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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳宗富
研究生(外文):Tzong-Fu Wu
論文名稱:濁水砂靜態與動態力學行為之初步研究
論文名稱(外文):Preliminary Study on Static and Cyclic Behaviors of Tzuo-Swei Sand
指導教授:張睦雄
指導教授(外文):Muhsiung Chang
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:營建工程系碩士班
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:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:196
中文關鍵詞:標準砂動態強度不排水強度排水強度濁水砂
外文關鍵詞:drained strengthTzuo-Swei Sandundrained strengthOttawa Sandcyclic strength
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一九九九年九月二十一日集集地震(ML=7.3)造成台灣嚴重災害,濁水溪沖積平原上即有多處地區發生大規模的土壤液化現象。在濁水溪沖積平原內許多重大經建工程紛紛展開之際,本研究針對濁水砂進行一系列室內試驗,希望藉由其物理與力學性質估計工程參數,以作為日後工程設計施工之參考。

本研究以直接剪力試驗與三軸試驗來評估濁水砂與標準砂之靜態力學性質,且以動力三軸試驗來求其動態強度特性。此外,本研究並探討砂土於液化前與後不排水強度之差異性。研究結果顯示,排水摩擦角一般以三軸試驗略高於直剪試驗之結果達1°∼2°。濁水砂不排水摩擦角低於其排水摩擦角;標準砂則因剪脹效應相對較為嚴重使其不排水強度高於排水強度。就相同緊密度而言,濁水砂之抗液化強度略高於標準砂之抗液化強度。至於液化後之不排水強度而言,濁水砂在小應變(5%)時,其不排水強度恢復約為液化前之20%;在大應變(15%)時則為50%。標準砂在小應變(5%)時,不排水強度恢復為液化前之18%;大應變(15%)時則為93%。
On September 21, 1999, a devastating earthquake with a magnitude ML = 7.3 struck Chi-Chi Town in the mid of Taiwan and resulted in significant damages to the island. Wide-spread liquefaction incidences were observed after the quake on the Tzuo-Swei alluvial plain. In view of several important projects are under construction or to be proposed in the alluvial plain, the study herein aims at the investigation on fundamental and mechanic properties of the alluvial sand, which would become a useful reference for the design and construction of future projects in the area.

Static properties of Tzuo-Swei and Ottawa Sands were evaluated using conventional direct shear and triaxial apparatus, while cyclic properties of the sands were tested by cyclic triaxial equipment. In addition, the undrained strength of sands prior to and after liquefactions was compared. Results showed the drained friction angle of sands by triaxial testing would be slightly higher than the direct shear results by about 1°~2°. The undrained strength was generally lower than the drained strength for Tzuo-Swei Sand, while the trend appeared reversed for Ottawa Sand as due to the dilatancy effect. At the same density, the cyclic strength of Tzuo-Swei Sand was slightly higher than for the Ottawa Sand. For post-liquefaction undrained stress-strain behavior, the recovery of undrained strength for Tzuo-Swei Sand appeared to be slower than for Ottawa Sand, i.e., a 50% recovery of undrained strength at a shear strain of 15% for Tzuo-Swei Sand as compared with 93% recovery for Ottawa Sand.
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
誌謝 IV
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
一、緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究內容 1
1.3 研究方法與流程 1
二、文獻回顧 4
2.1 濁水溪沖積平原概述 4
2.1.1 地形及地質構造 4
2.1.2 水系分佈 7
2.1.3 地下水位 9
2.1.4 斷層分佈 13
2.2 砂土的剪力強度特性 15
2.2.1 飽和砂土受剪之行為 17
2.2.2 砂土剪動之應力-膨脹關係 18
2.2.3 穩定狀態線之定義及推求 20
2.3 液化定義與發生機制 22
2.4 土壤液化潛能影響因素 24
2.5 動力三軸試驗 32
2.5.1 動力三軸試驗原理 32
2.5.2 動力三軸試驗破壞準則 35
三、試驗規劃與方法 37
3.1 試驗內容 37
3.2 試驗土樣 37
3.2.1 標準砂 37
3.2.2 濁水砂 37
3.3 儀器設備、試驗方法與試驗準備 38
3.3.1 SEM試驗 38
3.3.2 XRD試驗 39
3.3.3 相對密度試驗 40
3.3.4 直接剪力試驗 41
3.3.5 靜力三軸試驗 42
3.3.6 動力三軸試驗 44
3.3.6.1 試驗設備 44
3.3.6.2 儀器率定 48
3.3.6.3 試驗步驟 50
四、試驗結果分析與討論 51
4.1 基本物理性質 51
4.1.1 粒徑分佈與緊密度 51
4.1.2 礦物成分與表面結構 54
4.2 靜態力學行為 59
4.2.1 直剪壓密排水試驗結果 59
4.2.1.1 剪應力與剪應變行為 59
4.2.1.2 剪脹性 65
4.2.1.3 抗剪強度 68
4.2.1.4 臨界狀態線 76
4.2.2 三軸壓密不排水試驗結果 78
4.2.2.1 軸差應力-軸向應變關係 78
4.2.2.2 孔隙水壓力-軸向應變關係 82
4.2.2.3 有效主應力比-軸向應變關係 86
4.2.2.4 有效應力路徑 90
4.2.2.5 抗剪強度 94
4.2.2.6 臨界狀態線 100
4.2.3 直剪與三軸試驗抗剪強度比較 101
4.3 動態力學行為 102
4.3.1 抗液化強度 103
4.3.2 剪力模數 108
4.3.3 液化後不排水強度 111
五、結論與建議 115
5.1 結論 115
5.2 建議 117
參考文獻 118
附錄一、直剪試驗數據表 124
附錄二、直剪試驗結果 149
附錄三、三軸試驗結果 160
附錄四、動力三軸試驗結果 169


表目錄
表2-1 濁水溪沖積平原地層名稱(楊萬全1989) 5
表4-1 濁水砂與標準砂基本物性表 52
表4-2 標準砂與濁水砂組成成分比例 54
表4-3 相對密度與土壤緊密度(Lambe和Whitman 1979) 59
表4-4 Dr=30%濁水砂相關剪力強度 70
表4-5 Dr=50%濁水砂相關剪力強度 71
表4-6 Dr=80%濁水砂相關剪力強度 72
表4-7 Dr=30%標準砂相關剪力強度 73
表4-8 Dr=50%標準砂相關剪力強度 74
表4-9 Dr=80%標準砂相關剪力強度 75
表4-10 濁水砂與標準砂抗剪強度之比較 76
表4-11 濁水砂與標準砂壓密排水之臨界孔隙比 77
表4-12 濁水砂壓密不排水試驗破壞時之應力狀態 96
表4-13 標準砂壓密不排水試驗破壞時之應力狀態 96
表4-14 濁水砂與標準砂壓密不排水之臨界圍束壓力 101
表4-15 直剪試驗與三軸試驗排水強度之比較 102
表4-16 液化強度試驗結果 107

圖目錄
圖1-1 研究流程圖 3
圖2-1 (a)濁水溪北側地質岩心鑽孔地層對比圖(黃奇瑜1996) 5
圖2-1 (b)濁水溪南側地質岩心鑽孔地層對比圖(黃奇瑜1996) 6
圖2-2 濁水溪沖積扇沈積物分佈圖(黃奇瑜1996) 6
圖2-4 現今濁水溪沖積平原河系圖(張瑞津1985) 9
圖2-5 濁水溪河道變遷圖(張瑞津1985) 9
圖2-6 水文地質剖面圖(中央地調所1995) 10
圖2-7 水文剖面地質圖(中央地調所1995) 11
圖2-8 鑽探報告地下水位記錄所繪製之地下水位等高線圖 11
圖2-9 田中(一)近六年地下水深度變化圖 12
圖2-10 台西分層地下水位變化(賈儀平1996) 12
圖2-11 台灣活動地層分佈圖(中央地調所) 14
圖2-12 濁水溪沖積平原斷層分佈圖(修改自中央地調所) 14
圖2-13 台灣西部斷層形成之過程 14
圖2-14 剪應力與應變曲線 15
圖2-15 顆粒土壤強度來源 15
圖2-16 砂土受剪之工程性質(改自Cornforth 1961) 16
圖2-17 砂土受剪之應力-膨脹關係(游叡研 1999) 19
圖2-18 穩定狀態線(Been等人 1991) 21
圖2-19 收縮性砂土不排水試驗結果(Poulos等人 1985) 21
圖2-19 收縮性砂土不排水試驗結果(Poulos等人 1985) 22
圖2-20 穩定狀態線求取示意圖( Poulos等人 1985) 22
圖2-21 相對密度與引致土壤液化反覆應力比之關係(Seed 1979) 25
圖2-22 前期應變與引致土壤液化反覆應力比之關係圖 (Seed et al. 1977) 28
圖2-23 過壓密比與引致土壤液化反覆應力比之關係(Seed 1979) 29
圖2-24 試體準備方法與引致土壤液化反覆應力比之關係 (Mulilis et al. 1975) 30
圖2-25 土體受地震反覆剪應力作用時之應力狀態(Seed 1979) 33
圖2-26 反覆動力三軸試驗土體之理想應力狀態 (修改自Seed & Lee 1966) 34
圖2-27 反覆動力三軸試驗土體之一般應力狀態 (修改自Seed & Lee 1966) 34
圖3-1 鍍金之土壤顆粒樣本 38
圖3-2 鍍金系統 38
圖3-3 鍍金試體置入SEM試驗儀 39
圖3-4 SEM試驗儀 39
圖3-5 濁水砂試體 40
圖3-6 試體置於XRD試驗儀平台 40
圖3-7 XRD試驗儀 40
圖3-8 相對密度試驗儀 41
圖3-9 直接剪力儀器設備 41
圖3-10 直接剪力儀器設備系統組合示意圖 42
圖3-11 CKC動力三軸試驗系統組合示意圖 46
圖4-1 濁水砂與標準砂(ASTM C-778)粒徑分佈曲線 52
圖4-2 濁水砂細粒料(≦ #200篩)粒徑分佈曲線 53
圖4-3 各種標準砂之粒徑分佈曲線 53
圖4-4 濁水砂之波峰強度與繞射角曲線 55
圖4-5 標準砂之波峰強度與繞射角曲線 55
圖4-6 濁水砂之電子顯微鏡影像(×100倍) 56
圖4-7 濁水砂之電子顯微鏡影像(×150倍) 56
圖4-8 濁水砂之光學顯微鏡(reflected light)影像 57
圖4-9 標準砂之電子顯微鏡影像(×150倍) 57
圖4-10 標準砂之電子顯微鏡影像(×50倍) 58
圖4-11 標準砂之光學顯微鏡(polarized light)影像 58
圖4-12 σ3m'' = 46.9KPa濁水砂剪應力與剪變位關係圖(未修正面積) 61
圖4-13 σ3m'' = 46.9KPa濁水砂剪應力與剪變位關係圖(修正面積) 62
圖4-14 σ3m'' = 46.9Kpa標準砂剪應力與剪變位關係圖(未修正面積) 62
圖4-15 σ3m'' = 46.9Kpa標準砂剪應力與剪變位關係圖(修正面積) 63
圖4-16 Dr=30%濁水砂剪應力與剪變位關係圖 63
圖4-17 Dr=30%濁水砂正規化剪應力比與剪變位關係圖 64
圖4-18 Dr=30%標準砂剪應力與剪變位關係圖 64
圖4-19 Dr=30%標準砂正規化剪應力比與剪變位關係圖 65
圖4-20 σ3m'' = 46.9KPa濁水砂垂直變位與剪變位關係圖 66
圖4-21 σ3m'' = 46.9KPa標準砂垂直變位與剪變位關係圖 67
圖4-22 Dr=30%濁水砂垂直變位與剪變位關係圖 67
圖4-23 Dr=30%標準砂垂直變位與剪變位關係圖 68
圖4-24 Dr=30%濁水砂剪應力與正向應力關係圖 70
圖4-25 Dr=50%濁水砂剪應力與正向應力關係圖 71
圖4-26 Dr=80%濁水砂剪應力與正向應力關係圖 72
圖4-27 Dr=30%標準砂剪應力與正向應力關係圖 73
圖4-28 Dr=50%標準砂剪應力與正向應力關係圖 74
圖4-29 Dr=80%標準砂剪應力與正向應力關係圖 75
圖4-30 濁水砂與標準砂直剪壓密排水試驗之臨界狀態線 77
圖4-31 σ3 = 50KPa濁水砂軸差應力與軸向應變關係圖 79
圖4-32 σ3 = 50KPa標準砂軸差應力與軸向應變關係圖 80
圖4-33 Dr = 30%濁水砂軸差應力與軸向應變關係圖 80
圖4-34 Dr = 30%標準砂軸差應力與軸向應變關係圖 81
圖4-35 Dr = 50%濁水砂軸差應力與軸向應變關係圖 81
圖4-36 Dr = 50%標準砂軸差應力與軸向應變關係圖 82
圖4-37 σ3 = 50KPa濁水砂孔隙水壓力與軸向應變關係圖 83
圖4-38 σ3 = 50KPa標準砂孔隙水壓力與軸向應變關係圖 84
圖4-39 Dr = 30%濁水砂孔隙水壓力與軸向應變關係圖 84
圖4-40 Dr = 30%標準砂孔隙水壓力與軸向應變關係圖 85
圖4-41 Dr = 50%濁水砂孔隙水壓力與軸向應變關係圖 85
圖4-42 Dr = 50%標準砂孔隙水壓力與軸向應變關係圖 86
圖4-43 σ3 = 50KPa濁水砂有效主應力比與軸向應變關係圖 87
圖4-44 σ3 = 50KPa標準砂有效主應力比與軸向應變關係圖 88
圖4-45 Dr = 30%濁水砂有效主應力比與軸向應變關係圖 88
圖4-46 Dr = 30%標準砂有效主應力比與軸向應變關係圖 89
圖4-47 Dr = 50%濁水砂有效主應力比與軸向應變關係圖 89
圖4-48 Dr = 50%標準砂有效主應力比與軸向應變關係圖 90
圖4-49 σ3 = 50KPa濁水砂有效應力路徑 91
圖4-50 σ3 = 50KPa標準砂有效應力路徑 92
圖4-51 Dr=30%濁水砂有效應力路徑 92
圖4-52 Dr=30%標準砂有效應力路徑 93
圖4-53 Dr=50%濁水砂有效應力路徑 93
圖4-54 Dr=50%標準砂有效應力路徑 94
圖4-55 濁水砂不排水強度Kf線 95
圖4-56 標準砂不排水強度Kf線 97
圖4-57 濁水砂排水強度Kf線 97
圖4-58 標準砂排水強度Kf線 98
圖4-59 Dr=30%濁水砂之Kf線 98
圖4-60 Dr=30%標準砂之Kf線 99
圖4-61 Dr=50%濁水砂之Kf線 99
圖4-62 Dr=50%標準砂之Kf線 100
圖4-63 濁水砂與標準砂三軸壓密不排水試驗之臨界狀態線 102
圖4-64 濁水砂反覆軸差應力與反覆作用次數之關係(CSR=0.25) 104
圖4-65 濁水砂軸向應變與反覆作用次數之關係(CSR=0.25) 104
圖4-66 濁水砂有效應力與反覆作用次數之關係(CSR=0.25) 105
圖4-67 濁水砂反覆軸差應力與軸向應變之關係(CSR=0.25) 105
圖4-68 濁水砂有效應力路徑(CSR=0.25) 106
圖4-69 Dr=30%濁水砂與標準砂之液化強度曲線 107
圖4-70 土壤在不同應變下之剪應力-剪應變遲滯圈 (改自Seed & Idriss 1970) 108
圖4-71 濁水砂正規化剪力模數與剪應變振幅之關係曲線 110
圖4-72 標準砂正規化剪力模數與剪應變振幅之關係曲線 110
圖4-73 砂土液化後軸差應力與軸向應變關係圖 112
圖4-74 砂土液化後孔隙水壓力與軸向應變關係圖 112
圖4-75 砂土液化後側向有效應力與軸向應變關係圖 113
圖4-76 濁水砂液化前後軸差應力與軸向應變關係圖 114
圖4-77 標準砂液化前後軸差應力與軸向應變關係圖 114
參考文獻
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