水泥改良砂土之動靜態剪力強度特性

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陳婷(Ting Chen) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

水泥改良砂土之動靜態剪力強度特性
(The shear strength properties of cement treated sands under different loading conditions)

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摘要(中)

不同加載條件下水泥改良土之力學性質存在著明顯的差異，當在以水泥改良工法所構築的人工島或海埔新生地進行深開挖時，因大幅解壓可能使周圍土體應力場產生變化。因此本研究採用雲林西螺砂為主要材料，以不同水泥配比作為變因，進行無圍壓縮試驗、動力三軸及靜力三軸試驗，探討未改良砂土和水泥改良土在不同加載條件下之剪力強度特性，以期未來能正確且經濟地應用在工程實務上。
　　由於改良土之改良強度之作用，致使在低壓範圍內，土體呈現類似過壓密現象，而在高壓範圍內，則呈現正常壓密土壤之特性，因此本研究使用兩階段方式整理水泥改良土之破壞包絡線。在圍壓低於改良強度之範圍內，不同水泥配比改良土之有效內摩擦角皆有遞減現象，而其有效凝聚力則略增；在圍壓高於改良強度之範圍內，軸向解壓試驗所得之有效內摩擦角大於加壓試驗之有效內摩擦角，故在設計時若能考量應力路徑情況的不同，將改良土剪力強度作合理的增減，便有可能進行較經濟的設計，因而降低工程成本。

摘要(英)

There exists some apparent differences in the mechanical properties of cement treated sands under different loading conditions. In the process of deep excavation, the massive unloading will change the stress states of in-situ soil. This study used Shiluo sand as the soil material and the Portland cement typeⅠas the improvement material. A series of unconfined compression tests, axial compression tests (AC test), axial extension tests (AE test) and cyclic triaxial tests were performed to investigate the properties of shear strength of untreated sand and cement treated sands under different loading conditions.
Due to the improved strength of cement treated sands, the soil shows a trend of over consolidated properties within the low pressure area, and in the other hand it shows normally consolidated properties within the high pressure area. Therefore, the failure envelopes of cement treated sands were figured out by some broken lines in this research. The experimental results demonstrated that the effective internal friction angles decreased and the effective cohesions increased in the area of pressure lower than the improved strength. In the other hand, the effective friction angles obtained from the axial extension tests are greater than those of axial compression tests.

關鍵字(中)

★ 改良強度（或稱改良預壓力）
★ 軸向加壓試驗
★ 軸向解壓試驗
★ 水泥改良土

關鍵字(英)

★ cement treated sand
★ axial extension test
★ axial compression test
★ improved strength (or improved preconsolidation

論文目次

摘要 I
ABSTRACT II
目錄 III
照片目錄 IX
表目錄 XI
圖目錄 XII
符號說明 XVIII
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法 2
1.4 論文內容 3
第二章文獻回顧 4
2.1 地盤改良 4
2.1.1 軟弱地盤 4
2.1.2 軟弱地盤之改良工法 5
2.1.3 事前混合處理工法 5
2.2 水泥改良土 7
2.2.1水泥成分與水化作用 7
2.2.2 水泥系材料穩定處理機制 7
2.2.3 土壤與水泥的固結機制 8
2.2.4 水泥改良土之性質及影響 8
2.2.5 添加水泥對疏鬆砂土之改良成效 9
2.3 砂土液化 10
2.3.1 液化定義與機制 10
2.3.2 土壤之動態特性 12
2.3.3 影響液化強度之因素 12
2.3.3.1 試體準備方式 12
2.3.3.2 反覆加載作用頻率 13
2.3.3.3 顆粒組構特性 13
2.4 剪動速率對剪力強度之影響 14
2.5 三軸試驗之破壞標準選擇 15
2.6 應力路徑對土壤剪力強度特性之影響 15
第三章土樣與試驗方法 27
3.1 試驗砂樣與改良材料 27
3.1.1 試驗砂樣基本性質 27
3.1.2 改良材料 27
3.2 改良土試體的製作 27
3.3 試驗方式及試驗儀器 29
3.3.2 動力三軸試驗 29
3.3.2.1 控制系統 29
3.3.2.2 量測系統 31
3.3.2.3 動力系統 32
3.3.2.4 訊號擷取系統 33
3.3.2.5 三軸室 33
3.3.3 靜態壓密不排水三軸試驗 34
3.3.1 無圍壓縮試驗 34
3.4 試驗步驟與流程 36
3.4.1動力三軸試驗步驟 36
3.4.1.1 儀器校正階段 36
3.4.1.2 儀器準備階段 36
3.4.1.3 試體飽和階段 37
3.4.1.4 試體壓密階段 38
3.4.1.5 動態試驗階段 38
3.4.1.6 液化後再壓密階段 39
3.4.1.7 動態參數之整理 39
3.4.1.8補償荷重之計算 40
3.4.2 靜力三軸試驗步驟 41
3.4.2.1靜力加載階段 41
3.4.2.2 靜力三軸試驗數據整理 41
第四章試驗結果與分析 64
4.1 無圍壓縮試驗之試驗結果與分析 64
4.1.1 軸向應力與軸向應變之關係 65
4.1.2 無圍壓縮強度與水泥配比之關係 65
4.1.3 水泥對正割彈性模數之改良效果 66
4.2 靜力三軸軸向壓縮試驗之試驗結果與分析 66
4.2.1 AC試驗之軸差應力與軸向應變關係曲線 67
4.2.1.1 水泥配比對軸差應力與軸向應變關係曲線之影響 67
4.2.1.2圍壓對軸差應力與軸向應變關係曲線之影響 68
4.2.2 AC試驗之超額孔隙水壓與軸向應變關係曲線 69
4.2.2.1 水泥配比對超額孔隙水壓與軸向應變關係曲線之影響 69
4.2.2.2圍壓對超額孔隙水壓與軸向應變關係曲線之影響 70
4.2.3 水泥配比對有效凝聚力與有效內摩擦角之影響 71
4.2.4 水泥配比對AC試驗應力路徑之影響 73
4.3 靜力三軸軸向解壓試驗之試驗結果與分析 74
4.3.1 AE試驗之軸差應力與軸向應變關係曲線 75
4.3.1.1 水泥配比對軸差應力與軸向應變關係曲線之影響 75
4.3.1.2圍壓對軸差應力與軸向應變關係曲線之影響 76
4.3.2 AE試驗之超額孔隙水壓與軸向應變關係曲線 77
4.3.2.1 水泥配比對超額孔隙水壓與軸向應變關係曲線之影響 77
4.3.2.2 有效圍壓對超額孔隙水壓與軸向應變關係曲線之影響 77
4.3.3 水泥配比對有效凝聚力與有效內摩擦角之影響 79
4.3.4 水泥配比對AE試驗應力路徑之影響 80
4.3.5不同加載方向對土體力學性質之影響 81
4.4動力三軸試驗之試驗結果與分析 83
4.4.1資料處理方法 83
4.4.2 試驗資料分析 86
4.4.3 反覆剪應力比與達液化所需反覆作用週期數之關係 89
4.4.3.1水泥配比對液化強度曲線之影響 89
4.4.3.2 無圍壓縮強度與液化阻抗之關係 90
4.4.4 剪力模數與剪應變之關係 91
4.4.4.1 反覆剪應力比之影響 91
4.4.4.2 水泥配比對第一週期剪力模數之影響 92
4.5 加載方式造成土體有效應力路徑之差異 92
第五章結論與建議 136
5.1 結論 136
5.2 建議 138
參考文獻 139

參考文獻

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指導教授

張惠文(Huei-Wen Chang)

審核日期

2011-7-31

推文