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研究生:黃一峰
論文名稱:包覆式之地下管線透地雷達檢測與結構強度分析之研究
指導教授:張奇偉張奇偉引用關係徐增興徐增興引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:土木工程學系碩士班
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:91
語文別:中文
論文頁數:104
中文關鍵詞:透地雷達應力集中
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日常生活中許多賴以維生之管線如輸油管、天然氣管、自來水管等均與國民生計息息相關,並且管線所經過的地形通常相當的複雜,幾乎各種地形都有可能,所以基於安全性和經濟性的考量,大多數之管線都將其埋入餘地下,對於過河段之地下管線,因台灣之地形山高水急,河川大都湍急且有大量沖刷的現象,故當地下管線在過河段受到河水沖刷裸露時,可能會因土層之滑動作用或其他外力之作用而產生管線與土壤間相互位移,而導致地下管線破壞,造成重大的損失。因此如何建立過河段地下管線之安全性評估,將是本研究的主要課題。
本研究針對過河段地下管線受混凝土包覆以及受到上部土壤載重壓力、管線內之油壓、管線自重等之作用而產生相互間之變位而可能導致混凝土包覆結構之破壞。因此本研究將配合透地雷達非破壞檢測技術以及電腦有限元素法應力模擬分析之相互輔助,進行地下管線結構位置之定位,與混凝土包覆附近土壤是否有掏空情形及管體包覆結構之應力分析以及管線周圍混凝土之應力集中情形,進而判斷管體包覆結構之安全性。同時,將依據實際之檢測資料,以及應力分析結果,進行過河段地下管線結構之安全性評估,以作為日後地下管線安全性評估與修補之重要參考依據。
頁數
中文摘要----------------------------------------------Ⅰ
目 錄----------------------------------------------Ⅱ
表 目 錄----------------------------------------------Ⅴ
圖 目 錄----------------------------------------------Ⅶ
第一章 緒論
1-1 前言--------------------------------------------1
1-2 研究動機與目的----------------------------------2
1-3 研究範圍----------------------------------------2
第二章 文獻回顧---------------------------------------3
2-1 透地雷達檢測技術--------------------------------3
2-2 管線之應力分析----------------------------------10
2-3 應用有限元素法於開孔問題之分析------------------13
第三章 檢測技術與分析理論-----------------------------17
3-1 透地雷達檢測之原理-----------------------------17
3-1-1 透地雷達檢測--------------------------------17
3-1-2 透地雷達之波場分析--------------------------17
3-1-3 電磁波之基本特性----------------------------17
3-1-4 導電度--------------------------------------20
3-1-5 相對介電常數--------------------------------21
3-1-6 反射係數------------------------------------21
3-1-7 電磁波之解析能力與穿透深度------------------22
3-2 透地雷達檢測方法---------------------------------22
3-3 施測時所需之參數設定-----------------------------23
3-4 有限元素模擬數值分析-----------------------------26
3-5 應力集中因子理論---------------------------------27
第四章 結果與討論-------------------------------------29
4-1 實際案例之背景資料-------------------------------29
4-2 透地雷達檢測結果---------------------------------30
4-3 包覆混凝土結構與地下管線應力分析-----------------31
4-3-1 結構變形分析---------------------------------31
4-3-2 結構應力分析---------------------------------32
4-3-3 包覆式地下管線之應力集中因子分析-------------32
4-4 包覆式地下管線之底層土壤掏空之分析---------------38
4-5 包覆式地下管線之結構安全評估---------------------38
第五章 結論與建議-------------------------------------40
5-1 結論---------------------------------------------40
5-2 建議---------------------------------------------41
表 目 錄
頁數
表1-1 我國近年來管線破損原因比率分析-----------------48
表1-2 台灣與美國之地下管線破損原因比較表-------------48
表3-1 電磁波在各種物質中之電性-----------------------49
表4-1 包覆式地下管線應力分析之線段OA、OB之應力值----50
表4-2 包覆式地下管線應力分析之線段OC之應力值--------51
表4-3 包覆式地下管線應力分析之線段OD、OE之應力值----52
表4-4 包覆式地下管線應力分析之線段OF、OG之應力值----53
表4-5 包覆式地下管線在不同管徑之應力集中因子---------54
表4-6 包覆式單一地下管線應力分析之線段OH之應力值(CASE1)
----------------------------------------------54
表4-7 包覆式單一地下管線應力分析之線段OI(1)之應力值(CASE1) ----------------------------------------------55
表4-8 包覆式單一地下管線應力分析之線段OI(2)之應力值(CASE1) ----------------------------------------------56
表4-9 包覆式單一地下管線應力分析之線段OJ(1)之應力值(CASE2) ----------------------------------------------57
表4-10 包覆式單一地下管線應力分析之線段OJ(2)之應力值(CASE2) ----------------------------------------------58
表4-11 包覆式單一地下管線應力分析線段OK(1)之應力值(CASE2)
---------------------------------------------59
表4-12 包覆式單一地下管線應力分析線段OK(2)之應力值(CASE2)
---------------------------------------------60
表4-13 包覆式單一地下管線應力分析線段OL(1)之應力值(CASE3)
---------------------------------------------61
表4-14 包覆式單一地下管線應力分析線段OL(2)之應力值(CASE3)
---------------------------------------------62
表4-15 包覆式單一地下管線應力分析線段OM之應力值(CASE3)
---------------------------------------------63
表4-16 包覆式單一地下管線之應力集中因子--------------64
圖 目 錄
頁數
圖1-1 包覆式混凝土結構地下管線非破壞性檢測與結構安全評估
研究流程圖-----------------------------------------65
圖3-1 透地雷達天線之雷達接收波之圖像--------------------66
圖3-2 透地雷達系統--------------------------------------66
圖3-3 透地雷達檢測原理示意圖----------------------------67
圖3-4 無開孔之均勻應力軌跡線----------------------------68
圖3-5 圓孔附近之應力軌跡線------------------------------68
圖4-1 過河段包覆式地下管線所在位置圖--------------------69
圖4-2 過河段包覆式地下管線示意圖------------------------70
圖4-3 過河段包覆式地下管線之部分開挖示意圖--------------71
圖4-4 使用透地雷達檢測過河段包覆式地下管線(250MHz探頭)-72
圖4-5 使用透地雷達檢測過河段包覆式地下管線(1GHz探頭)---73
圖4-6 過河段包覆式地下管線透地雷達影像圖(頻率1GHz)-----74
圖4-7 過河段包覆式地下管線透地雷達影像圖(頻率250MHz)---74
圖4-8 包覆式地下管線定位之透地雷達影像圖---------------75
圖4-9 管線原始設計與現地實測位置透地雷達影像比較圖-----76
圖4-10 過河段包覆式地下管線三維立體雷達影像圖-----------77
圖4-11 包覆式地下管線之整體示意圖-----------------------78
圖4-12 包覆式地下管線電腦模擬結構應力分析---------------78
圖4-13 包覆式地下管線結構有限元素分析網格圖-------------79
圖4-14 包覆式地下管線結構變形圖-------------------------79
圖4-15 過河段包覆式地下管線混凝土水平方向應力圖---------80
圖4-16 過河段包覆式地下管線混凝土垂直方向應力圖---------80
圖4-17 過河段包覆式地下管線混凝土最大主應力圖-----------81
圖4-18 過河段包覆式地下管線混凝土最大剪應力圖-----------81
圖4-19 包覆式地下管線之管線間各段應力分布位置圖---------82
圖4-20 包覆式地下管線之線段OA之環向應力值--------------82
圖4-21 包覆式地下管線之線段OB之環向應力值--------------83
圖4-22 包覆式地下管線之線段OC之環向應力值--------------83
圖4-23 包覆式地下管線之線段OD之環向應力值--------------84
圖4-24 包覆式地下管線之線段OE之環向應力值--------------84
圖4-25 包覆式地下管線之線段OF之環向應力值--------------85
圖4-26 包覆式地下管線之線段OG之環向應力值--------------85
圖4-27 包覆式左側單一地下管線電腦模擬結構應力分析-------86
圖4-28 包覆式左側單一地下管線有限元素分析網格圖---------86
圖4-29 包覆式中央單一地下管線電腦模擬結構應力分析-------87
圖4-30 包覆式中央單一地下管線有限元素分析網格圖---------87
圖4-31 包覆式右側單一地下管線電腦模擬結構應力分析-------88
圖4-32 包覆式右側單一地下管線有限元素分析網格圖---------88
圖4-33 包覆式左側單一地下管線周圍各段應力分布位置圖-----89
圖4-34 包覆式單一地下管線之線段OH之環向應力值(CASE1)---89
圖4-35 包覆式單一地下管線之線段OI之環向應力值(CASE1)---90
圖4-36 包覆式多重與單一地下管線之線段OA與OH比較圖-----90
圖4-37 包覆式多重與單一地下管線之線段OB與OI比較圖-----91
圖4-38 包覆式中央單一地下管線周圍各段應力分布位置圖-----91
圖4-39 包覆式單一地下管線之線段OJ之環向應力值(CASE2)---92
圖4-40 包覆式單一地下管線之線段OK之環向應力值(CASE2)---92
圖4-41 包覆式多重與單一地下管線之線段OC與OJ比較圖-----93
圖4-42 包覆式多重與單一地下管線之線段OD與OK比較圖-----93
圖4-43 包覆式右側單一地下管線周圍各段應力分布位置圖-----94
圖4-44 包覆式單一地下管線之線段OL之環向應力值(CASE3)---94
圖4-45 包覆式單一地下管線之線段OM之環向應力值(CASE3)---95
圖4-46 包覆式多重與單一地下管線之線段OM與OG比較圖-----95
圖4-47 包覆式多重與單一地下管線之線段OF與OL比較圖-----96
圖4-48 包覆式地下管線結構應力分析模型(下層土壤掏空63CM)-97
圖4-49 包覆式地下管線結構應力分析模型(下層土壤掏空126CM)
-----------------------------------------------97
圖4-50 包覆式地下管線結構應力分析模型(下層土壤掏空189CM)
-----------------------------------------------98
圖4-51 地下管線應力分析網格圖(下層土壤掏空63、126、189CM)
-----------------------------------------------98
圖4-52 過河段包覆式地下管線混凝土水平方向應力圖(底層土壤掏空63CM時)-------------------------------------99
圖4-53 過河段包覆式地下管線混凝土垂直方向應力圖(底層土壤掏空63CM時)-------------------------------------99
圖4-54 過河段包覆式地下管線混凝土最大主應力圖(底層土壤掏空63CM時)----------------------------------------100
圖4-55 過河段包覆式地下管線混凝土最大剪應力圖(底層土壤掏空63CM時)----------------------------------------100
圖4-56 過河段包覆式地下管線混凝土水平方向應力圖(底層土壤掏空126CM時)-------------------------------------101
圖4-57 過河段包覆式地下管線混凝土垂直方向應力圖(底層土壤掏空126CM時)-------------------------------------101
圖4-58 過河段包覆式地下管線混凝土最大主應力圖(底層土壤掏空126CM時)---------------------------------------102
圖4-59 過河段包覆式地下管線混凝土最大剪應力圖(底層土壤掏空126CM時)---------------------------------------102
圖4-60 過河段包覆式地下管線混凝土水平方向應力圖(底層土壤掏空189CM時)------------------------------------103
圖4-61 過河段包覆式地下管線混凝土垂直方向應力圖(底層土壤掏空189CM時)------------------------------------103
圖4-62 過河段包覆式地下管線混凝土最大主應力圖(底層土壤掏空189CM時)---------------------------------------104
圖4-63 過河段包覆式地下管線混凝土最大剪應力圖(底層土壤掏空189CM時)---------------------------------------104
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【42】陳兆年、楊潔豪,應用透地雷達技術於土木工程結構物之非破壞性檢測,中央大學應用地質研究所碩士
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