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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王喬毅
研究生(外文):Ciao-Yi Wang
論文名稱:利用音波回音法檢測擋土牆底版長度之可行性評估
論文名稱(外文):Evaluating the Base Length of Earth Retaining Walls with Sonic Echo Method
指導教授:賴俊仁賴俊仁引用關係
指導教授(外文):Jiunnren Lai
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:2007
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:擋土結構物非破壞檢測有限元素法
外文關鍵詞:Earth retaining structureNon-Destructive TestingFinite Element Methool
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擋土結構物本身之安全性,除了混凝土之強度、局部瑕疵、缺陷、物理性質及混凝土中鋼筋位置和腐蝕情況外,擋土結構物之尺寸是否與設計符合,都是影響結構安全的重要考量。目前利用非破壞檢測之方法檢測基樁品質之技術已有相當完整的試驗方法與相關理論背景,且能精確地檢測出完整基樁或含有缺陷基樁之幾何資料。但對於利用非破壞檢測技術來進行擋土結構物尺寸或擋土結構物完整性之檢測的經驗及參考文獻目前則較缺乏。因此,如何建立一套經濟、快速且又有效的擋土結構物尺寸檢測方法,是值得探討與研究之方向。
本研究主要在於探討能否利用非破壞檢測之方式,檢測出擋土結構物之尺寸,以期能作為擋土結構物安全性評估之參考。運用ANSYS LS-DYNA二維平面應變模式與三維實體模式比較擋土結構物各部位尺寸對檢測訊號之影響,以評估利用音波回音法(Sonic Echo method)對於擋土結構物底版長度之可行性。
由本研究得到以下結論:懸臂式擋土牆寬度較小時,三維實體模型點載重與線載重之應力波反應訊號相似,但是當擋土牆寬度漸漸增寬時,二維平面應變與三維實體模型點載重之應力波訊號會越來越不同。當懸壁式擋土牆埋入土中後,反射訊號經過反射後,應力波的訊號會隨著時間增加而漸漸變小,這種現象可能是因為土壤本身具有消能與束制作用,使得訊號強度會受到土壤的影響,進而影響到波傳速度。當擋土牆底版厚度較大時,反射訊號波峰較不明顯,所得到底版長度之誤差量較大。整體而言,以音波回音法評估擋土牆底版長度,仍具相當之可行性。
The objective of this thesis is to investigate the feasibility of applying the Sonic Echo (SE) NDT technique to evaluate the base length of existing earth retaining structures, which is critical in evaluating the safety of these retaining structures. Numerical modeling was performed to study the 3-dimensional effects on the measured signal using commercially available ANSYS LS-DYNA finite element software. Field tests were also performed on an earth retaining wall to verify the results from numerical modeling.
Results of this study indicate that, when the width of cantilever retaining wall is small, the 3-dimensional effect on the signal of SE technique is minor. But, as the width of the cantilever retaining wall increases, the 3-D effect becomes more significant. However, the error of estimated base length resulted from this 3-D effect is less than 10%. Therefore, it can be concluded that the Sonic Echo method is a very promising technique for evaluation of the width of existing earth retaining structures.
摘要......................................................I
ABSTRACT.................................................II
誌謝....................................................III
本文目錄.................................................IV
圖目錄..................................................VII
表目錄...................................................XI
第一章 緒論...............................................1
1.1研究動機...............................................1
1.2研究目的...............................................1
1.3研究方法...............................................2
1.4研究內容及流程.........................................2
第二章 文獻回顧...........................................5
2.1前言...................................................5
2.2基樁非破壞性檢測方法之回顧.............................5
2.3擋土結構物非破壞性檢測方法之回顧.......................6
第三章 理論背景...........................................8
3.1基本波傳理論...........................................8
3.2桿件波傳理論介紹......................................12
3.3桿件之邊界條件........................................15
3.4音波回音法之原理介紹..................................16
3.5檢測擋土結構物底版長度時可能產生之問題................18
第四章 研究方法..........................................19
4.1 ANSYS介紹............................................19
4.1.1 PLANE 162元素說明..................................19
4.1.2 SOLID 164元素說明..................................20
4.2有限元素數值模擬......................................21
4.2.1模型之設立..........................................21
4.2.2選定分析元素及材料性質..............................23
4.2.3建立接觸源..........................................25
第五章 數值模擬..........................................27
5.1前言..................................................27
5.2二維平面應變與三維實體模型之結果比較..................27
5.3敲擊延時對檢測訊號之影響..............................39
5.4接收器擺放位置對檢測訊號之影響........................44
5.5懸臂式擋土牆加止滑榫對檢測訊號之影響..................48
5.6改變擋土牆各部位尺寸對檢測訊號之影響..................50
5.7懸臂式擋土牆埋入土壤後對檢測訊號之影響................60
5.8擋土牆底版加止滑榫埋入土壤後對檢測訊號之影響..........64
5.9改變埋入土壤邊界尺寸對檢測訊號之影響..................66
5.10改變土壤參數之影響...................................68
5.11小結.................................................72
第六章 現地實測..........................................74
6.1前言..................................................74
6.2現地實測位址..........................................74
6.3檢測儀器設備..........................................75
6.4現地擋土牆數值模擬....................................77
6.5現地檢測結果..........................................81
第七章 結論與建議........................................83
7.1 結論.................................................83
7.2 建議.................................................85
參考文獻.................................................86
圖目錄
圖1-1 研究流程圖..........................................................................................................4
圖3-1 圓形振動基腳於均質、均向、半無限域產生之波形位移分佈圖................11
圖3-2 各種彈性波波速與伯松比之關係圖................................................................11
圖3-3 應力波在不同情況下之反射圖........................................................................14
圖3-4 應力波在不同樁底狀況下之反射圖................................................................16
圖3-5 音波回音法示意圖............................................................................................17
圖4-1 PLANE 162 元素示意圖...................................................................................20
圖4-2 SOLID 164 元素示意圖....................................................................................21
圖4-3 三維實體模式之懸臂式擋土牆示意圖(單位:cm) ...................................22
圖4-4 三維實體模式之懸臂式擋土牆示意圖(單位:cm) ...................................22
圖4-5 2D 懸臂式擋土牆元素切割示意圖..................................................................24
圖4-6 3D 懸臂式擋土牆元素切割示意圖..................................................................25
圖4-7 模擬衝擊作用力所使用之半正弦平方函數荷重示意圖................................26
圖5-1 二維平面應變敲擊源與接收器擺放位置(單位:cm) ...............................28
圖5-2 三維實體模型敲擊源與接收器擺放位置(單位:cm) ...............................28
圖5-3 懸臂式擋土牆寬0.3m時二維平面應變與三維實體模型點載重與線載重之速
度歷時曲線比較圖............................................................................................ 30
圖5-4 懸臂式擋土牆寬0.5m時二維平面應變與三維實體模型點載重與線載重之速
度歷時曲線比較圖.............................................................................................31
圖5-5 懸臂式擋土牆寬1m 時二維平面應變與三維實體模型點載重與線載重之速
度歷時曲線比較圖............................................................................................31
圖5-6 懸臂式擋土牆寬3m 時二維平面應變與三維實體模型點載重與線載重之速
度歷時曲線比較圖............................................................................................32
VI II
圖5-7 懸臂式擋土牆寬5m 時二維平面應變與三維實體模型點載重與線載重之速
度歷時曲線比較圖............................................................................................32
圖5-8 懸臂式擋土牆寬10m 時二維平面應變與三維實體模型點載重與線載重之速
度歷時曲線比較圖............................................................................................33
圖5-9 懸臂式擋土牆寬0.3m 時接收器在Y 軸、Z 軸之速度歷時曲線比較圖.....34
圖5-10 懸臂式擋土牆寬0.5m 時接收器在Y 軸、Z 軸之速度歷時曲線比較圖...34
圖5-11 懸臂式擋土牆寬1m 時接收器在Y 軸、Z 軸之速度歷時曲線比較圖.......35
圖5-12 懸臂式擋土牆寬3m 時接收器在Y 軸、Z 軸之速度歷時曲線比較圖......35
圖5-13 懸臂式擋土牆寬5m 時接收器在Y 軸、Z 軸之速度歷時曲線比較圖......36
圖5-14 懸臂式擋土牆寬10m 時接收器在Y 軸、Z 軸之速度歷時曲線比較圖....36
圖5-15 各尺寸模型二維平面應變與三維實體模型接收器在Y 軸上之速度歷時曲
線比較圖.........................................................................................................37
圖5-16 各尺寸模型二維平面應變與三維實體模型接收器在Z 軸上之速度歷時曲
線比較圖.........................................................................................................37
圖5-17 懸臂式擋土牆寬0.3m 在不同敲擊延時下之速度歷時曲線比較圖............40
圖5-18 懸臂式擋土牆寬0.5m 在不同敲擊延時下之速度歷時曲線比較圖............40
圖5-19 懸臂式擋土牆寬1m 在不同敲擊延時下之速度歷時曲線比較圖...............41
圖5-20 懸臂式擋土牆寬3m 在不同敲擊延時下之速度歷時曲線比較圖...............41
圖5-21 懸臂式擋土牆寬5m 在不同敲擊延時下之速度歷時曲線比較圖...............42
圖5-22 懸臂式擋土牆寬10m 在不同敲擊延時下之速度歷時曲線比較圖.............42
圖5-23 懸臂式擋土牆寬0.3m 接收器擺放位置不同之速度歷時曲線比較圖.........45
圖5-24 懸臂式擋土牆寬0.5m 接收器擺放位置不同之速度歷時曲線比較圖.........45
圖5-25 懸臂式擋土牆寬1m 接收器擺放位置不同之速度歷時曲線比較圖............46
圖5-26 懸臂式擋土牆寬3m 接收器擺放位置不同之速度歷時曲線比較圖............46
圖5-27 懸臂式擋土牆寬5m 接收器擺放位置不同之速度歷時曲線比較圖............47
IX
圖5-28 懸臂式擋土牆寬10m 接收器擺放位置不同之速度歷時曲線比較圖..........47
圖5-29 二維平面應變之懸臂式擋土牆含止滑榫示意圖(單位:cm)...................49
圖5-30 底版未加止滑榫與加止滑榫0.3m 及0.45m 之速度歷時曲線比較圖........50
圖5-31 懸臂式擋土牆寬度3m 改變底版厚度之示意圖(單位:cm)....................51
圖5-32 懸臂式擋土牆寬度3m 改變底版厚度對速度歷時曲線訊號之影響...........52
圖5-33 懸臂式擋土牆寬度5m 改變底版厚度之示意圖(單位:cm)....................53
圖5-34 擋土牆底版厚度0.3m 不同敲擊延時之速度歷時曲線比較圖......................53
圖5-35 擋土牆底版厚度0.45m 不同敲擊延時之速度歷時曲線比較圖....................54
圖5-36 擋土牆底版厚度0.6m 不同敲擊延時之速度歷時曲線比較圖....................54
圖5-37 懸臂式擋土牆寬度5m 改變底版厚度對速度歷時曲線訊號之影響...........55
圖5-38 懸臂式擋土牆改變底版前長之示意圖(單位:cm) .................................56
圖5-39 改變擋土牆底版前長對速度歷時曲線訊號之影響......................................57
圖5-40 懸臂式擋土牆改變底版後長之示意圖(單位:cm) .................................58
圖5-41 改變擋土牆底版後長對速度歷時曲線訊號之影響......................................58
圖5-42 懸臂式擋土牆改變牆身厚度之示意圖(單位:cm) .................................59
圖5-43 改變擋土牆牆身厚度對速度歷時曲線訊號之影響......................................60
圖5-44 懸臂式擋土牆埋入後之示意圖(單位:cm) .............................................61
圖5-45 二維平面應變懸臂式擋土牆埋入土壤前後之速度歷時曲線比較圖..........62
圖5-46 三維實體模型懸臂式擋土牆寬度0.3m 埋入土壤前後之速度歷時曲線比較
圖......................................................................................................................62
圖5-47 三維實體模型懸臂式擋土牆寬度0.5m 埋入土壤前後之速度歷時曲線比較
圖......................................................................................................................63
圖5-48 懸臂式擋土牆底版加止滑榫埋入土壤後之示意圖(單位:cm).............64
圖5-49 擋土牆底版加止滑榫0.3m 埋入土壤前後之速度歷時曲線比較圖............65
圖5-50 擋土牆底版加止滑榫0.45m 埋入土壤前後之速度歷時曲線比較圖..........65
X
圖5-51 懸臂式擋土牆改變埋入土壤邊界尺寸之示意圖(單位:cm).................67
圖5-52 二維平面應變改變埋入土壤深度及長度之速度歷時曲線比較圖..............67
圖5-53 改變土壤柏松比(ν)對速度歷時曲線訊號之影響..................................69
圖5-54 改變土壤密度( S ρ )對速度歷時曲線訊號之影響.....................................70
圖5-55 改變土壤勁度( S Ε )對速度歷時曲線訊號之影響.....................................70
圖6-1 現地懸臂式擋土牆示意圖(單位:cm)............................................................74
圖6-2 Olson NDT 電腦(Olson Freedom NDT PC).....................................................75
圖6-3 Olson 應力波訊號擷取系統配件...........................................................................76
圖6-4 接收器(速度規與加速度規) ..............................................................................76
圖6-5 應力波源產生器(衝擊槌)...................................................................................77
圖6-6 敲擊延時1500μs 接收器在Y軸上距敲擊源10~50cm之速度歷時曲線圖….78
圖6-7 敲擊延時1500μs 接收器在Z軸上距敲擊源10~50cm 之速度歷時曲線圖….79
圖6-8 敲擊延時3000μs 接收器在Y軸上距敲擊源10~50cm之速度歷時曲線圖....79
圖6-9 敲擊延時3000μs 接收器在Z 軸上距敲擊源10~50cm 之速度歷時曲線圖...80
圖6-10 現地擋土牆之速度歷時曲線圖............................................................................82
X I
表目錄
表4-1 各模型尺寸介紹表........................................................................................... 23
表4-2 懸臂式擋土牆二維平面應變與三維實體模型之網格尺寸........................... 24
表5-1 二維平面應變、三維實體模型(點載重)與三維實體模型(線載重)各尺
寸模擬後所得到之抵達時間(Δt)和底版長度........................................... 33
表5-2 接收器擺設於Y 軸上時,各尺寸模擬後所得到之抵達時間(Δt)和底版長
度....................................................................................................................... 38
表5-3 接收器擺設於Z 軸上時,各尺寸模擬後所得到之抵達時間(Δt)和底版長
度....................................................................................................................... 38
表5-4 各尺寸在不同敲擊延時所得之抵達時間(Δt)和底版長度....................... 43
表5-5 各尺寸在不同接收器位置下所得之抵達時間(Δt)和底版長度............... 48
表5-6 擋土牆底版加止滑榫所求得之抵達時間(Δt)和底版長度....................... 50
表5-7 不同底版厚度所得之抵達時間(Δt)和底版長度....................................... 52
表5-8 不同底版厚度與不同敲擊延時所得之抵達時間(Δt)和底版長度........... 55
表5-9 不同底版前長所得之抵達時間(Δt)和底版長度....................................... 57
表5-10 不同底版後長所得之抵達時間(Δt)和底版長度..................................... 59
表5-11 不同牆頂長度所得之抵達時間(Δt)和長度............................................. 60
表5-12 懸臂式擋土牆埋入土壤前後所得之抵達時間(Δt)和底版長度............. 63
表5-13 底版加止滑榫埋入土壤前所得之抵達時間(Δt)和底版長度................. 66
表5-14 改變土壤邊界尺寸所得之抵達時間(Δt)和底版長度............................. 68
表5-15 改變土壤柏松比(ν)後所得之抵達時間(Δt)和底版長度................ 71
表5-16 改變土壤勁度( S ρ )後所得之抵達時間(Δt)和底版長度.................... 71
表5-17 改變土壤密度( S Ε )後所得之抵達時間(Δt)和底版長度.................... 71
表6-1 不同敲擊延時與敲擊源距接收器距離不同所得之抵達時間(Δt)和底版長
X II
度....................................................................................................................... 81
表6-2 現地實測擋土牆所得之抵達時間(Δt)和底版長度................................... 82
1.倪勝火、廖述濤,「基樁之檢測與評估」,1999公共工程非破壞檢測技術研討會論文集,臺北,第156-215頁,1999。
2.廖述濤,「基樁的脈波反應測試及力學導納分析」,檢測科技,十四卷二期(3-4),中華民國非破壞檢測協會,第94-103頁,1996。
3.倪勝火,「基樁之非破壞檢測案例」,地工技術雜誌,第52期,第49-62頁,1995。
4.倪勝火,「基樁施工之品質檢測」,非破壞檢測技術研討會,高雄,2000。
5.余文裕,「在樁帽與群樁效應下檢測基樁長度之理論與實驗研究」,碩士論文,中華大學土木工程系,新竹,2001。
6.王弘義,「基樁應力波非破壞檢測技術之比較評估」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程系,臺中,2003。
7.謝旻勳,「獨立基樁非破壞檢測訊號之研究」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程系,臺中,2004。
8.賴正昇,「脈波回音法應用於基樁之模擬與分析」,碩士論文,國立成功大學土木工程研究所,臺南,2005。
9.Carino, N.J., Sansalone, M., and Hsu, N.N.,(1986) “Flaw Detection in Concrete by Frequency Spectrum Analysis of Impact-Echo Waveforms,” International Advances in Nondestructive Testing, 12th Edition, W.J. McGonnagle, Ed., Gordon & Breach Science Publishers, New York, pp.117-146.
10.Lin, Y. and Sansalone, M.,(1992) “Detecting Flaws in Concrete Beams and Columns Using the Impact-Echo Method,” ACI Materials Journal, Vol.89, No.4, pp.394-405.
11.Lin, Y. and Sansalone, M.,(1992) “Transient Response of Thick Circular and Square Bars Subjected to Transverse Elastic Impact,” Journal of the Acoustical Society of America, Vol.91, No.2, February, pp.885-893.
12.Lin, Y. and Sansalone, M.,(1992) “Transient Response of Thick Rectangular Bars Subjected to Transverse Elastic Impact,” Journal of the Acoustical Society of America, Vol.91, No.5, May, pp.2674-2685.
13.楊舒慈,「利用音波回音法檢測擋土結構物高度之可行性評估」,碩士論文,朝陽科技大學營建工程系,臺中,2006。
14.ANSYS使用手冊。
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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