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研究生:林佳儀
研究生(外文):Chia-Yi Lin
論文名稱:地工格網加勁土壤在邊坡穩定工程之應用研究
論文名稱(外文):The Effects of Geo-grid Reinforced Earth on Slope Stability Analysis
指導教授:張子修張子修引用關係
指導教授(外文):Tzyy-Shiou Chang
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
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:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:94
中文關鍵詞:大型直剪試驗地工格網邊坡穩定加勁複合土壤
外文關鍵詞:slope stabilitygeo-gridreinforced earthlarge scale direct shear test
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本研究採用PET軟式地工格網與砂頁岩互層之崩積土壤,模擬不同降雨強度之土壤含水量進行地工格網與土壤介面直剪試驗,以及在大型傾斜儀剪力盒中分別將格網以與剪切面夾角為30°、60°、90°,模擬加勁複合土壤於破壞時的摩擦角,探討地工格網於不同含水量土壤中之力學行為,並且以穩定分析軟體STEDwin及MSEW分析其對邊坡穩定安全係數的影響。
研究結果顯示,在大型傾斜儀試驗中,當格網與水平夾角為30°時其破壞角受含水量之影響較小,破壞角介於32°∼42.5°,衰減率約5.5%∼28.9%;在地工格網與土壤的介面直剪試驗中,乾土狀況下介面摩擦角δ約為39.5°,隨土壤含水量增至4%、7%及11%時,δ依序分別衰減為20.5°、23°及26.5°;以STEDwin作案例穩定分析,含水量對加勁邊坡安全係數之衰減率達6.1%∼32.5%,以MSEW分析,加勁邊坡之水平滑動安全係數衰減率達37%∼71.4%。
The research was conducted to investigate the interactive properties between soft PE geo-grid material and the alternative shale deposits under 3 simulated rainfall intensities which include w/c=4% (ordinary moisture condition), 7% (average rainfall) and 11% (storm condition), with contrast to the dry condition at w/c=0%.
A large scale inclined direct shear device was used with the geo-grid at the angle of 30, 60 and 90 degree with respect to the shear plane to investigate the internal frictional angle at shear failure within the reinforced earth mass under the 3 selected simulated rainfall intensities. In addition, a traditional direct shear device was used to determine the interface frictional angle between the surface of the geo-grid and the reinforced earth. With the use of the laboratory test results, the slope stability analysis software STEDwin and MSEW were utilized to study the effects of (1) the placements of geo-grid at various angles within the soil mass, and (2) the simulated rainfall intensities, on the safety factor of stability of shale slopes which may be often encountered in Taiwan.
The results of the study revealed that the reinforced earth with geo-grid at 30 degree has the internal frictional angle of 32-42.5 degree at shear failure which is least influenced by the water content. The internal frictional angles have a reduction rate of 5.5%-28.9% for the 3 selected rainfall intensities compared with that of dry condition. In addition, the interface frictional angle between the geo-grid and the soil mass is 39.5 degree at dry condition and is decreased to 20.5, 23, and 26.5 degree for w/c=4,7, and 11% respectively.
For the stability analysis, the results of a reinforced earth slope case study revealed that increase of water content from 0% to 11% as simulated may reduce the safety factor of the slope stability from 6.1% to 32.5% using the STEDwin software, while the safety factor of lateral sliding for the reinforced earth slope may be reduced from 37 to 71.4%. The results of the study provide useful information for practical applications in case the reinforced earth with PE geo-grid is used for the slopes.
中文摘要………………………………………………………………I
英文摘要………………………………………………………………II
誌謝……………………………………………………………………III
目錄……………………………………………………………………IV
表目錄…………………………………………………………………VIII
圖目錄…………………………………………………………………X
第一章 緒 論…………………………………………………………1
1.1 前言………………………………………………………………1
1.2 研究動機與目的…………………………………………………1
1.3 研究方法…………………………………………………………3
1.4 研究內容…………………………………………………………3
1.5 預期研究成果與實務應用………………………………………4
第二章 文獻回顧………………………………………………………7
2.1. 加勁土壤結構簡介………………………………………………7
2.1.1 加勁土壤結構基本理論………………………………………7
2.1.2 加勁土壤結構分析模式………………………………………9
2.1.3 加勁土壤結構破壞機制………………………………………15
2.2. 降雨對邊坡穩定之影響…………………………………………21
2.2.1 降雨入滲之滲流機制……………………………………………22
2.2.2 降雨入滲之影響範圍……………………………………………23
2.2.3 降雨對邊坡不飽和土壤強度之影響……………………………25
2.3. 地工合成材料之介紹……………………………………………28
2.3.1 地工格網之介……………………………………………………31
2.3.2 地工格網之種類…………………………………………………31
2.3.3 地工格網之應用…………………………………………………33
2.4 土壤與地工格網之互制行為………………………………………36
2.5 直剪試驗之力學行為探討…………………………………………37
2.6 地工合成材料直剪試驗相關研究…………………………………40
第三章 分析程式介紹…………………………………………………44
3.1 程式功能與限制……………………………………………………44
3.1.1 設計功能…………………………………………………………44
3.1.2 分析功能…………………………………………………………44
3.2 程式特性說明………………………………………………………45
3.2.1 幾何形狀與載重說明…………………………………………45
3.2.2 土壤、地下水位與邊界說明…………………………………46
3.2.3 加勁材料參數設定……………………………………………46
3.2.4 地震荷重………………………………………………………47
3.2.5 整體滑動破壞…………………………………………………47
3.3 程式使用說明……………………………………………………47
3.3.1 執行程式與設定設計者資料…………………………………47
3.3.2 分析功能選擇…………………………………………………50
3.3.3 執行分析………………………………………………………56
3.3.4 分析成果檔輸出………………………………………………60
3.4 結語………………………………………………………………60
第四章 試驗儀器設備與試驗方法……………………………………61
4.1 大型傾斜直剪試驗………………………………………………61
4.1.1 大型傾斜直剪儀之設計原理…………………………………61
4.1.2 試驗儀器設備…………………………………………64
4.1.3 大型傾斜直剪試驗步驟操作說明……………………67
4.2 地工格網與土壤介面直剪試驗…………………………………73
4.2.1 試驗儀器設備……………………………………………73
4.2.2 試驗步驟操作說明………………………………………74
第五章 試驗結果討論與邊坡穩定案例分析………………………77
5.1 土壤試驗基本物理性質試驗結果……………………………77
5.2 地工格網基本物理性質試驗結果……………………………78
5.3 大型傾斜直剪試驗結果分析…………………………………80
5.4 地工格網與土壤介面直剪試驗結果分析………………………83
5.5 邊坡穩定分析案例探討………………………………………84
5.6 結語……………………………………………………………85

第六章 結論與建議…………………………………………………88
6.1 結論…………………………………………………………88
6.2 建議…………………………………………………………89
6.2.1. 工程實務建議…………………………………………89
6.2.2. 後續研究建議………………………………………89
參考文獻……………………………………………………………91

表 目 錄
表5.1 土壤試樣基本物理性質試驗結果……………………………………77
表5.2 篩分析─砂性土壤累積停留及通過百分比………………………...78
表5.3 地工格網(100*50)基本物理性質試驗結果……………………...79
表5.4 大型傾斜直剪試驗求得土體破壞角度(安息角)ψ……………….81
表5.5 地工格網與不同含水量之土壤介面摩擦角δ………………………..83
表5.6 加勁複合土中不同含水量對邊坡整體穩定安全係數的影響………86
表5.7 土體中不同含水量對其基礎水平抗滑安全係數之影響………….87

圖目錄
圖 1.1 中國漢長城遺跡………………………………………………………….5
圖1.2 研究流程圖…………………………………….………………………..6
圖 2.1 天然土壤與加勁土壤比較示意圖……………………………………..7
圖2.2 加勁材提供圍壓之原理………………………………………………….8
圖2.3 加勁材土體破壞面………………………………………………….……9
圖2.4 分解土壤-加勁材模型圖………………………………………………..14
圖2.5 正交彈性加勁土壤複合模型圖……………………………………….14
圖2.6 加勁擋土結構之內穩定破壞示意圖…………………………………..17
圖 2.7 加勁擋土結構之外穩定破壞示意圖…………………………………18
圖2.8 加勁邊坡破壞模式………………………………………..…………….19
圖2.9 加勁擋土結構之複合型破壞及結構功能運作破壞示意圖………….20
圖2.10 棲止水變化導致之邊坡淺層破壞……………………………………..22
圖2.11 降雨引致之飽和度、負值孔隙水壓與地下水位之變化……………...25
圖2.12 基質吸力降低而導致修正凝聚力之折減…………………………….26
圖2.13 紅土無圍壓縮強度與飽和度之關係…………………………………..28
圖2.14 地工合成材料…………………………………………………………..30
圖 2.15 地工合成材料七大功能………………………………………………31
圖 2.16 國內常見地工格網之樣品種類………………………………………33
圖 2.17 水土保持工程應用實例………………………………………………...34
圖 2.18 道路工程應用實例……………………………………………………..34
圖 2.19 水利工程應用實例……………………………………………….…….35
圖 2.20 加勁工法其他應用……………………………………………….…….35
圖 2.21 土壤與地工格網間之互鎖作用………………………………………..36
圖 2.22 地工合成材料直剪試驗裝置圖……………………………..…………39
圖 2.23 地工合成材料直剪試驗摩擦阻抗與側向位移圖……………………..39
圖 2.24 地工合成材料直剪試驗莫爾庫倫包絡線示意圖…………………….39
圖 2.25 直剪試驗儀…………………………………………………………….40
圖 2.26 礫石本身和礫石與地工織物之試驗結果…………………………….41
圖 2.27 直剪試驗儀示意圖…………………………………………………….42
圖 2.28 剪應力與位移關係圖…………………………………………………43
圖 3.1 開啟新檔之專案畫面…………………………………………………..48
圖 3.2 修改專案資料…………………………………………………………..48
圖 3.3 設計及分析功能選擇…………………………………………………..49
圖 3.4 功能畫面切換…………………………………………………………...49
圖 3.5 MSEW 主畫面…………………………………………………………50
圖 3.9 集中荷重輸入參數畫面………………………………………………51
圖 3.10 地形、土層、地下水設定…………………………………………….52
圖 3.11 面板的設定…………………………………………………………….52
圖 3.12 土壤及地震參數設定………………………………………………….55
圖 3.13 土壤參數設定………………………………………………………….55
圖 3.14 基礎土壤承載力設定………………………………………………….56
圖 3.15 檢視MSEW 程式結果………………………………………………...56
圖 3.16 內外穩定分析結果……………………………………………………..57
圖 3.17 檢視內外穩定分析詳細結果…………………………………………..58
圖 3.18 傾倒分析………………………………………………………………..58
圖 3.19 傾倒安全係數…………………………………………………………58
圖 3.20 整體滑動分析…………………………………………………………59
圖 3.21 整體滑動搜尋網格設定………………………………………………59
圖 3.22 結果輸出之畫面……………………………………………………….60
圖 4.1 水平式與傾斜式之剪應力與正向應力關係圖………………………62
圖4.2 i j
∧ ∧
, 與i'', j''
∧ ∧
座標系……………………………………………………..63
圖 4.3 大型室內傾斜直剪儀…………………………………………………64
圖4.4 傾斜平台正面示意圖…………………………………………………65
圖 4.5 大型室內傾斜直剪儀之剪力盒和儲水盒內部………………………66
圖 4.6 傾斜平台平面示意圖…………………………………………………67
圖4.7 大型傾斜直剪試驗流程圖…………………………………………….68
圖 4.8 試驗土壤及埋設地工格網示意圖……………………………………69
圖4.9 地工格網試片………………………………………………………..70
圖4.10 測微器監測砂土滑動破壞之位移情形………………………………71
圖 4.11 測定儀(量角器)………………………………………………………71
圖4.12 傾斜儀抬升示意圖…………………………………………………….72
圖 4.13 土壤直剪試驗儀………………………………………………………73
圖 4.14 上下直剪盒……………………………………………………………73
圖 4.15 地工格網與土壤介面直剪試驗流程圖………………………………74
圖 4.16 試驗儀器架設完成後………………………………………………….76
圖 4.17 試驗完成後上剪力盒取出之地工格網………………………………76
圖5.1 崩積土壤篩分析曲線圖………………………………………………..78
圖 5.2 本試驗所採用之加勁格網……………………………………………..79
圖 5.3 安息角、含水量及格網與剪切面夾角之關係…………………………82
圖 5.4 土壤中不同含水量對凝聚力及摩擦角關係圖………………………84
圖 5.5 STEDwin分析加勁複合土體邊坡整體穩定範例……………………86
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