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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張建邦
研究生(外文):Chien-Pang Chang
論文名稱:以數值方法模擬動力夯實之研究
論文名稱(外文):A Study on Simulation of Dynamic Compaction Using Numerical Method
指導教授:馮道偉馮道偉引用關係
指導教授(外文):T.W.Feng
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:土木工程研究所
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:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:109
中文關鍵詞:動力夯實
外文關鍵詞:dynamic compaction
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摘要

動力夯實係以夯錘夯擊地表,夯擊地表面時產生之衝擊能量藉由應力波)傳遞至地盤中,促使在應力區內之土壤顆粒重新排列且趨於緊密,進而改善土層之工程性質、降低砂土液化之機率。
隨著電腦軟硬體科技不斷之提升,運用數值方法分析工程問題越來越受到重視。本研究以數值方法模擬動力夯實,並與前人之研究結果相互比較,旨在探討夯擊引致之土壤振動及錘底形狀對改良效果之影響。
模擬分析結果顯示,使用錐尖角90度夯錘引起之地盤表面振動較平底夯錘小,此表示傳入地盤之夯擊能量應較高,故對土壤改良效益應較佳。就所模擬之一次夯擊地盤而言,錐尖角90度夯錘夯擊產生之應力其影響範圍較平底夯錘大;夯擊後地盤淺層之側向應力均較鉛直方向應力大。就產生之陷坑體積而言,不同之錘底型式造成陷坑之大小約略相同。為避免應力波之作用重疊,相鄰夯擊點應有較大之間距,模擬結果顯示夯擊點間距36 cm(約4.5倍夯錘直徑)較18 cm(約2.3倍夯錘直徑)佳。比較數值模擬與現地試驗之最大振動加速度量测值,夯擊中心點水平距離10 m處均約為1 g,差異不大。
Abstract

A pounder impacting ground surface causes stress waves that make sand particles rearrange and improve density to modify engineering properties and decrease liquefaction probability.
This study uses numerical method to simulate the dynamic compaction. The objectives include discussing ground vibration caused by dynamic compaction and comparing the efficiency of modification with different types of pounder base.
The results of analysis indicate that the modification by conical-bottom pounder with 90o apex angle is better than flat bottom pounder. For the simulation of impact once, the influence range of stress caused by the conical-bottom pounder is wider than the flat bottom pounder. After impact, the value of Ko is greater than 1 in shallow soil layer. The results show that the volume of crater is almost the same, irrespective of the type of pounder. The spacing of impaction point with 36 cm get better modification than 18 cm. Comparing the simulation value with the measured field value, the maximum amplitude of accelerations at ground surface 10 m from the impact point are both about 1 g.
目 錄

中文摘要………………………………………………………………..Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………..Ⅱ
誌謝……………………………………………………………………..Ⅲ
目錄……………………………………………………………………..Ⅳ
表目錄………………………………………………………………...IX
照片目錄………………………………………………………………X
圖目錄………………………………………………………………..XI
符號說明……………………………………………………………..XVI
第一章 緒論
1.1 前言……………………………………………………………...1
1.2 研究動機與目的………………………………………………...2
1.3 研究方法………………………………………………………...3
1.4 論文架構………………………………………………………...3
第二章 文獻回顧
2.1 動力夯實工法說明……………………………………………...7
2.1.1起源…………………………………….................................7
2.1.2原理………………………………………………………….7

2.2 動力夯實工法之施工規劃與設計……………………………...8
2.2.1 施工規劃…………………………………………………....8
2.2.2 施工設計……………………………………………………8
2.3 動力夯實工法各項夯擊參數之選定…………………………...9
2.3.1 夯擊底面積與夯實效果之關係……………………………9
2.3.2 夯擊尺寸之選定……………………………………………9
2.3.3 夯錘重量與落距的關係…………………………………..10
2.3.4 夯擊能量與有效改良深度………………………………..10
2.3.5 平均夯擊能量..……………………………………………11
2.3.6 最大地動速度(PGV)與最大地動加速度(PGA)隨距離之衰減……………………………………………………..11
2.3.7 夯擊次數…………………………………………………..11
2.3.8 夯擊點間距………………………………………………..12
2.3.9 夯擊階段數………………………………………………..12
2.3.10 各階段靜置時間…………………………………………13
2.4 有限元素法之簡介………………………………………….....14
2.4.1 起源………………………………………………………..14
2.4.2 原理………………………………………………………..14
2.4.3 顯式積分法與隱式積分法之概述………………………..15
2.5 數值方法應用於撞擊模擬分析……………………….............16
第三章 LS-DYNA之基本理論與功能
3.1 發展概況……………………………….....................................26
3.2 分析能力.…………………….…………………………….….27
3.3 原理…………………………………………………………….28
3.3.1 狀態方程(Equation of State)………………......................28
3.3.2 元素列式(Element Formulation)………………….….......29
3.3.3 接觸類型(Contact Type)…………….……………………29
3.3.4 元素列初始條件、荷載與束制……………………………29
3.3.5 自適應網格劃分(Adaptive Meshing)……………………30
3.3.6 ALE列式與Euler列式……..………………….…….......30
3.3.7 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)算法……….....31
3.3.8 邊界元素法(Boundary Element Method)…………….....32
3.3.9 熱分析(Heat Analysis)…………………………….….....32
3.3.10 不可壓縮流分析(Uncompress Fluid Analysis)…..........32
3.4 前後處理功能……………..…………………………………...33
3.5 本研究使用LS-DYNA之程序…………………………..…….33
第四章 模擬分析流程
4.1 有限元素模型之建立………………………………………….36
4.1.1 建立模型幾何形狀………………………………………..36
4.1.2 網格之劃分………………………………………………..37
4.2 材料模式之選擇……………………………………………….37
4.3 元素類型之選擇……………………………………………….38
4.3.1 控制方程式………………………………………………..38
4.3.2 固體元素(Solid Element)統御方程式之解……………...42
4.3.3體積分(Volume Intergration)……………………………...43
4.4 接觸形式之設定……………………………………………….44
4.5 邊界條件與初始條件………………………………………….45
4.5.1 邊界條件(Boundary Conditions)………………………....45
4.5.2 初始條件(Initial Conditions)……………..........................46
第五章 模擬分析結果與討論
5.1 夯擊引起之振動加速度最大振幅值………………………….56
5.1.1 Z方向加速度最大振幅値隨深度之衰減……….………56
5.1.2 地表振動加速度最大振幅値隨距離之衰減……………57
5.2 夯擊過程之應力……….………………………………………57
5.3 夯擊後之陷坑體積…………………………………………….58
5.4 夯擊點間距之影響…………………………………………….59
5.5 最大地表振動加速度(PGA)隨距離之衰減………………….59
第六章 結論與建議
6.1 結論………………………………………………………….....85
6.2 未來研究方向與建議……………………………….................86
參考文獻………………………………………………………..………87




















表目錄

表3.1 各種常用之接觸類型……...……………………………………35
表4.1 土壤參數之設定(單位: M,Kg,Sec,N)……...………………...47
表4.2 數值模擬之安排…...……………………………………………48
表5.1 夯擊一次後地盤產生之陷坑體積...............................................61














照片目錄

照片1.1 試驗用之夯錘……………………………………………...…………..4
照片1.2 現地試驗用之平底夯錘……………………………………........…...4
照片1.3 現地試驗用之90度錐底夯錘...…………………………………….5
照片1.4 試驗用之夯錘…………………………………………………….…….5

















圖目錄

圖1.1 研究流程圖……………………………………………………….6
圖2.1 動力夯實工法能量波之傳遞及顆粒重組狀況圖……...………18
圖2.2 固定夯錘重量夯擊試體三軸試驗之結果圖………...……...….19
圖2.3 固定落距夯擊試體三軸試驗之結果圖………….…………......19
圖2.4 夯錘重量、落距及底面積之關係圖…………………………….20
圖2.5 單擊能量與有效改良深度之關係圖………..……..…………...20
圖2.6 連續夯擊九次所得鉛直向PGV與PGA隨距離衰減關係.........21
圖2.7 貫入-隆起試驗之示意圖…………………………………....….22
圖2.8 淨有效體積變化量之計算分析圖……………….………..……23
圖2.9 模擬撞擊試驗之飛機機身……………………………………24
圖2.10 加速度量测點示意圖………………………….…………….24
圖2.11 節點2之加速度比較圖…………….………………………….25
圖2.12 有效應變等之等值線圖………..………...……………………25
圖4.1 LS-DYNA模擬分析步驟……….……..………………...……..49
圖4.2 平底圓柱夯錘模型網格之劃分(側視圖)...................................49
圖4.3 錐尖角90度夯錘模型網格之劃分(側視圖)……………...…50
圖4.4 平底夯錘網格之劃分(側視圖)………………………...............50

圖4.5 地盤模型網格之劃分…………………………………………...51
圖4.6 以雙曲線近似莫爾-庫倫降伏函數………………………….....51
圖4.7 物體位移圖……………………….………………………...…...52
圖4.8 八節點之六面體Solid元素……………………….…………....52
圖4.9 地盤模型底部固定情形………………………….......................53
圖4.10 地盤模型垂直邊界固定情形……………….............................53
圖4.11 地盤模型加重力前Z方向之應力…………….........................54
圖4.12 地盤模型施加重力後Z方向之應力………….........................54
圖4.13 地盤施加重力後σh與σv…………………….….....................55
圖4.14 模擬夯錘撞擊土壤示意圖…………………………………….55
圖5.1 標準砂於夯擊中心點不同深度鉛直方向加速度歷時(平底夯錘,落距60cm,數值模擬)…………………………….............62
圖5.2 標準砂於夯擊中心點不同深度側向加速度歷時(平底夯錘,落
距60 cm,數值模擬)…………………………………………..62
圖5.3 標準砂於夯擊中心點不同深度鉛直方向加速度歷時(錐尖角
90度夯錘,落距60cm,Simulation)………………….................63
圖5.4 標準砂於夯擊中心點不同深度側向加速度歷時(錐尖角
90度夯錘,落距60cm,數值模擬)………………….................63
圖5.5 麥寮砂於夯擊中心點不同深度鉛直方向加速度歷時(平底夯
錘,落距60cm,數值模擬)…………………….......................64
圖5.6 麥寮砂於夯擊中心點不同深度側向加速度歷時(平底夯錘,
落距60 cm,數值模擬)………………………………………..64
圖5.7 麥寮砂於夯擊中心點不同深度鉛直方向加速度歷時(錐尖角
90度夯錘,落距60cm,數值模擬)…………………...............65
圖5.8 麥寮砂於夯擊中心點不同深度側向加速度歷時(錐尖角90度夯錘,落距60 cm,數值模擬)……………………………..65
圖5.9 室內試驗與數值模擬加速度歷時比較圖……………………...66
圖5.10 標準砂鉛直方向振動加速度最大振幅值對距夯擊點深度關係
(數值模擬)………………………………………………..…...66
圖5.11 麥寮砂鉛直方向振動加速度最大振幅值對距夯擊點深度關係
(數值模擬)………………………………………………..…...67
圖5.12 標準砂鉛直方向振動加速度最大振幅值數值模擬與室內試驗
比較(落距60cm)……….….………………………………....67
圖5.13 麥寮砂鉛直方向振動加速度最大振幅值數值模擬與室內試驗
比較(落距60cm)………………………..……..…………….68
圖 5.14 標準砂地表振動加速度最大振幅值對距夯擊點距離關係
(數值模擬)............................................................................68
圖 5.15 麥寮砂地表振動加速度最大振幅值對距夯擊點距離關係
(數值模擬)............................................................................69
圖 5.16 標準砂地表振動加速度最大振幅值數值模擬與室內試驗比
較(落距60cm)..….…………………...…………….………...69
圖5.17 麥寮砂地表振動加速度最大振幅值數值模擬與室內試驗比較
(落距60cm)……..…..…………………………….………...70
圖5.18 平底夯錘於夯擊過程中側向之最大應力等值線(模擬標準砂
土壤,落距60 cm)…..…..……………………………………..70
圖5.19 錐尖角90度夯錘於夯擊過程中側向之最大應力等值線(模擬
標準砂土壤落距60 cm)…..…..……………………………..71
圖5.20 平底夯錘於夯擊過程中鉛直方向之最大應力等值線(模擬標準砂土壤,落距60 cm)..…..…………………………………..71
圖5.21 錐尖角90度夯於錘夯擊過程中鉛直方向之最大應力等值線
(模擬標準砂土壤,落距60 cm)……………………………..72
圖5.22 夯擊中心點側向之最大應力對深度之關係(模擬標準砂土壤,落距60 cm)………………………………………………72
圖5.23 夯擊中心點鉛直方向之最大應力對深度之關係(模擬標準砂土壤,落距60 cm)……………………………………………73
圖5.24 平底夯錘於夯擊過程中之最大有效應力(模擬標準砂土壤,
落距60 cm,von mises stress)…………………………………73
圖5.25 錐尖角90度夯錘於夯擊過程中之最大有效應力(模擬標準砂
土壤,落距60 cm,von mises stress)…………………………..74
圖5.26 平底夯錘夯擊後之殘留應力(模擬標準砂地盤,落距60 cm,
von mises stress)………………………………………………74
圖5.27 錐尖角90度夯錘夯擊後之殘留應力(落距60 cm,von mises
stress)………………………………………………………….75
圖5.28 夯擊過程中最大von mises應力(模擬標準砂地盤,落距60
cm)…………………………………………………………...75
圖5.29 夯擊後殘留之von mises應力(模擬標準砂地盤,落距60
cm)……………….................................................................76
圖5.30 夯擊後之靜止土壓力係數對深度之關係(模擬標準砂地盤,
落距60 cm)…………................................................................76
圖5.31 地盤之剖面高程變化(模擬標準砂地盤,落距60 cm)............77
圖5.32 地盤之剖面高程變化(模擬標準砂地盤,落距300 cm)..........77
圖5.33 地盤之剖面高程變化(模擬標準砂地盤,落距1000 cm)……78
圖5.34 不同夯擊間距夯擊後之應變(落距60cm,夯擊點間距18
cm)……………………………….……………………………79
圖5.35 不同夯擊間距夯擊後之應變(落距60cm,夯擊點間距36
cm)…………………….………………………………………80
圖5.36 不同夯擊間距夯擊後之應變(落距20m,夯擊點間距5m)….81
圖5.37 不同夯擊間距夯擊後之應變(落距20m,夯擊點間距7.5m)..82
圖5.38 不同夯擊間距夯擊後之應變(落距20m,夯擊點間距10m)...83
圖5.39 地表最大振動加速度衰減數值模擬與現地試驗結果之比較.84
圖5.40 最大振動加速度振幅值隨深度之衰減……………………….84
參考文獻

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