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研究生:莊淳堯
研究生(外文):Chuang, Chun-Yao
論文名稱:南科園區基樁振動試驗與ABAQUS模擬分析
指導教授:陳正興陳正興引用關係
指導教授(外文):Chen C.H.
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
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:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:166
中文關鍵詞:台南科學園區單樁強迫振動試驗重錘落擊試驗有限元素法軸對稱
外文關鍵詞:Single pileForced vibration testDrop-hammer impact testfinite elementAxisymmetric FEM analysis
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興建中的高速鐵路將貫穿以高科技產業為主的台南科學園區,高鐵行車時所引致之地盤振動是否會對廠房造成影響已成為各界關注的焦點。國科會為達減振之目的,於園區內構築一高鐵橋樑基礎實體模型,利用該模型進行一系列試驗,其中包含單樁之強迫振動試驗與重錘落擊試驗。
本研究首先介紹單樁振動試驗內容,彙整試驗資料,分析地盤受振動反應,並利用ABAQUS有限元素法程式進行模擬分析,比對模擬分析所得與試驗結果,討論此土壤結構互制系統之振動特性,以檢驗ABAQUS程式分析地盤振動反應之能力與適用性。
試驗結果分為三部分,第一部份為強迫振動試驗,文中討論試驗所得之地表振動幅值、地盤振動衰減係數以及基礎與土壤受單位振動力作用之動態反應函數;第二部分則為8噸落錘試驗,分析其1/3倍頻頻譜圖以及各中心頻率所對應之地盤振動衰減係數;最後討論兩項試驗之鋼筋計試驗結果。
試驗結果顯示,進行強迫振動試驗時之地表振動幅值大約在50dB~85dB之間,水平向振動試驗中,樁頭之位移反應與測線上之水平徑向位移反應在頻率10Hz之內出現較大反應,而鉛垂向振動試驗之樁頭位移反應,則隨頻率上升而漸減。至於落錘試驗,其所引致地盤振動之主要有效頻寬約在6∼50Hz之間,造成之地盤振動幅值約為70~90dB之間。
數值模擬分析的部分,本研究採用ABAQUS軸對稱模式進行鉛垂向強迫振動試驗與落錘試驗之模擬分析,前者之分析結果包含位移動態反應函數、地表位移量隨距離之關係以及樁身最大軸力隨深度之變化;後者之分析結果則包括速度歷時紀錄、富氏振幅譜、1/3倍頻頻譜值以及樁身最大軸力隨深度之變化。
對於鉛垂向強迫振動試驗之數值模擬分析,顯示所採用之分析模式能有效模擬樁頭的鉛垂向位移振動反應,對於測線上振動反應之模擬,在低頻部分與試驗結果相近,高頻的結果則不太理想。在重錘試驗之數值模擬中,分析所得之地表速度振動歷時與試驗結果相比,吻合度不高,在頻率小於10Hz之低頻部分,數值分析所得之富氏振幅譜與試驗結果類似。

The Taiwan HRS is under construction. Its route will pass though the Tainan Science-Based Industry Park (TSIP) that is newly developed for the high-tech industry. In order to evaluate the influence of the ground vibration caused by the high-speed train, that is sensitive to the high-tech factories in TSIP, the National Science Council constructed a full-scale pile foundation in TSIP and conducted a series of vibration simulation tests. Among them, the single pile vibration test will be investigated in this report.
The single pile vibration test includes the forced vibration test by harmonically shaked exciters and the drop-hammer impact test. At first, the test results are deduced in this report, then an axisymmetric finite element method by using the computer program ABAQUS is used to simulate the vertical forced vibration test and the drop-hammer impact test of single pile. Results obtained from ABAQUS are then compared with the test results.
The results of test are divided into three sections. Firstly, the results of forced vibration test are expressed in terms of the RMS velocity; the decay coefficient of ground vibration and the dynamic response functions are deduced. Secondly, the results of drop-hammer impact test are expressed in terms of the 1/3-octave frequency spectra and the decay coefficient of ground vibration. Finally, the results of strain gage are attached to the steel bar inside the pile are investigated.
Based on the result of test, it shows that the RMS velocities of ground in the forced vibration test are around 50-80 dB. For horizontal forced vibration test, the displacement dynamic response functions of pile head and nearly ground show significant response when the test frequency is below 10 Hz. As for the vertical force vibration test, the displacement response of pile head decreases with respect to the frequency. The drop-hammer impact test can produce significant ground vibration in the frequency range of 6~50Hz and the ground vibrations generated are around 70-90 dB.
For the simulation of vertical forced vibration test, the responses of pile head obtained are in good agreement with the results of test. For each measuring point on ground, results obtained are similar to the test results only at low frequencies. As for the drop-hammer impact test, the Fourier spectra of ground vibrations can be simulated by the ABAQUS analysis.

誌謝 Ⅰ
摘要 Ⅱ
ABSTRACT Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ
第一章 前言 1
1.1研究背景 1
1.2研究方法與目地 2
1.3研究內容 2
第二章 理論背景與文獻回顧 3
2.1理論背景 3
2.1.1半無限域內應力波傳行為 3
2.1.2地盤振動量衰減關係 4
2.1.3振動量表示法 5
2.1.4速度頻譜值 6
2.2現地試驗結果 6
2.2.1嘉義太保基樁動力試驗 6
2.2.2南科園區地盤振動試驗 7
2.2.3打樁引致地表振動之現地量測 7
第三章 試驗內容 21
3.1試驗場址 21
3.2基樁實體模型 21
3.3試驗配置 21
3.3.1強迫振動試驗 21
3.3.2重錘落擊試驗 22
3.4試驗設備 22
3.5試驗計畫 24
3.5.1強迫振動試驗 24
3.5.2重錘落擊試驗 24
第四章 試驗結果 37
4.1強迫振動試驗 37
4.1.1資料處理流程 37
4.1.2地表振動幅值(dB) 38
4.1.3地盤振動衰減係數(α) 39
4.1.4正規化動態反應函數 40
4.2重錘落擊試驗 42
4.2.1資料處理流程 42
4.2.2速度歷時記錄 43
4.2.3地盤振動之有效頻寬 43
4.2.4地盤振動衰減係數(α) 44
4.3樁身鋼筋計 45
4.3.1資料處理流程 45
4.3.2試驗結果 46
第五章 數值模擬分析 99
5.1分析程式簡介 99
5.2分析模型 99
5.2.1基本假設 99
5.2.2網格建構 99
5.2.3材料參數與土壤阻尼的模擬 100
5.2.4分析模式與施力方式 103
5.3鉛垂向強迫振動試驗之模擬結果 103
5.3.1位移動態反應函數 103
5.3.2地表位移振幅隨距離之關係 105
5.3.3振波傳遞曲線 106
5.3.4頻散曲線 106
5.3.5樁身最大軸力隨深度之關係 107
5.4重錘落擊試驗之模擬結果 108
5.4.1樁頭作用力之模擬 108
5.4.2速度歷時反應 108
5.4.3富氏振幅譜 109
5.4.4 1/3倍頻均方根速度(dB) 109
5.4.5樁身最大軸力隨深度之關係 110
第六章 結論與建議 160
6.1試驗結果 160
6.2數值模擬分析結果 161
6.3建議 162
參考文獻 163
附錄 165

【1】 行政院科技顧問組,”高鐵南科振動問題評估專案報告”,行政院科技顧問組(2001)。
【2】 中鼎公司,”台灣高鐵計畫南科振動影響評估及對策研擬工作之第一階段工作成果報告”,中鼎工程股份有限公司與美國ICE公司報告(1999)。
【3】 林聰悟、陳正興、李洋傑,”高鐵行經南科園區振動研究-高架橋基礎與連續基礎之減振效果評估”,國科會專題研究 (2000)。
【4】 中華顧問工程司,”南科園區橋梁基礎實體模型試驗計畫”,中華顧問工程司(2001)。
【5】 Graff, Karl F., Wave motion in elastic solids, Oxford University Press Inc., pp. 327(1991).
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【7】 Miller, G. F., Pursey, H., “On the Partition of Energy Between Elastic Waves in a Semi-Infinite Solid,” Proc. Royal Society, London, A, Vol. 233, pp. 55~69 (1955).
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【9】 Kramer, S. L., Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice-Hall, Inc. pp. 174~180 (1996).
【10】 陳正興、朱惠君、林憲忠、朱毅倫、王鴻基、蔡祁欽,”南科園區地盤振動試驗與土壤阻尼之評估”,國家地震工程研究中心(2001)。
【11】 何有忠,”高鐵微振動對半導體晶圓廠影響之現址量測與分析研究”,國科會88年度科技行政研究發展報告,pp. 10~14 (1999)。
【12】 交通部高速鐵路工程局,”高鐵橋樑基礎最佳化研究,期末報告附冊C相關專題研究報告,基樁動力試驗報告”,財團法人台灣營建研究院(1997)。
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【16】 Kenji, Ishihara, Soil Behavior in Earthquake Geotechnics, Oxford University Press Inc., pp.73~85 (1996).
【17】 葉昕豪,”台南科學工業園區波傳減振之研究”,碩士論文,國立成功大學,pp. 193~194 (2000)。

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