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研究生:許振崑
研究生(外文):Chen-Kuang Hsu
論文名稱:傾斜兩層地盤剪力破壞承載行為之數值模擬
論文名稱(外文):Numerical simulation of shear failure-controlled bearing behavior of an inclined two-layer ground
指導教授:葛德治葛德治引用關係
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:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:162
中文關鍵詞:類神經網路分析FLAC程式極限承載力承載行為傾斜兩層地盤
外文關鍵詞:inclined two-layer groundbearing behaviorultimate bearing capacityFLACneural networks analysis
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台灣現地地盤完全呈均質厚層分佈者並不多見,大多以互層形式存在或夾有其他多種弱面,而由於褶皺作用,這些層狀構造之傾態並非完全水平;因此這類地盤之力學行為和均質完整地盤者將會有所差別,其承載擾動區也不再如 Terzaghi 者所假設對稱發展之 I、II、III 區。本文主要目的乃利用數值分析來探討剛性條形基礎座落於傾斜兩層地盤上之承載行為,並且以類神經網路來建立其極限承載力預估公式。
本研究主要數值分析工具為有限差分連續分析軟體 - FLAC程式,互層地盤暫定為兩層且皆為莫爾庫倫材料,而依其上下單層時地盤極限承載力可將該互層地盤分為強層下覆弱層及弱層下覆強層兩種型態,此兩型態具有相異之承載行為及破壞機制。探討因子為基礎加載邊界至互層界面露頭距離 (D) 與基礎寬度 (B) 之比值 (r)、互層之傾角 (b)、上下二層之凝聚力 (c1, c2) 及其摩擦角 (f1, f2) (採用19種強度組),總計約8000種組合並以FLAC 程式進行承載模擬。基礎加載方式是以應變控制,由分析所得荷重-沉陷曲線可定義出極限承載力 (qu),而承載擾動範圍可以其位移向量圖來決定。此外,利用上述 FLAC 模擬所得結果,進行倒傳遞類神經網路承載力分析,其中考慮純摩擦性、純凝聚性、複合型三種兩層互層類別,進而探討各因子之影響性及初步建立極限承載力預估公式。
分析結果顯示,強層下覆弱層其極限承載力會隨 (r) 及 (b) 之增加而增加,最終趨近上層強層之極限承載力,因為其承載擾動區逐漸脫離其下覆軟弱層頂部;而弱層下覆強層其極限承載力並不會因 (r) 及 (b) 的改變而有太大的變化,大部分皆趨近上層弱層之極限承載力,主因承載擾動區大部份皆侷限於此層。而 (c1, c2) 及 (f1, f2) 亦對地層之極限承載力有不同之影響。至於類神經網路分析,乃以測試預估值偏差量小於 10% 條件下來建立兩層地盤極限承載力之預估公式;此外於其線性分析模式中,可初步定出各種兩層型式下之最大與次要影響因子,例如:摩擦性兩層地盤於弱層下覆強層時,f1為主要控制因子,b 為其次要影響因子。
In-situ rock mass in Taiwan is seldom present in a form of homogeneous medium, but mostly inter-layered or composed of various weak planes; due to tectonic folding, such geological structures are always inclined. The rock mass associated with these features definitely yields a mechanical behavior totally different from that of a homogeneous, intact mass. Especially when subjected to surface loading, the bearing disturbance regions developed within it may not resemble the symmetrical zones I, I, III as ideally proposed by Terzaghi. The main objective of this thesis is to numerically study the bearing mechanism of a rigid strip foundation of width (B) sitting on an inclined two-layer ground, and to establish the corresponding prediction model of ultimate bearing capacity by use of the neural networks analysis.
The main analysis tool of this research is a finite-difference program for continua, FLAC. The inter-layered mass is restrained to a ground of two formations, both modeled as Mohr-Coulomb''s media; according to the ultimate bearing capacities of upper and lower formations as one individual homogeneous mass, the inter-layered mass is classified as SW (strong layer overlying weak one) and WS (the contrast) types, which possess distinct bearing behaviors. The influence factors examined were the ratio of the distance between footing corner and bedding outcrop to footing width (r), structure inclination (b), the shear strengths (c1, c2, f1, f2) of two layers (19 strength sets adopted). In total, about 8000 cases were numerically simulated by FLAC. The foundation loading mode is strain-controlled, and the ultimate bearing capacity (qu) is determined from the loading versus settlement curve and the disturbed zone beneath the foundation is localized according to the displacement vector plots. Besides, the neural networks analysis with backward propagation algorithm (NNAB) was used to develop a ultimate bearing capacity formulas for such a ground system, with three catalogs considered: both frictional layers, both cohesive ones, and composite one.
The simulation results show that: 1) for a SW case, qu increases with both r and b, with a trend approaching to the qu of a pure S mass; 2) for a WS case, qu does not vary a lot with r and b, and its value is very close to the qu of a pure W mass; 3) both (f,c) values of two formations affect qu to some certain extent. The NNAB established a fair predictive model of qu for an inclined two-layer mass, with a prediction error less than 10%. In its linear model, the most influential factor for each situation was also identified, and for instance, such a factor is f1 and the second one is b for a two-layered frictional WS system.
中文摘要………………………………………………………………………….. I
英文摘要………………………………………………………………………….. III
誌謝……………………………………………………………………………….. V
目錄……………………………………………………………………………….. VI
表目錄…………………………………………………………………………….. XI
圖目錄…………………………………………………………………………….. XIV
符號表…………………………………………………………………………….. 66
第一章 緒 論…………………………………………………………………… 1
1.1 研究背景………………………………………………………………… 1
1.2 研究動機與目的………………………………………………………… 1
1.3 研究方法…………………………………………………………………. 2
1.4 論文內容及格式架構…………………………………………………… 3
第二章 文獻回顧……………………………………………………………….. 6
2.1 地盤承載行為之研究方法……………………………………………… 7
2.1.1 實驗推估法………………………………………………………….. 7
2.1.2 理論解析法………………………………………………………….. 8
2.1.3 數值分析法………………………………………………………….. 9
2.2 土壤基礎承載理論……………………………………………………… 9
2.2.1 淺基礎破壞模式…………………………………………………….. 9
2.2.2 Prandtl (1920) 極限承載力理論…………………………………… 11
2.2.3 Terzaghi (1943) 極限承載理論…………………………………… 12
2.2.4 Meyerhof (1951) 極限承載力理論………………………………… 13
2.2.5 Hansen(1952)承載理論……………………………………………... 15
2.3 水平層狀地盤基礎承載理論…………………………………………… 16
2.3.1 Terzaghi & Peck (1948) 之層狀地層承載理論…………………… 17
2.3.2 Siva Reddy & Srinivasan (1967) 雙層黏性土壤承載力………….. 17
2.3.3 Meyerhof (1974) 極限平衡法……………………………………… 21
2.3.4 Satyanarayana & Garg (1980) 經驗式……………………………... 26
2.3.5 Myslivec & Kysela (1978) 經驗式………………………………… 27
2.3.6 Bowels ( 1988 ) 基礎分析與設計………………………………….. 29
2.4 地下水對承載力之貢獻………………………………………………… 29
2.4.1 Bowels ( 1988 ) 單位重之折減公式……………………………….. 30
2.4.2 ASCE ( 1993 ) 有效應力校正……………………………………… 31
2.4.3 Das ( 1985 )地下水承載力公式修正……………………………… 32
2.4.4 孔隙水壓評估法…………………………………………………….. 33
2.5 小結………………………………………………………………………. 35
第三章 研究分析方法………………………………………………………….. 36
3.1 FLAC程式介紹………………………………………………………….. 36
3.1.1 FLAC之運算流程…………………………………………………... 36
3.1.2 組合律模式………………………………………………………….. 37
3.1.3 FLAC之基本術語定義及指令說明……………………………….. 38
3.1.4 FLAC用於模擬基礎承載之分析步驟…………………………….. 39
3.2 極限承載力及擾動範圍之定義………………………………………… 40
3.2.1 極限承載力之定義…………………………………………………. 40
3.2.2 擾動範圍之定義……………………………………………………. 41
3.3 均質地盤承載分析及比較 ……………………………………………... 43
3.3.1 參數選擇與驗證…………………………………………………….. 43
3.3.2 分析結果與比較……………………………………………………. 45
3.4 小結………………………………………………………………………. 48
第四章 數值模擬之前置作業…………………………………………………. 49
4.1 前置作業之基本模型…………………………………………………... 49
4.1.1 基礎底面網格數與網格疏密之研究……………………………… 49
4.1.2 基礎寬度之探討……………………………………………………. 52
4.1.3 應變加載速率與時階數之探討……………………………………. 55
4.1.4 基版底面光滑與粗糙之探討………………………………………. 60
4.2 材料參數之影響………………………………………………………… 61
4.2.1 楊氏模數…………………………………………………………….. 62
4.2.2 泊松比……………………………………………………….………. 64
4.2.3 張力強度……………………………………………………….…….. 66
4.3 邊界效應之探討……………………………………………….………… 68
4.4 地下水於承載行為之影響……………………………………………… 72
4.4.1 地下水條件之加入………………………………………………… 72
4.4.2 均層地下水位變化分析與討論…………………………………… 74
4.4.3 數值解與理論解預測分析與討論………………………………… 76
4.5 小結……………………………………………………………………… 79
第五章 傾斜兩層地盤剪力破壞承載行為之探討…………………………… 80
5.1 參數選用及分析流程……………………………………………………. 80
5.1.1 參數選用…………………………………………………………….. 80
5.1.2 分析流程…………………………………………………………….. 81
5.2 研究類型…………………………………………………………………. 82
5.3 基本典型例……………………………………………………………… 82
5.3.1 純摩擦性傾斜兩層地盤……………………………………………. 82
5.3.1.1 上強下弱地盤 (SW)…………………………………………… 82
5.3.1.1.1 極限承載力分析結果……………………………………… 82
5.3.1.1.2 擾動範圍的變化…………………………………………… 85
5.3.1.2 上弱下強地盤 (WS)…………………………………………… 87
5.3.1.2.1 極限承載力分析結果……………………………………… 87
5.3.1.2.2 擾動範圍的變化…………………………………………… 90
5.3.2 純凝聚性傾斜兩層地盤…………………………………………… 92
5.3.2.1 上強下弱地盤 (SW)…………………………………………… 92
5.3.2.1.1 極限承載力分析結果……………………………………… 92
5.3.2.1.2 擾動範圍的變化…………………………………………… 95
5.3.2.2 上弱下強地盤 (WS)…………………………………………… 98
5.3.2.2.1 極限承載力分析結果……………………………………… 98
5.3.2.2.2 擾動範圍的變化…………………………………………… 100
5.3.3 複合型傾斜兩層地盤………………………………………………. 102
5.3.3.1 上強下弱地盤 (SW)…………………………………………… 102
5.3.3.1.1 極限承載力分析結果……………………………………… 102
5.3.3.1.2 擾動範圍的變化…………………………………………… 103
5.3.3.2 上弱下強地盤 (WS)…………………………………………… 106
5.3.3.2.1 極限承載力分析結果……………………………………… 106
5.3.3.2.2 擾動範圍的變化…………………………………………… 108
5.4 特殊探討例………………………………………………………………. 112
5.4.1 材料破壞 (降伏) 準則……………………………………………... 112
5.4.2 案例探討說明……………………………………………………….. 113
5.4.2.1 上強下弱地盤 (SW)…………………………………………… 113
5.4.2.2 上弱下強地盤 (WS)…………………………………………… 115
5.5 小結……………………………………………………………………… 117
第六章 傾斜兩層地盤承載力之評估公式……………………………………. 118
6.1 類神經網路簡介………………………………………………………… 118
6.1.1 類神經網路於大地工程之應用……………………………………. 119
6.1.2 倒傳遞類神經網路………………………………………………….. 119
6.1.3 網路基本架構………………………………………………………. 120
6.1.4 分析流程及使用參數範圍………………………………………….. 121
6.2 極限承載力預估公式與檢核……………………………………………. 125
6.2.1 純摩擦性傾斜兩層地盤之預估公式與檢核……………………… 125
6.2.1.1 上強下弱地盤 (SW) ………………………………………….. 125
6.2.1.2 上弱下強地盤 (WS) ………………………………………… 128
6.2.2 凝聚性傾斜兩層地盤之預估公式與檢核…………………………. 129
6.2.2.1 上強下弱地盤 (SW) ………………………………………….. 129
6.2.2.2 上弱下強地盤 (WS) …………………………………………... 131
6.2.3 複合型傾斜兩層地盤之預估公式與檢核…………………………. 132
6.2.3.1 上強下弱地盤 (SW) ………………………………………….. 132
6.2.3.2 上弱下強地盤 (WS) …………………………………………... 134
6.3 小結………………………………………………………………………. 136
第七章 結論與建議…………………………………………………………….. 138
7.1 結論………………………………………………………………………. 138
7.2 建議………………………………………………………………………. 139
參考文獻………………………………………………………………………….. 140
附錄一…………………………………………………………………………….. A-1
附錄二…………………………………………………………………………….. A-11
附錄三…………………………………………………………………………….. A-23
參 考 文 獻

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