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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李俊穎
研究生(外文):Jun-Ying Lee
論文名稱:太陽能電誘滲透地盤改良之技術研發
論文名稱(外文):The Study of Ground Improvement with Electro-Osmotic Using DC of Solor Energy
指導教授:沈茂松沈茂松引用關係
指導教授(外文):Mau-Song sheen
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:土木工程與防災科技研究所
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:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:137
中文關鍵詞:太陽能電誘滲透地盤改良
外文關鍵詞:solar energyelectro-osmotic methodground improvement in soft soils
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高雄地區地下室擋土開挖工程災變頻傳,甚多為連續壁所處地盤為含水量≧液性限度LL,SPT-N值≦4之包泥地盤導致,為改善連續壁局部包泥情形,本研究構思以太陽能電誘滲透方式固結軟弱黏土、沉泥,並以室內實驗為主,探求其可行性。
本研究以高雄市援中港區魚塭底泥為實驗土壤,其沉泥含水量ω>100%(液性限度LL=65%),分別以1.46m、1.06m、0.88m、0.76m、0.6m、0.5m、0.4m及0.3m的間距將正極的鐵棒、負極的鋁棒置入土中0.7m深,並連接太陽能光電系統,利用離子同性相斥、異性相吸及電價交換原理,使甚軟弱黏土、沉泥產生電誘硬化及電誘壓密等行為進行土壤改良,以探討太陽能電滲透對高含水量沉泥之改良效果。
經含水量ω檢測、十字片剪試驗Su及樣品之掃描式電子顯微鏡(SEM)與元素金相分析(EDS)得知,太陽能電誘滲透確實可壓密固結軟弱黏土、沉泥,並增加其抗剪強度與改變土壤結構,改良後土壤含水量減少29~34%,土壤剪力強度平均增加0.102~0.367kg/cm2,電極棒附近土壤剪力強度明顯提升0.153~0.541kg/cm2,換算SPT-N值由0提升為6~9,土壤孔隙變小、土壤內金屬離子與金屬化合物均明顯增加,顯示太陽能電誘滲透確實能提高土壤抗剪強度並達到壓密硬化等效果。
Plenty of engineering disasters caused by deep excavations have been seen in Kaohsiung. As mud inside trench is not completely cleaned before treming concrete during the construction of diaphragm wall, this is thought to be the main reason to lead such phenomena. In this study, the electro-osmotic method using direct circuit power system of solar energy is applied to stiffen the soil and its efficiency is evaluated.
The soil sample for this study is taken from Yuan- Chung port area in Kaohsiung and water content is greater than its liquid limit. Distance between two iron sticks (positive pole and negative pole) are defined to be 0.3m, 0.4m, 0.5m, 0.6m, 0.76m, 0.88m, 1.06m and 1.46m, respectively. The depth of tip of stick is 70cm below surface level and is connected with solar energy system. Based on theories of exchange of electro-osmotic, the soil is stiffened and consolidated and the purpose of ground improvement can be achieved.
After examined by several laboratory and in-situ tests, such as water content and vane shear as well as SEM and EDS, it is found that the use of electro-osmotic method can consolidate soil and increase shear strength successfully. After applying this method, water content of soil is reduced up to 29- 34% and the shear strength is increased to 0.102-0.367kg/cm2 of initial strength in average. It has significantly influences on shear strength of soil near iron sticks and the shear strength in that is increased to 0.153-0.541kg/cm2 of initial one. It is confirmed this method can increase shear strength of soil and also can consolidate and stiffen soil effectively.
目 錄
中文摘要 - i
英文摘要 - ii
致謝 - iii
目錄 ----------- iv
表目錄 --------- vii
圖目錄 ----- ix
照片目錄 ---------- xii
符號說明 --------------------- xiv
第一章 緒論------------- 1
1.1 研究背景----- 1
1.2 研究目的---------- 2
1.3 研究方法---------- 2
第二章 文獻回顧----------- 4
2.1 電誘滲透發展歷史-------- 4
2.2 電滲透化學機制---- 5
2.2.1 電滲透現象---- 5
2.2.2 電滲透化學反應- 6
2.3 電雙層理論 7
2.3.1 Helmholtz電雙層理論 8
2.3.2 Gouy-Chapman電雙層理----- 8
2.3.3 Stern電雙層理論- 9
2.4 電力滲透理論- 10
2.4.1 電力滲透流量理論 11
2.4.2 電力滲透壓密理論 12
2.5 太陽能光電系統發電機制 13
2.5.1 太陽能電池發電原理 14
2.5.2 太陽能電池特性 15
2.6 太陽能電誘滲透影響因素 15
2.6.1 天候因素等環境之影響 16
2.6.2 負載大小之影響 16
2.6.3 電壓之影響 16
2.6.4 電極材料之影響 16
2.6.5 電極間距影響 16
2.6.6 土壤種類之影響 17
2.6.7 ph值之影響 17
第三章 試驗計畫與儀器配置 18
3.1 試驗材料 18
3.1.1 土樣描述 18
3.1.2 電極棒材質 18
3.2 試驗設備 18
3.2.1 土樣準備 18
3.2.2 模型槽製作 19
3.2.3 太陽能光電系統配置 19
3.2.4 實驗現場配置 22
3.3 改良效果評估試驗與分析 22
3.3.1 含水量試驗 22
3.3.2 十字片剪試驗 23
3.3.3 SEM與EDS 23
3.3.4 抽水量 23
3.3.5 綜合分析 23
第四章 試驗結果與分析 24
4.1 太陽能光電系統效率 24
4.1.1 系統操作 24
4.1.2 太陽能板溫度 25
4.1.3 日照程度 25
4.1.4 負載大小 26
4.1.5 24小時持續改良 26
4.1.6 小結 27
4.2 改良成效綜合討論 27
4.2.1 含水量試驗 27
4.2.2 十字片剪試驗 29
4.2.3 SEM+EDS 34
4.2.4 排水量 35
4.2.5 含水量、土壤抗剪強度與抽水量三者關係比較 35
4.2.6 小結 35
4.3 電極棒損失情形 36
4.4 現地應用之設置評估 37
4.4.1 建議之電極棒間距 37
4.4.2 現場應用配置時程評估 38
第五章 結論與建議 40
5.1 結論 40
5.2 建議 40
參考文獻 42
作者簡介 137


表 目 錄
表2-1 電滲透化學(灌漿)改良工法案例 46
表2-2 電力滲透係數 47
表2-3 不同黏土其陽離子交換能力、比表面積與表面電荷 48
表3-1 現地土壤含水量 49
表3-2 土壤液性限度 49
表3-3 土壤塑性限度 49
表3-4 土壤比重 50
表4-1 第二階段每日系統運作時數與發電量統計表 51
表4-2 第一階段改良前後土讓抗剪強度資料 52
表4-3 間距146cm改良前後土壤抗剪強度資料 52
表4-4 間距106cm改良前後土壤抗剪強度資料 53
表4-5 間距88cm改良前後土壤抗剪強度資料 53
表4-6 間距76cm改良前後土壤抗剪強度資料 53
表4-7 第一階段電極棒附近土壤強度改良前後資料 54
表4-8 第二階段改良前後土壤抗剪強度資料 54
表4-9 間距60cm改良前後土壤抗剪強度資料 54
表4-10 間距50cm改良前後土壤抗剪強度資料 55
表4-11 間距40cm改良前後土壤抗剪強度資料 55
表4-12 間距30cm改良前後土壤抗剪強度資料 55
表4-13 第二階段電極棒附近改良前後土壤抗剪強度資料 56
表4-14 改良前正極A附近土壤元素分析 57
表4-15 改良前負極B附近土壤元素分析 57
表4-16 改良後正極A附近土壤元素分析 57
表4-17 改良後負極B附近土壤元素分析 57
表4-18 改良後靜置七日正極A附近土壤元素分析 58
表4-19 改良後靜置七日負極B附近土壤元素分析 58
表4-20 改良前正極CⅡ附近土壤元素分析 58
表4-21 改良前負極BⅡ附近土壤元素分析 58
表4-22 改良中正極CⅡ附近土壤元素分析 59
表4-23 改良中負極BⅡ附近土壤元素分析 59
表4-24 改良後正極CⅡ附近土壤元素分析 59
表4-25 改良後負極BⅡ附近土壤元素分析 59
表4-26 電極棒損失情形 60
表4-27 電極棒直徑損失情形與深度之關係 60

圖 目 錄
圖1-1 CCP補救連續壁包泥示意圖 61
圖1-2 CCP預防包泥示意圖 61
圖1-3 研究方法流程圖 62
圖2-1 電雙層模式及陽離子水化作用 63
圖2-2 電雙層之簡單電容器(Helmholtz)模式 63
圖2-3 Helmholtz電雙層模式 64
圖2-4 黏土顆粒與溶液介面電位變化 64
圖2-5 Stern Model電位分佈 65
圖2-6 孔隙水壓與電力滲透距離關係圖 65
圖2-7 電力滲透密度與時間因素關係圖 66
圖2-8 受光後之太陽能半導體晶片 66
圖2-9 太陽能發電系統構造圖 67
圖2-10 PN接面I-V特性圖 67
圖2-11 太陽能電池發電示意圖 68
圖2-12 不同日照量下對太陽能電池發電之影響 68
圖2-13 不同溫度對太陽能電池發電之影響 69
圖2-14 負載對太陽能光電系統發電量之影響 69
圖2-15 高嶺土與伊利土電滲效果比較 70
圖2-16 CEC與PH之關係 70
圖3-1 太陽能光電系統組裝完工圖 71
圖3-2 充放電控制器控制原理示意圖 71
圖3-3 獨立型太陽能光電供電系統簡易圖 72
圖4-1 第一階段太陽能光電系統所吸收之日照量與輸出電壓 73
圖4-2 第一階段太陽能光電系統輸出之電壓與電流 73
圖4-3 2/14(未關閉輔助電源)當日日照程度與電壓對照圖 74
圖4-4 2/20(關閉輔助電源)當日日照程度與電壓對照圖 74
圖4-5 2/14(未關閉輔助電源)太陽能板溫度與即時功率比較圖--- 75
圖4-6 2/20(關閉輔助電源)太陽能板溫度與即時功率比較圖------ 75
圖4-7 第二階段每日平均日照量與發電量對照圖 76
圖4-8 第二階段每日平均輸出電壓與電流對照圖 76
圖4-9 實驗前含水量 77
圖4-10 第一階段實驗前後含水量變化 77
圖4-11 第一階段電極棒附近土壤改良前後含水量變化 78
圖4-12 第二階段實驗前後含水量變化 78
圖4-13 第二階段電極棒附近土壤改良前後含水量變化 79
圖4-14 對照組經過84日後之含水量變化 79
圖4-15 間距146cm改良前後土壤抗剪強度比較圖 80
圖4-16 間距146cm改良前後土壤N值比較圖 80
圖4-17 間距106cm改良前後土壤抗剪強度比較圖 81
圖4-18 間距106cm改良前後土壤N值比較圖 81
圖4-19 間距88cm改良前後土壤抗剪強度比較圖 82
圖4-20 間距88cm改良前後土壤N值比較圖 82
圖4-21 間距76cm改良前後土壤抗剪強度比較圖 83
圖4-22 間距76cm改良前後土壤N值比較圖 83
圖4-23 第一階段電極棒附近改良前後土壤抗剪強度比較圖 84
圖4-24 第一階段電極棒附近改良前後土壤N值比較圖 84
圖4-25 正極A改良前後土壤強度-深度曲線 85
圖4-26 負極B改良前後土壤強度-深度曲線 85
圖4-27 正極C改良前後土壤強度-深度曲線 86
圖4-28 負極D改良前後土壤強度-深度曲線 86
圖4-29 間距60cm改良前後土壤抗剪強度比較圖 87
圖4-30 間距60cm改良前後土壤N值比較圖 87
圖4-31 間距50cm改良前後土壤抗剪強度比較圖 88
圖4-32 間距50cm改良前後土壤N值比較圖 88
圖4-33 間距40cm改良前後土壤抗剪強度比較圖 89
圖4-34 間距40cm改良前後土壤N值比較圖 89
圖4-35 間距30cm改良前後土壤抗剪強度比較圖 90
圖4-36 間距30cm改良前後土壤N值比較圖 90
圖4-37 第二階段電極棒附近改良前後土壤抗剪強度比較圖 91
圖4-38 第二階段電極棒附近改良前後土壤N值比較圖 91
圖4-39 正極AⅡ改良前後土壤強度-深度曲線 92
圖4-40 負極BⅡ改良前後土壤強度-深度曲線 92
圖4-41 正極CⅡ改良前後土壤強度-深度曲線 93
圖4-42 負極DⅡ改良前後土壤強度-深度曲線 93
圖4-43 改良前正極A附近土壤元素分析 94
圖4-44 改良前負極B附近土壤元素分析 94
圖4-45 改良後正極A附近土壤元素分析 95
圖4-46 改良後負極B附近土壤元素分析 95
圖4-47 改良前正極CⅡ附近土壤元素分析 96
圖4-48 改良前負極BⅡ附近土壤元素分析 96
圖4-49 改良中正極CⅡ附近土壤元素分析 97
圖4-50 改良中負極BⅡ附近土壤元素分析 97
圖4-51 改良後正極CⅡ附近土壤元素分析 98
圖4-52 改良後負極BⅡ附近土壤元素分析 98
圖4-53 第一階段抽水量 99
圖4-54 第二階段抽水量 99
圖4-55 第一階段土壤抗剪強度與含水量變化關係圖 100
圖4-56 第二階段土壤抗剪強度與含水量變化關係圖 101
圖4-57 第一階段累計抽水量與含水量變化關係圖 102
圖4-58 第二階段累計抽水量與含水量變化關係圖 102
圖4-59 第一階段試驗土壤抗剪強度與累計抽水量之關係圖 103
圖4-60 第二階段試驗土壤抗剪強度與累計抽水量之關係圖 103
圖4-61 兩階段正極電極棒損失情形 104
圖4-62 現場應用配置圖(俯視圖) 105
圖4-63 現場配置剖面圖 106


照 片 目 錄
照片3-1 正極為鐵棒 107
照片3-2 負極為鋁管並打孔 107
照片3-3 取土現場狀況 108
照片3-4 土樣晾乾 108
照片3-5 土樣切塊以利日後碎土 109
照片3-6 小型夯實機夯碎土壤 109
照片3-7 以榔頭將碎土完後之土塊敲碎磨細 110
照片3-8 土樣過篩 110
照片3-9 過完篩之土樣 111
照片3-10 拌合均勻 111
照片3-11 土樣裝袋並秤重 112
照片3-12 以人工方式攪拌均勻 112
照片3-13 分五層填料 113
照片3-14 分層攪拌 113
照片3-15 實驗槽接縫處以矽利康填縫 114
照片3-16 內層貼防水塑膠布 114
照片3-17 鋪設帆布 115
照片3-18 實驗槽下方放置保麗龍隔震 115
照片3-19 實驗槽設計不當 116
照片3-20 壁體變形 116
照片3-21 實驗槽漏水 117
照片3-22 第二實驗槽(實驗組)上下共補強6根橫桿及斜撐 117
照片3-23 鋪設全新帆布並試水41.5cm 118
照片3-24 邊攪拌邊將第一實驗槽土壤抽至第二實驗槽 118
照片3-25 無法抽出之土壤以人工搬運至第二實驗槽 119
照片3-26 第二實驗槽(實驗組)填土完成總高91.5cm 119
照片3-27 第一實驗槽(對照組)補強完後進行填料並攪拌 120
照片3-28 補強後之第一實驗槽已無漏水情形 120
照片3-29 太陽能光電系統RC基座施工 121
照片3-30 完工之基座與太陽能板支撐架 121
照片3-31 本研究之2KW太陽能光電系統 122
照片3-32 太陽能板下方之溫度感測器 122
照片3-33 日照計 123
照片3-34 本系統充放電控制器 123
照片3-35 漏電斷路器 124
照片3-36 鉛酸蓄電池 124
照片3-37 負極鋁管包覆不織布 125
照片3-38 製作木盒以利放置抽水馬達 125
照片3-39 馬達抽水口包覆不織布 126
照片3-40 負極裝置完成 126
照片3-41 正負極秤重 127
照片3-42 實驗電極棒配置完成 127
照片3-43 H-60手持式十字片剪儀器 128
照片4-1 改良前正極A附近土壤孔隙狀況 129
照片4-2 改良前負極B附近土壤孔隙狀況 129
照片4-3 改良後正極A附近土壤孔隙狀況 130
照片4-4 改良後負極B附近土壤孔隙狀況 130
照片4-5 改良後靜置七日之正極A附近土壤孔隙狀況 131
照片4-6 改良後靜置七日之負極B附近土壤孔隙狀況 131
照片4-7 改良前正極CⅡ附近土壤孔隙狀況 132
照片4-8 改良前負極BⅡ附近土壤孔隙狀況 132
照片4-9 改良後正極CⅡ附近土壤孔隙狀況 133
照片4-10 改良後負極附近土壤孔隙狀況 133
照片4-11 第一階段正極損失狀況 134
照片4-12 第二階段正極損失狀況 134
照片4-13 第二階段負極損失情況 135
照片4-14 第一階段負極B呈片狀剝落 135
照片4-15 第一階段負極D斷成三節且內部已呈片狀剝落 136
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