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研究生:陳育志
研究生(外文):Chen, Yuh-Jyh
論文名稱:傾斜管線在砂土中摩擦及曳阻力之研究
論文名稱(外文):Soil Restrains of Oblique Pipelines in Sand
指導教授:徐登文徐登文引用關係
指導教授(外文):Hsu, Tung-Wen
學位類別:博士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:土木工程學系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:104
中文關鍵詞:管線土壤摩擦力土壤阻抗力對數螺旋
外文關鍵詞:pipelinelongitudinal soil restrainttransversal soil restraintoblique motionsandlog-spiral
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人類維持生活所需之民生用品如石油、瓦斯、自來水等,這些天然資源並不是處處都有,必須經由地下維生管線如輸油管、瓦斯管、自來水管等,將這些物質有效也安全地輸送至目的地。由於臺灣位處歐亞板塊與菲律賓板塊衝撞區,地殼活動頻繁,加以山陡川急,多颱風及暴雨,易形成山崩、地滑(landslides)。為避免維生管線因地震波之傳遞及地表之位移使管線產生過大應變而導致破壞,對於管線與周圍土壤間軸向摩擦力與側向阻抗力之行為,實有研究之必要,進而對管線耐震方面提供較精確的設計參考依據。
本研究主要是以152.4 mm (6 in.)、228.6 mm (9 in.)及304.8 mm (12 in.)三種不同管徑之管線,在不同埋入比(H/D) 及傾斜角度下,探討管線在鬆砂及緊砂兩種不同砂土中,於淺層埋設時,所受軸向土壤摩擦力與側向土壤阻抗力之行為,並以三種(一種平面理論及兩種對數螺旋破壞理論)不同破壞機制理論模式分別分析其試驗結果。管線傾斜角(α)則分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°及90°。
當管線傾斜角為0°時,軸向土壤摩擦力可由管軸位置之垂直與靜止水平土壓力之平均值,與tanδ之乘積推估而得,其中δ為土壤與管線間之摩擦角。當管線傾斜角為90°時,側向土壤阻抗力,在埋入比較低時(H/D≦2) ,可以平面破壞(planar failure surface)理論與兩種對數螺旋破壞(logarithmic spiral failure surface)理論的預估值,在力之平衡條件下求得。但在埋入比較高時(H/D≧3),則以對數螺旋破壞(logarithmic spiral failure surface)理論方法一所推估的預估值最為接近。
至於傾斜管線極限軸向土壤摩擦力值為管線傾斜角為 0°時之極限軸向土壤摩擦力與傾斜角度餘弦值之乘積;而極限無因次側向土壤阻抗力則為管線傾斜角為90°時之極限側向土壤阻抗力值與傾斜角度正弦值之乘積。同時本試驗之結果亦發現管徑尺寸效應之影響在管徑大至304.8 mm時並不顯著。

This paper presents the soil restraint on the oblique pipelines in sand. A series of experimental tests are conducted in a prefabricated large scale drag box with dimensions 1.83 m  1.83 m  1.22 m. Model pipes 0.61 m long with diameters of 152.4, 228.6, and 304.8 mm are obliquely moved from an axial-longitudinal to lateral-transversal direction in the drag box to study the associated longitudinal and transversal soil restraints of the oblique pipes with various shallow embedded depths.
All the test results indicate that for the axial pipes, the longitudinal soil restraint could be estimated as the product of the average of the vertical and horizontal earth pressures at the centerline of the pipe and the tangent value of soil-pipe friction angle. Whereas for the lateral pipes, the transversal soil restraint could be predicted by using the limit equilibrium model with the assumption of either the planar or logarithmic spiral sliding failure surface for the shallow embedded ratio (H/D≦2), however, for the larger embedded ratio (H/D=3) the prediction with logarithmic spiral sliding failure surface method I is more consistent with the experimental results.
For the oblique pipes, the longitudinal soil restraint decreases, whereas the transversal soil restraint increases with the oblique angle, respectively. Moreover, the longitudinal and transversal soil restraints of the oblique pipes could geometrically be obtained by multiplying the corresponding cosine and sine values of the oblique angle with the associated longitudinal soil restraint of axial pipe and the transversal soil restraint of lateral pipe, respectively. The findings also indicate that the scale effects are not significant for the size of the pipes tested herein.

目 錄
頁次中文摘要………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………Ⅲ
目錄……………………………………………………………………Ⅳ
表目錄…………………………………………………………………Ⅶ
圖目錄…………………………………………………………………Ⅷ
符號說明……………………………………………………………ⅩV
第一章 緒 論…………………………………………………………1
1-1 背景…………………………………………………………1
1-2 研究目的……………………………………………………3
1-3 研究方法……………………………………………………5
第二章 文獻回顧……………………………………………………7
2-1 前人之理論分析……………………………………………7
2-1-1 Ghaly and Hanna………………………………………7
2-1-2 Balla……………………………………………………7
2-1-3 Ovesen and Stromann…………………………………9
2-1-4 Dickin and Leung……………………………………10
2-1-5 Nyman…………………………………………………12
2-1-6 O’Rourke et al. ………………………………………15
2-2 前人之實驗探討……………………………………………16
2-2-1 Nyman……………………………………………………16
2-2-2 Audibert and Nyman …………………………………16
2-2-3 Trautmann and O’Rourke………………………………18
2-2-4 O’Rourke and El Hamadi………………………………19
第三章 試驗設備介紹………………………………………………21
3-1 直接剪力試驗設備…………………………………………21
3-2 傾斜管線側向荷重試驗設備………………………………21
3-2-1 試驗模型箱及動力設備………………………………22
3-2-2 砂土夯實密度檢驗設備………………………………23
3-2-3 管線材料及尺寸………………………………………23
3-3-4 數據擷取系統………………………………………26
第四章 試驗程序……………………………………………………28
4-1 試驗用砂之基本性質………………………………………28
4-2 試驗用砂之直接剪力試驗…………………………………29
4-3 管線荷重之試驗步驟………………………………………31
4-3-1 試驗程序………………………………………………31
4-3-2 應力量測單元的校正(calibration)………………34
4-3-3 試驗時砂土之密度控制………………………………34
4-3-4 砂土之密度檢驗………………………………………35
第五章 試驗結果……………………………………………………37
5-1 管線荷重試驗結果………………………………………37
5-1-1 極限側向阻抗力與極限軸向摩擦力………………37
5-2管徑尺寸效應討論………………………………………39
第六章 理論分析……………………………………………………77
6-1 理論推導……………………………………………………77
6-1-1 垂直管線之側向阻抗力……………………………77
6-1-1-1平面破壞理論(planar failure surface) ……77
6-1-1-2 對數螺旋破壞理論(logarithmin spiral
failure surface)……………………………79
(1)方法一……………………………………………79
(2)方法二……………………………………………84
6-1-2 管線之軸向摩擦力……………………………………87
6-2 理論值與試驗值之比較與分析……………………………88
6-2-1管線之側向阻抗力……………………………………89
6-2-2管線之軸向摩擦力……………………………………89
6-3 管線之尺寸效應……………………………………………90
第七章 結論與建議………………………………………………101
7-1 結論………………………………………………………101
7-2 建議………………………………………………………102
參考文獻………………………………………………………………103
表 目 錄
頁次
表2-1 管線與砂土間之摩擦係數……………………………………20
表4-1 試驗用大度溪河砂基本物理性質表…………………………28
表4-2 砂土相對密度及描述表………………………………………29
表5-1 管線荷重試驗項目及結果表(鬆砂)…………………………41
表5-2 管線荷重試驗項目及結果表(緊密砂)………………………43
圖 目 錄
頁次
圖1-1 地下變位對管線之影響示意圖:
(a) 管線受彎曲應變示意圖………………………………2
(b) 管線受軸向應變示意圖…………………………………2
圖1-2 管線束制模式圖:
(a) In-situ condition………………………………………3
(b) Analytical representation of pipe restraint……3
圖1-3 (a) 試驗管線埋入比定義圖………………………………….6
(b) 管線傾斜角度α示意圖…………………………………6
圖2-1 Ghaly 與Hanna之破壞機制圖……………………………….8
圖2-2 Balla之破壞機制圖…………………………………………9
圖2-3 Dickin and Leung破壞機制圖………………………………11
圖2-4 管線-錨版類比圖……………………………………………12
圖2-5 (a) 內蘊型極限平衡分析模式………………………………13
(b) Pu之向量圖解法…………………………………………13
圖2-6 傾斜因子與傾斜角度關係圖(內蘊型極限平衡解)…………14
圖2-7 無因次傾斜因子與傾斜角度關係圖…………………………15
圖2-8 承載因子與埋入比以及傾斜角度之關係圖…………………17
圖2-9 管線在不同埋入深度下之破壞機制圖………………………18
圖3-1 管線荷重試驗模型箱前視圖與上視圖………………………24
圖3-2 管線荷重試驗模型箱…………………………………………25
圖3-3 試驗管線及引導管線…………………………………………25
圖3-4 應力量測單元示意圖…………………………………………27
圖4-1 試驗用大肚溪河砂之粒徑分佈曲線圖………………………29
圖4-2 管線荷重試驗流程圖…………………………………………33圖4-3 砂土密度與降落高度關係圖…………………………………34
圖4-4 標準夯實試驗乾密度與夯實次數關係圖……………………36
圖5-1 鬆砂中管線無因次側向土壤阻抗力與無因次位移關係圖
(a) D=152.4 mm; H/D=1 (b) D=152.4 mm; H/D=2 ………45
(c) D=152.4 mm; H/D=3 (d) D=228.6 mm; H/D=1 ………46
(e) D=228.6 mm; H/D=2 (f) D=304.8 mm; H/D=1 ………47
圖5-2 鬆砂中管線無因次軸向土壤摩擦力與無因次位移關係圖
(a) D=152.4 mm; H/D=1 (b) D=152.4 mm; H/D=2 ………48
(c) D=152.4 mm; H/D=3 (d) D=228.6 mm; H/D=1 ………49
(e) D=228.6 mm; H/D=2 (f) D=304.8 mm; H/D=1………50
圖5-3(a) 鬆砂中152.4 mm管線無因次極限側向阻抗力與傾斜角度
關係圖……………………………………………………51
圖5-3(b) 鬆砂中228.6 mm管線無因次極限側向阻抗力與傾斜角度
關係圖……………………………………………………51
圖5-3(c) 鬆砂中304.8 mm管線無因次極限側向阻抗力與傾斜角度
關係圖……………………………………………………52
圖5-4(a) 鬆砂中152.4 mm管線無因次極限軸向摩擦力與傾斜角度
關係圖……………………………………………………52
圖5-4(b) 鬆砂中228.6 mm管線無因次極限軸向摩擦力與傾斜角度
關係圖……………………………………………………53圖5-4(c) 鬆砂中304.8 mm管線無因次極限軸向摩擦力與傾斜角度
關係圖……………………………………………………53
圖5-5(a) 鬆砂中152.4 mm管線無因次側向破壞位移與傾斜角度關
係圖………………………………………………………54
圖5-5(b) 鬆砂中228.6 mm管線無因次側向破壞位移與傾斜角度關
係圖……………………………………………………….54
圖5-5(c) 鬆砂中304.8 mm管線無因次側向破壞位移與傾斜角度關
係圖………………………………………………………55
圖5-6(a) 鬆砂中152.4 mm管線無因次軸向破壞位移與傾斜角度關
係圖……………………………………………………….55
圖5-6(b) 鬆砂中228.6 mm管線無因次軸向破壞位移與傾斜角度關
係圖……………………………………………………….56
圖5-6(c) 鬆砂中304.8 mm管線無因次軸向破壞位移與傾斜角度關
係圖………………………………………………………56
圖5-7 緊密砂中管線無因次側向土壤阻抗力與無因次位移關係圖
(a) D=152.4 mm; H/D=1 (b) D=152.4 mm; H/D=2 ………57
(c) D=152.4 mm; H/D=3 (d) D=228.6 mm; H/D=1 ………58
(e) D=228.6 mm; H/D=2 (f) D=304.8 mm; H/D=1 ………59
圖5-8 緊密砂中管線無因次軸向土壤摩擦力與無因次位移關係圖
(a) D=152.4 mm; H/D=1 (b) D=152.4 mm; H/D=2 ………60
(c) D=152.4 mm; H/D=3 (d) D=228.6 mm; H/D=1 ………61
(e) D=228.6 mm; H/D=2 (f) D=304.8 mm; H/D=1 ………62
圖5-9(a) 緊密砂中152.4 mm管線無因次極限側向阻抗力與傾斜角
度關係圖…………………………………………………63
圖5-9(b) 緊密砂中228.6 mm管線無因次極限側向阻抗力與傾斜角
度關係圖…………………………………………………63
圖5-9(c) 緊密砂中304.8 mm管線無因次極限側向阻抗力與傾斜角
度關係圖…………………………………………………64
圖5-10(a) 緊密砂中152.4 mm管線無因次極限軸向摩擦力與傾斜角
度關係…………………………………………………….64
圖5-10(b) 緊密砂中228.6 mm管線無因次極限軸向摩擦力與傾斜角
度關係圖…………………………………………………65
圖5-10(c) 緊密砂中304.8 mm管線無因次極限軸向摩擦力與傾斜角
度關係圖…………………………………………………65
圖5-11(a) 緊密砂中152.4 mm管線無因次側向破壞位移與傾斜角度
關係圖……………………………………………………66
圖5-11(b) 緊密砂中228.6 mm管線無因次側向破壞位移與傾斜角度
關係圖……………………………………………………66
圖5-11(c) 緊密砂中304.8 mm管線無因次側向破壞位移與傾斜角度
關係圖……………………………………………………67
圖5-12(a) 緊密砂中152.4 mm管線無因次軸向破壞位移與傾斜角度
關係圖……………………………………………………67
圖5-12(b) 緊密砂中228.6 mm管線無因次軸向破壞位移與傾斜角度
關係圖……………………………………………………68
圖5-12(c) 緊密砂中304.8 mm管線無因次軸向破壞位移與傾斜角度
關係圖……………………………………………………68
圖5-13(a) 鬆砂中H/D=1時之無因次極限側向阻抗力管線尺寸效應
比較圖…………………………………………………69
圖5-13(b) 鬆砂中H/D=2時之無因次極限側向阻抗力管線尺寸效應
比較圖…………………………………………………69
圖5-14(a) 鬆砂中H/D=1時之無因次極限側向阻抗力管線尺寸效應
比較圖…………………………………………………70
圖5-14(b) 鬆砂中H/D=2時之無因次極限側向阻抗力管線尺寸效應
比較圖…………………………………………………70
圖5-15(a) 緊密砂中H/D=1時之無因次極限側向阻抗力管線尺寸效
應比較圖………………………………………………71
圖5-15(b) 緊密砂中H/D=2時之無因次極限側向阻抗力管線尺寸效
應比較圖………………………………………………71
圖5-16(a) 緊密砂中H/D=1時之無因次極限軸向摩擦力管線尺寸效
應比較圖………………………………………………72
圖5-16(b) 緊密砂中H/D=2時之無因次極限軸向摩擦力管線尺寸效
應比較圖………………………………………………72
圖5-17(a) 鬆砂中H/D=1時之無因次側向破壞位移管線尺寸效應比
較圖……………………………………………………73
圖5-17(b) 鬆砂中H/D=2時之無因次側向破壞位移管線尺寸效應比
較圖……………………………………………………73
圖5-18(a) 鬆砂中H/D=1時之無因次軸向破壞位移管線尺寸效應比
較圖……………………………………………………74
圖5-18(b) 鬆砂中H/D=2時之無因次軸向破壞位移管線尺寸效應比
較圖……………………………………………………74
圖5-19(a) 緊密砂中H/D=1時之無因次側向破壞位移管線尺寸效應
比較圖…………………………………………………75
圖5-19(b) 緊密砂中H/D=2時之無因次側向破壞位移管線尺寸效應
比較圖…………………………………………………75
圖5-20(a) 緊密砂中H/D=1時之無因次軸向破壞位移管線尺寸效應
比較圖…………………………………………………76
圖5-20(b) 緊密砂中H/D=2時之無因次軸向破壞位移管線尺寸效應
比較圖…………………………………………………76
圖6-1 平面破壞理論自由體圖………………………………………78
圖6-2 平面破壞理論力系向量圖……………………………………78
圖6-3 對數螺旋線破壞面示意圖(方法一)…………………………80
圖6-4 (a)、(b)、(c)、(d)對數螺旋破壞機構自由體圖(方法一)……81
圖6-5 對數螺旋線破壞面示意圖(方法二)…………………………84
圖6-6 對數螺旋線破壞機構自由體圖(方法二)……………………85圖6-7(a) 鬆砂中152.4 mm管線無因次極限側向阻抗力理論值與試
驗值比較圖………………………………………………91
圖6-7(b) 鬆砂中228.6 mm管線無因次極限側向阻抗力理論值與試
驗值比較圖………………………………………………91
圖6-7(c) 鬆砂中304.8 mm管線無因次極限側向阻抗力理論值與試
驗值比較圖………………………………………………92
圖6-8(a) 緊密砂中152.4 mm管線無因次極限側向阻抗力理論值與
試驗值比較圖…………………………………………92
圖6-8(b) 緊密砂中228.6 mm管線無因次極限側向阻抗力理論值與
試驗值比較圖……………………………………………93
圖6-8(c) 緊密砂中304.8 mm管線無因次極限側向阻抗力理論值與
試驗值比較圖……………………………………………93
圖6-9(a) 鬆砂中152.4 mm管線無因次極限軸向摩擦力理論值與試
驗值比較圖………………………………………………94
圖6-9(b) 鬆砂中228.6 mm管線無因次極限軸向摩擦力理論值與試
驗值比較圖………………………………………………94
圖6-9(c) 鬆砂中304.8 mm管線無因次極限軸向摩擦力理論值與試
驗值比較圖………………………………………………95
圖6-10(a) 緊密砂中152.4 mm管線無因次極限軸向摩擦力理論值與
試驗值比較圖……………………………………………95
圖6-10(b) 緊密砂中228.6 mm管線無因次極限軸向摩擦力理論值與
試驗值比較圖……………………………………………96
圖6-10(c) 緊密砂中304.8 mm管線無因次極限軸向摩擦力理論值與
試驗值比較圖……………………………………………96
圖6-11(a) 鬆砂中不同管徑之管線在H/D=1時之無因次極限側向阻
抗力理論值與試驗值之比較圖………………………97
圖6-11(b) 鬆砂中不同管徑之管線在H/D=2時之無因次極限側向阻
抗力與理論值與試驗值之比較圖……………………97
圖6-12(a) 緊密砂中不同管徑之管線在H/D=1時之無因次極限側向
阻抗力與理論值與試驗值之比較圖…………………98
圖6-12(b) 緊密砂中不同管徑之管線在H/D=2時之無因次極限側向
阻抗力與理論值與試驗值之比較圖…………………98
圖6-13(a) 鬆砂中不同管徑之管線在H/D=1時之無因次極限軸向摩
擦力與理論值與試驗值之比較圖……………………99
圖6-13(b) 鬆砂中不同管徑之管線在H/D=2時之無因次極限軸向摩
擦力與理論值與試驗值之比較圖……………………99
圖6-14(a) 緊密砂中不同管徑之管線在H/D=1時之無因次極限軸向
摩擦力與理論值與試驗值之比較圖…………………100
圖6-14(b) 緊密砂中不同管徑之管線在H/D=2時之無因次極限軸向
摩擦力與理論值與試驗值之比較圖…………………100

[1] Audibert, J. M. E., and Nyman, K. J. (1977), "Soil Restraint against Horizontal Motion of Pipes," Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 103, No. GT10, Oct., pp. 1119-1142.
[2] Balla. A. (1961), “The Resistance to Breaking out of Mushroom Foundations for Pylons, ” Proceedings, Fifth International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Paris, France, Vol.1, pp. 569-576.
[3] Brumund, W. F., and Leonards, G. A. (1973), "Experimental Study of Static and Dynamic Friction between Sand and Typical Construction Materials," Journal of Testing Evaluation, Vol. 1, pp. 165-165.
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[8] Meyerhof, G.G., (1963), “Some Recent Research on the Bearing Capacity of Foundations, ” Canadian Geotechnical Journal, Vol. 1, No. 1, pp. 16-26.
[9] Nyman, K. J. (1984), "Soil Response against Oblique Motion of Pipes," Journal of Transportation Engineering, ASCE, Vol. 110, No. 2, March, pp. 190-202.
[10] O'Rourke, M. J., and Gustavo Anala (1990), "Seismic Damage to Pipeline : Case Study," Journal of Transportation Engineering, ASCE, Vol. 116, No. 2, March, pp. 123-134.
[11] O`Rourke, M. J., and EL Hmadi, K. (1988), "Analysis of Continuous Buried Pipelines for Seismic Wave Effects," Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 16, pp. 917-929.
[12] O’Rourke, M. J., Liu, X. and Flores-Berrones, R. (1995), ”Steel Pipe Wrinkling due to Longitudinal Permanent Ground Deformation,” Journal of Transportation Engineering, ASCE, Vol. 121, No.5, September/October, pp. 443-451.
[13] Oversen, N. K. (1964), “Anchor Slabs Calculation Methods and Model Test,” Bulletin No. 16, Danish Geotechnical Institute, Copenhagen, Denmark.
[14] Oversen, N. K., and Stromann, H. (1972), “Design Method for Vertical Anchor Slabs in Sand,” Proceedings Specialty Conference on Performance of Earth and Earth-Supported Structures, Vol. 1 Lafayette, Ind. June, pp. 1481-1500.
[15] Sakurai, A., and Takahashi, T. (1969), “Dynamics Stress of Underground Pipe-lines during Earthquake,” Proc. Fourth World Conference Earthquake Engi-neering, Santiago, Chile.
[16] Trautmann, C. H., and O'Rourke, T. D. (1985), "Lateral Force-Displacement Re-sponse of Buried Pipe," Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 111, No. 9, pp. 1077-1093.

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