之沉陷量影響 168
5.4.2深層降水對高鐵基礎之下拉力影響 173
5.5高鐵案例之地下水位研究 180
5.5.1地下水位對高鐵基礎之沉陷量影響 180
5.5.2地下水位對高鐵基礎之下拉力影響 183
5.6高鐵單樁案例之深層抽水研究 191
5.6.1單樁模型建立與分析流程 191
5.6.2深層抽水對高鐵單樁之影響 194
第六章結論與建議 198
6.1結論 198
6.2建議 200
參考文獻 201

參考文獻

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指導教授

黃俊鴻(Jin-Hung Hwang)

審核日期

2013-8-21

推文