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研究生:顏士喨
研究生(外文):Shih-Liang Yen
論文名稱:鄰近土壤邊坡之深開挖工程行為探討
論文名稱(外文):A Study of Engineering Behavior on Deep Excavation Adjacent to Soil Slope
指導教授:黃添坤黃添坤引用關係
口試委員:陳景文陳正炎
口試日期:2017-06-29
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:土木工程學系所
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:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:82
中文關鍵詞:深開挖卵礫石硬黏土Plaxis 2D有限元素程式
外文關鍵詞:deep excavationgravelhard clayPlaxis 2D finite element program
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台灣地形受板塊擠壓影響狹長且陡峭,隨著人口密度增加,平原地區開發已趨近飽和,山坡地之利用已是不可避免的趨勢,在山坡地積極開發的當下,我們更應重視鄰近邊坡之地下深開挖工程之安全性探討,避免日後造成不可挽回的災害。
本研究利用有限元素Plaxis 2D程式於邊坡不同距離及不同土層時,對深開挖工程進行相關的數值分析,分析結果顯示:
一、邊坡土層性質對於擋土柱之水平位移、彎矩及剪力皆有顯著之影響,尤對擋土柱之水平位移影響甚大,卵礫石層相較於硬黏土層,其減少率約為90%,應是卵礫石層有較高之勁度所導致。
二、邊坡土層性質對於開挖內支撐軸力也有顯著之影響,尤對最下層支撐影響甚大,卵礫石層相較於硬黏土層,其減少率約為80%。
三、與坡趾之水平距離介於3-5m時,對於擋土柱之水平位移、彎矩及剪力影響情形較不明顯,其最大變化率約為13.5%。
四、與坡趾之水平距離介於3-5m時,對於開挖內支撐軸力影響情形較不明顯,其最大變化率約為8.5%。
Taiwan''s terrain is affected by plate jam and becomes long, narrow and steep. The increased population density enforces the plain terrain development close to saturation, and the exploitation of slope is an inevitable trend.
To comply with the active development of the hillside, we should pay more attention to the safety of deep excavation adjacent to slope in order to avoid the induced irreversible disaster in later time.
In this study, the finite element Plaxis 2D program is used to analyze the deep excavation at different distances near slope and varied soil layers. The analyzed results indicate that:
(1)The characteristics of the slope soil layers have significant effect on the horizontal displacement, bending moment and shearing force of the retaining column, especially for the horizontal displacement of the retaining column. The reduction rate of the gravel layer is about 90% compared with the hard clay layer. This is attributed to that the gravel layer is relatively stiff.
(2)The characteristics of the slope soil layers have also significant effect on the internal axial force of the excavation, especially in the lower layer. The reduction rate of the gravel layer is about 80% compared with the hard clay layer.
(3)For the horizontal distance in the range of 3~5m near the slope toe, the effect is found not so significant as soil characteristics in the horizontal displacement, bending moment and shearing force of the retaining column. The maximum differential rate is about 13.5%.
(4)For the horizontal distance in the range of 3~5m near the slope toe, the little effect is found on the internal axial force of the excavation. The maximum differential rate is about 8.5%.
摘要 i
ABSTRACT ii
目錄 iii
表目錄 vi
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 研究方法 4
1.4 研究內容 5
第二章 文獻回顧 6
2.1 邊坡 6
2.1.1 邊坡簡介 6
2.1.2 邊坡型式 7
2.2 莫爾-庫倫破壞準則 8
2.3 土壤性質 10
2.3.1 卵礫石層之力學行為 10
2.3.2 卵礫石層深開挖設計注意事項 11
2.3.3 片狀土與球狀土比較 12
2.4 擋土結構 14
2.4.1 擋土結構之作用力 14
2.4.2 擋土結構型式 14
2.4.3 擋土結構變形 18
2.4.4 擋土支撐型式 19
2.4.5 擋土支撐之設計 23
2.5 深開挖 24
2.5.1 深開挖之變形 24
2.5.2 深開挖工程施工災害原因 25
2.5.3 深開挖引致之地表沉陷 27
第三章 研究方法 29
3.1 前言 29
3.2 Plaxis 2D數值分析程式 29
3.3 有限元素模型建立 32
3.3.1 元素模型 32
3.3.2 土壤參數 33
第四章 研究範例之模型建立 36
4.1 研究範例 36
4.2 分析案例 39
4.3 土層及擋土結構相關材料參數 41
第五章 研究範例分析 43
5.1 前言 43
5.2 Plaxis分析步驟 43
5.3 研究範例一 46
5.4 研究範例二 53
5.5 研究範例三 60
5.6 研究範例四 67
5.7 研究範例分析結果與討論 74
第六章 結論與建議 79
6.1 結論 79
6.2 建議 80
參考文獻 81

表目錄
表2-1 片狀土與球狀土比較表 13
表2-2 國內開挖基地常用之擋土工法彙整表 17
表2-3 國內開挖基地常用之支撐型式彙整表 22
表3-1 各種土壤之彈性模數 34
表3-2 各種材料之柏松比 35
表4-1 擋土柱材料參數 41
表4-2 支撐材料參數 42
表4-3 土層材料參數 42
表5-1 各範例之水平距離與土層性質 45
表5-2 研究範例一各層支撐軸力變化情形 52
表5-3 研究範例二各層支撐軸力變化情形 59
表5-4 研究範例三各層支撐軸力變化情形 66
表5-5 研究範例四各層支撐軸力變化情形 73
表5-6 研究範例之擋土柱分析結果統計表 74
表5-7 研究範例之支撐軸力分析結果統計表 74
表5-8 Case1、2之變化率彙整表 75
表5-9 Case3、4之變化率彙整表 76
表5-10 Case1、3之變化率彙整表 77
表5-11 Case2、4之變化率彙整表 78

圖目錄
圖1-1 研究流程圖 4
圖2-1 邊坡各部位之名稱 6
圖2-2 莫爾圓與破壞包絡線 9
圖2-3 不同沉陷型態之示意圖 28
圖3-1 6-Nodes和15-Nodes三角形元素 32
圖4-1 研究範例示意圖 36
圖4-2 深開挖模擬示意圖 37
圖4-3 擋土支撐示意圖 38
圖4-4 Case1-水平距離為3m,土層為硬黏土 39
圖4-5 Case2-水平距離為3m,土層為卵礫石 40
圖4-6 Case3-水平距離為5m,土層為硬黏土 40
圖4-7 Case4-水平距離為5m,土層為卵礫石 41
圖5-1 開挖分析步驟示意圖 44
圖5-2 研究範例一變形網格 47
圖5-3 研究範例一總位移圖 48
圖5-4 研究範例一擋土柱水平位移圖 49
圖5-5 研究範例一擋土柱彎矩圖 50
圖5-6 研究範例一擋土柱剪力圖 51
圖5-7 研究範例二變形網格 54
圖5-8 研究範例二總位移圖 55
圖5-9 研究範例二擋土柱水平位移圖 56
圖5-10 研究範例二擋土柱彎矩圖 57
圖5-11 研究範例二擋土柱剪力圖 58
圖5-12 研究範例三變形網格 61
圖5-13 研究範例三總位移圖 62
圖5-14 研究範例三擋土柱水平位移圖 63
圖5-15 研究範例三擋土柱彎矩圖 64
圖5-16 研究範例三擋土柱剪力圖 65
圖5-17 研究範例四變形網格 68
圖5-18 研究範例四總位移圖 69
圖5-19 研究範例四擋土柱水平位移圖 70
圖5-20 研究範例四擋土柱彎矩圖 71
圖5-21 研究範例四擋土柱剪力圖 72
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