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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳致銘
研究生(外文):Chi-Ming Chen
論文名稱:動力三軸試驗應用於評估土壤液化潛能之適用性研究
論文名稱(外文):The Research into the Applicability of Dynamic Triaxial Test in the Evaluation of Soil Liqufaction Potential
指導教授:陳景文陳景文引用關係
指導教授(外文):Jing-Wen Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:土木工程學系碩博士班
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:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:142
中文關鍵詞:砂土三軸反覆載重試驗土壤液化相對密度
外文關鍵詞:Relative DensitySoil LiquefactionSandTriaxial Cyclic Load Test
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台灣地區過去對於土壤液化潛能評估方法大都採用簡易經驗評估法,但對該方法所得結果是否偏於保守而造成工程成本的提高,是工程實務界所關心的重要問題之一。為能瞭解砂土之液化潛能評估準確與否,本研究選擇台灣西南部之長榮大學圖書資訊大樓工程地下室開挖取得之砂土做為研究對象,分別製作相對密度為50﹪、60%及70﹪的重模試體,利用動力三軸試驗之不排水反覆載重試驗,以軸向單應變達5%時稱液化破壞為前提,以求得土壤之液化潛能,與採用Seed法及T&Y法之SPT簡易經驗評估法所得結果進行比較,藉以探討採動力三軸試驗做為液化潛能評估方法的適用性。
本研究中發現,若與Seed法及T&Y法之SPT簡易經驗評估法所得結果相比較,本研究區重模土壤在相對密度為60%之試驗結果與SPT簡易經驗評估法所得液化潛能結果相近;相對密度為50%的疏鬆砂土之試驗結果顯示有較高之液化潛能;但相對密度為70%的緊密砂土之試驗結果顯示有較低之液化潛能。亦即相對密度超過70%時,以SPT簡易經驗法評估液化潛能時,可能會低估液化阻抗強度,而對於相對密度低於50%的疏鬆砂土則可能會高估其液化阻抗強度,因此針對現地之液化潛能評估時,對於緊密砂土應考量其相對密度,並參考動力三軸試驗之土壤液化評估結果,以確保土壤液化潛能準確性。
研究中亦發現,操作動力三軸試驗時,試體飽和度、試驗過程之土樣擾動及操作誤差等會影響到試驗的準確性。而試體重模過程中的作業包括橡皮膜、濾紙及圍壓等施作過程及試驗設備本身的感應器之系統誤差均會造成所得試驗結果的準確性有所誤差,本研究顯示這些因素所造成的誤差會使試驗結果趨向保守;而針對高相對密度的緊密土層的液化評估結果不若SPT簡易經驗評估法之保守。所以在從事緊密砂土的液化潛能評估時建議可採用動力三軸試驗做為輔助方法,如此對於工程的施工成本上較可避免不必要的浪費。
In the past, Simplified Empirical Procedures were adopted for soil liquefaction potential evaluation in Taiwan. One of important problems which the people from the engineering circle are concerned about is, however, whether the procedures are a little too conservative and accordingly increases the cost of project. To work out whether or not liquefaction potential evaluation is exact, the soil specimens that were dug out from the library’s basement of Chang Jung Christlan University located in the southwest of Taiwan is chosen as the object of this study, in which, specimens with relative density at 50%, 60% and 70% are remolded. By means of dynamic triaxial undrained cyclic loading test the definition of soil liquefied is said to be whenever the single-side axial strain reaches 5%. On the basis of the comparison with the results evaluated by using Seed and T & Y SPT Simplified Empirical Procedures, this study probes into the applicability of dynamic triaxial test in the evaluation of soil liquefaction potential.
It is found that, in comparison with the results evaluated by using Seed and T & Y SPT Simplified Empirical Procedures, liquefaction potential of the remolded soil with 60% relative density in this study is close to that under SPT Simplified Empirical Procedures and loose sand whose relative density is 50% shows higher liquefaction potential, whereas dense sand with 70% relative density shows lower liquefaction potential, which means that, when the relative density is higher than 70%, liquefaction impedance strength may be undervalued in Simplified Empirical Procedures, by contrast, it may be overrated on condition that the relative density of loose sand is lower than 50%. Therefore, when evaluating liquefaction potential of some kind of soil, relative density of dense sand should be taken into consideration and the evaluation result of soil liquefaction under dynamic triaxial test should be referred to in order to guarantee the evaluation accurate.
It is also found that in the study, saturation of specimens, disturbance of soil samples and operation errors during the test will have an effect on the exactness of the dynamic triaxial test. In remolding the specimens, not only the operations of membrance, filter paper and cell pressure but errors in sensor system of facilities for the test may result in errors of the test result. This study reveals that, due to the errors arising from these factors, the result of the test will incline to be conservative, yet the liquefaction evaluation under dynamic triaxial test on dense soil layer with higher relative density is less conservative than that under Simplified Empirical Procedures. Hence, in evaluating the liquefaction potential of dense sand, dynamic triaxial test can be adopted as secondary approach so that unnecessary waste in construction cost can be avoided.
摘要 I
Abstract II
誌謝 IV
目錄 V
表目錄 IX
圖目錄 XI
符號表 XIV
第一章、緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 4
1.3 研究方法與內容 6
1.4 論文架構 7
第二章、文獻回顧 10
2.1 土壤液化的現象與定義 10
2.2 土壤液化的影響因素 12
2.3 土壤液化的評估方法 19
2.3.1簡易準則分析法 20
2.3.2簡易經驗分析法 21
2.3.3數值模式模擬法 22
2.3.4能量評估法 23
第三章、簡易經驗評估法 25
3.1 SPT標準貫入試驗 26
3.1.1標準貫入試驗的介紹 26
3.1.2標準貫入試驗的修正 26
3.2 Seed簡易經驗評估法 29
3.3 Tokimatsu&Yoshimi簡易經驗評估法 38
3.3.1 地震引致的土壤反覆剪應力比 38
3.3.2 土壤的液化阻抗 39
3.4等值反覆荷重次數與反覆剪應力比的關係 41
第四章、動力三軸試驗設備與步驟 44
4.1 動力三軸試驗 44
4.1.1 試驗目的 44
4.1.2 試驗基本原理 44
4.1.3 試驗儀器設備 46
4.2 動力三軸試驗方法 52
4.2.1 試體重模準備與儀器定位 52
4.2.2 試體飽和步驟 57
4.2.3 動力三軸試驗步驟 61
4.3 動力三軸反覆載重破壞之定義 61
4.4 動力三軸試驗之誤差因素 62
4.4.1 動力三軸儀器之系統誤差及標定 63
4.4.2 橡皮膜貫入效應 64
4.5 試驗步驟流程與控制條件 66
4.5.1 試驗步驟與流程 66
4.5.2 試驗控制條件 67
第五章、動力三軸試驗內容與程序 72
5.1 試驗土樣 72
5.2 土樣物理性質試驗結果 74
5.2.1 顆粒粒徑分析試驗 74
5.2.2 最大及最小乾密度試驗 74
5.3 試驗控制條件 74
5.4 試驗內容 88
5.4.1 動態試驗的加載方式 88
5.4.2 試驗方式 90
第六章、試驗結果與討論 92
6.1 研究區灰色砂土試驗結果 92
6.1.1 相對密度70%之緊密砂土部份 92
6.1.2 相對密度60%之中等緊密砂土部份 93
6.1.3 相對密度50%之疏鬆砂土部份 93
6.2 試驗結果對土壤液化問題之討論 94
第七章、動力三軸試驗之適用性討論 117
7.1 試驗過程所遭致之可能誤差及問題分析 117
7.1.1 設備本身的系統誤差 119
7.1.2 孔隙壓力參數B值與試驗結果之影響分析 119
7.1.3 橡皮膜貫入效應 121
7.1.4 動力三軸試驗本身操作上問題探討 122
7.2 動力三軸試驗做為土壤液化評估方法之差異性分析123
7.2.1 動力三軸反覆試驗與現地土壤液化潛能差異分析123
7.2.2 試驗結果與SPT簡易經驗評估法所得結果之比較124
7.3 動力三軸試驗做為土壤液化潛能評估方法之適用性分析 126
第八章、結論與建議 130
8.1 結論 130
8.2 建議 132
參考文獻 133
附錄一 三軸試驗總表 138
附錄二 地質鑽探及基地開挖取樣照片 139
自述 142

表目錄
表1-1 台灣歷年地震液化災害統計表(吳偉特,1979;江彭,1995) 2
表1-2 九二一集集地震液化震害地區統計(林呈及孫洪福整理,2000) 3
表2-1 液化簡易準則判斷參數 21
表3-1 影響SPT標準性之因素(王依偉整理,2003) 27
表3-2 各國SPT方法之能量比(Energy Ratios)整理(Seed,1985) 28
表3-3 Seed液化簡易經驗分析法發展概要(翁新作等,2004) 31
表3-4 地震規模與液化強度關係係數表(Seed et al.,1985) 37
表3-5 地震規模、循環作用次數及地震規模修正係數關係(Seed et al.1985) 42
表4-1 荷重計標定修正數據 67
表4-2 本研究儀器各項標定值 67
表4-3 試驗控制條件 68
表5-1 長榮大學圖資大樓液化評估(地質鑽探報告,2004)78
表5-2 長榮大學圖資大樓各土層深度液化潛能指數(地質鑽探報告,2004) 79
表5-3 重模土樣之基本物理性質(地質鑽探報告,2004) 80
表5-4 灰色砂土之試驗砂篩號以及通過百分比 82
表5-5 長榮大學土樣Seed法液化簡易評估法計算資料 83
表5-6 長榮大學土樣T-Y法液化簡易評估法計算資料 84
表5-7 灰色細砂最大及最小乾密度 85
表5-8 砂性土壤相對密度之緊密性描述 85
表5-9 重模試體土樣之基本物理性質(地質鑽探報告,2004) 86
表5-10 本研究之試驗控制條件一覽表 87
表5-11 灰色細砂濕搗法各層土樣(含8%水)重量計算 87
表5-12 不同CSR所分別代表地震規模M 90
表5-13 地震規模、反覆作用次數及地震規模修正因素關係(Seed et al, 1975) 91
表5-14 本研究試驗內容統計表 91
表6-1 反覆破壞次數為10次為標準所得之不同相對密度之CSR比較表 97
表6-2 反覆破壞次數為15次為標準所得之不同相對密度之CSR比較表 98
表6-3 液化反覆破壞次數標準為25次之不同CSR與Dr之對應關係 98
表7-1 動力三軸試驗儀使用故障缺失原因整理分析 127

圖目錄
圖1-1 研究流程圖 9
圖2-1 砂土承受剪力之應力與應變及應力與孔隙比關係(Casagrande,1936) 11
圖2-2 相對密度對液化阻抗的影響(Mulilis,1978) 14
圖2-3 土壤平均粒徑對液化阻抗的影響(Wong、Seed及Chan,1975) 15
圖2-4 易液化土壤之粒徑分佈範圍(日本土木工程學會,1973) 16
圖2-5 達初始液化時細粒料含量與液化阻抗強度之關係(孫家雯,2003) 18
圖3-1 SPT各種常用落錘型式示意圖(王依偉,2003) 28
圖3-2 土壤液化NCEER(1997)簡易經驗分析法流程圖 30
圖3-3 Seed評估法中地震引致最大剪應力之考量方法(Seed及Idress,1971) 33
圖3-4 Seed評估法之深度折減係數rd值範圍(Seed及Idress,1971) 33
圖3-5 不同細粒料含量對CSRM=7.5及(N1)60之關係(Seed et al,1985) 34
圖3-6 土壤液化T-Y簡易經驗分析法流程圖 41
圖3-7 地震規模與循環作用次數關係圖(Seed與Idress(1982)及Idress(1999)) 42
圖3-8 循環作用次數Neq及反覆剪應力關係圖(Yoshimi,1984)43
圖4.1 土壤受剪力時主應力旋轉示意圖(Kramer,1996) 45
圖4-2 理想動力三軸試驗操作過程之應力狀況(Seed and Lee,1996) 45
圖4-3 一般動力三軸試驗執行之應力狀況(Seed and Lee,1996) 46
圖4-4 C.K.C.氣壓式動力三軸試驗儀 51
圖4-5 二元正弦氣壓式反覆載重系統示意圖 51
圖4-6 重模試體準備方法(Ishihara,1993) 53
圖4-7 壓密後試體孔隙比之範圍(Ishihara,1993) 54
圖4-8 壓縮試驗圓柱箱除氣情形 59
圖4-9 B值與飽和度的關係(Holtz,1981)60
圖4-10 孔隙水壓係數B值與反覆振動次數的關係(Chaney,1978) 60
圖4-11 CKC荷重計(Load Cell)校正標定圖 68
圖4-12 小管體積校正標定圖 69
圖4-13 小管+中管體積校正標定圖 69
圖4-14 小管+大管體積校正標定圖 70
圖4-15 本研究CKC試驗流程圖 71
圖5-1 工程基地鑽探的鑽孔之平面佈置圖(地質鑽探報告,2004) 76
圖5-2 地層剖面圖(BH1~BH6) (地質鑽探報告,2004) 77
圖5-3 棕色砂土之粒徑分佈曲線 82
圖5-4 土壤動態試驗之加載型式(Ishihara, 1996) 89
圖6-1 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=70%,CSR=0.1,T=60秒) 99
圖6-2 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=70%,CSR=0.15,T=60秒) 100
圖6-3 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=70%,CSR=0.2,T=60秒) 101
圖6-4 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=70%,CSR=0.25,T=60秒) 102
圖6-5 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=70%,CSR=0.3,T=60秒) 103
圖6-6 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=70%,CSR=0.35,T=60秒) 104
圖6-7 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=60%,CSR=0.1,T=60秒) 105
圖6-8 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=60%,CSR=0.15,T=60秒) 106
圖6-9 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=60%,CSR=0.2,T=60秒) 107
圖6-10 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=60%,CSR=0.25,T=60秒) 108
圖6-11 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=60%,CSR=0.3,T=60秒) 109
圖6-12 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=50%,CSR=0.05,T=60秒) 110
圖6-13 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=50%,CSR=0.1,T=60秒) 111
圖6-14 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=50%,CSR=0.2,T=60秒) 112
圖6-15 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=50%,CSR=0.25,T=60秒) 113
圖6-16 灰色砂土反覆載重之CSR VS Neq關係圖(Dr70%,T=60秒) 114
圖6-17 灰色砂土反覆載重之CSR VS Neq關係圖(Dr60%,T=60秒) 114
圖6-18 灰色砂土反覆載重之CSR VS Neq關係圖(Dr50%,T=60秒) 115
圖6-19 相對密度與相對作用次數Neq關係圖 115
圖6-20 本研究與Yoshimi et al(1984及1989)循環作用次數及反覆剪應力關係圖 116
圖7-1 三軸反覆剪力不排水試驗結果(Dr=60%,CSR=0.3,T=60秒,B=14.4) 129
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