臺灣博碩士論文加值系統

現今大型土工重要及永久結構物，多以粒狀土壤做為回填材料。然而，至目前為止，極少有相關研究嘗試探討粒狀地盤材料之剪裂帶厚度隨粒徑的增加而增加的粒徑效果對加勁擋土牆之強度與變形之影響。著眼於此，本研究以平面應變模型牆進行一系列模型實驗，模型牆體尺寸長為250cm，寬為80cm，高為110cm。背填土之平均粒徑分別為10.1mm, 5.2mm 及0.4mm之砂質礫石與砂土，加勁材料為三種不同勁度之地工格網。採單調垂直加載方式於模型基腳 (尺寸長為75 cm，寬為30 cm)，加載位置距離牆面85 cm。模型牆正面為透明壓克力製之觀測面，藉由影像處理方式，觀察試驗過程之剪裂帶發展趨勢。試驗結果顯示，粒徑較大之材料，有較高之極限強度。背填土粒徑大小以及加勁材勁度為影響強度之重要因素，加入加勁材能提高強度約1.6~3.6倍。粒徑較大之試驗自尖峰狀態到達殘餘狀態所需要的位移量相對較多。剪裂帶之厚度與粒徑大小有直接之關係，粒徑越大其剪裂帶厚度相對較大。本研究之剪裂帶厚度與粒徑大小之關係約為16~27倍的D50。

Many geosynthetics-reinforced soil (GRS) retaining wall with granular backfill have been used as permanent and important structure. In view of the above, a series of plane strain model test was performed in this study. The dimensions of the plane strain model wall were 250 cm (width) × 80 cm (depth) × 110 cm (height). Three types of granular sandy gravels and sand with its D50 ranging from 10.1mm to 0.4 mm were used and three types of geogrids with different stiffness were used. Monotonic vertical loading was applied in the model footing which was 85 cm apart from the facing of wall. The deformation patterns of granular soils were observed in the tests through the front transparent acryl plates. A photogrammetric analysis procedures was used to define the thickness of shear zone. Test results showed that the failure strength were increased with an increase in soil particle sizes. The ultimate bearing capacity of footing in GRS could be increased from 1.6 to 3.6 times to that of unreinforced one. The shear zone patterns became distinct after the occurrence of peak strength and the thickness of shear zone were about 16~27 times toD50.

目 錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii

第一章 緒論 1
1.1動機與目的 1
1.2研究方法 1
1.3 研究內容 2
第二章 文獻回顧 5
2.1 加勁理論 5
2.2 粒徑效果 11
2.3 加勁土壤破壞型態 17
2.4 相關試驗方法回顧 19
2.4.1全尺寸模型試驗 19
2.4.2 縮尺模型試驗 19
2.4.3 拉出與直剪試驗 22
第三章 模型試驗儀器介紹 39
3.1 前言 39
3.2 試驗區域規劃 39
3.3 加勁模型牆之設計 42
3.4 垂直加載系統 49
3.5 夯實設備 53
3.6 量測設備與記讀儀器 56
3.6.1 計測儀器 56
3.6.2 橡皮摩標點繪製 56
3.6.3 影像擷取 57
第四章 加勁模型牆平面應變試驗 61
4.1 加勁模型牆之試驗規劃 61
4.2 砂土之基本性質 65
4.2.1 粒徑分析試驗 65
4.2.2 含水量試驗 66
4.2.3 比重試驗 66
4.2.4 相對密度試驗 66
4.3 加勁材料簡介 69
4.4 模型牆側壁之摩擦阻抗 72
4.5 加勁模型牆試驗流程 73
4.5.1 填土前準備工作 73
4.5.2 填土作業 74
4.5.3 試驗進行過程與資料擷取 75
4.6 影像處理之流程 76
4.6.1座標擷取流程 76
4.6.2最大剪應變值之計算 77
4.6.3剪裂帶區域繪製概述 84
第五章 模型試驗結果與討論 93
5.1 前言及回顧 93
5.2 加勁模形牆試驗結果 94
5.2.1 加勁模型牆垂直承載力與垂直位移之行為 94
5.2.2 強度軟化之探討 97
5.2.3 牆面側向位移 109
5.3 相異粒徑材料對剪裂帶厚度之影響 119
5.3.1 單一區塊與合併區塊剪裂帶之比較 119
5.3.2 系列A (未加勁情況) 119
5.3.3 系列B (60×60 kN/m) 120
5.3.4 系列C (60×30 kN/m) 120
5.3.4 系列D (100×30 kN/m) 121
第六章 結論與建議 136
6.1 結論 136
6.2 建議 137
參 考 文 獻 139

附錄A MatLab_ NormalTrue.m 程式碼 142
附錄B 零伸張方向向量圖 152
附錄C 各試驗原始照片與數位化格點圖 164


表目錄

表3-2 夯實機之性能諸元 54
表3-3 夯實機引擎性能諸元 54
表4-1 加勁模型牆之試驗規劃表 62
表4-2 本研究粒徑分析試驗之結果 66
表4-3 土壤物理性試驗之結果 67
表4-4 加勁格網之基本性質及規格(100×30 kN/m) 70
表5-1 系列A之模型試驗內容與試驗結果 99
表5-2 系列B之模型試驗內容與試驗結果 99
表5-3 系列C之模型試驗內容與試驗結果 100
表5-4 系列D之模型試驗內容與試驗結果 100
表5-5 系列B (60×60 kN/m)之強度增量 101
表5-6 系列C之強度增量 101
表5-7 系列D之強度增量 101
表5-8 單一區塊與合併區塊剪裂帶厚度之比較 122
表5-9 系列A (UR)之剪裂帶厚度 122
表5-10 系列B (60×60 kN/m)之剪裂帶厚度 123
表5-11 系列C (60×30 kN/m)之剪裂帶厚度 123
表5-12 系列D (100×30 kN/m)之剪裂帶厚度 123


圖目錄

圖1-1 研究流程圖 4
圖2-1 土壤加勁之機制示意圖 (摘自盟鑫工業) 8
圖2-2 土壤加勁之機制 (Jewell, 1987) 8
圖2-3 承載力與B/ D50之關係圖 (Jewell, 1990) 9
圖2-4 加勁格網尺寸之定義 (Jewell, 1990) 9
圖2-5 加勁格網於土壤內之加勁示意圖 (Jewell, 1990) 10
圖2-7 平面應變試驗之結果 (Yoshida and Tatsuoka, 1997) 12
圖2-8平面應變試驗使用材料之粒徑分布曲線 (Yoshida and Tatsuoka, 1997) 13
圖2-9 S.L.B砂之剪裂帶示意圖， =78 kPa (Yoshida and Tatsuoka, 1997) 14
圖2-10 Karlsrule砂之剪裂帶示意圖， =392 kPa (Yoshida and Tatsuoka, 1997) 14
圖2-11 破壞面上剪位移之定義 (Yoshida and Tatsuoka, 1997) 15
圖2-12 相對剪變位與應力軟化程度關係圖 (Yoshida and Tatsuoka, 1997) 15
圖2-13 平均粒徑D50與剪變位關係圖 (Yoshida and Tatsuoka, 1997) 16
圖2-14 全尺寸模型擋土牆試驗 (Bathurst et al., 2000) 25
圖2-15 擋土牆試驗規劃圖 (Bathurst et al., 2000) 25
圖2-16 模型砂槽設備圖 (鄭智元，1994) 26
圖2-17 模型擋土牆應變量測結果 (鄭智元，1994) 26
圖2-18 小型模型擋土牆示意圖 (Gomes, et al., 1994) 27
圖2-19 模型牆之破壞面式樣與位置 (Gomes, et al., 1994) 27
圖2-20 加勁邊坡模型試驗示意圖 (Huang, et al., 1994) 28
圖2-21 基礎底層剪應變等值圖 (Huang, et al., 1994) 28
圖2-22 位於加勁邊坡上之基礎其剪裂面破壞式樣 (Huang, et al., 1994) 29
圖2-23 基礎模型試驗設備示意圖 (Yamamoto and Kusuda, 2001) 30
圖2-24 基礎模型試驗之應變場分析結果 (Yamamoto and Kusuda, 2001) 30
圖2-25 一系列拉出試驗之試驗結果 (Alfaro et al., 1995) 31
圖2-26 模型試驗正向應力之影響 (Alfaro, 1995) 32
圖2-27 拉出試驗之位移-載重曲線圖(Alfaro, 1995) 33
圖2-28 土壤顆粒受剪膨脹示意圖 (Bolton，1986) 33
圖2-29 觀測膨脹量之點位如圖所示之a、b兩點 34
圖2-30 加勁土(豐浦砂)直接剪力試驗結果(Wu，2003；吳博凱，2005) 35
圖2-31 加勁土(礫石)直接剪力試驗結果(Wu, 2003；吳博凱，2005) 36
圖2-32(a) 未加勁豐浦砂(Test CPT06)剪力面樣式 (Wu, 2003) 37
圖2-33(a) 加勁豐浦砂(Test CPT07, 加勁材PB)剪力面樣式 (Wu, 2003) 37
圖2-33(b) 重繪後之加勁豐浦砂(Test CPT07)剪力面樣式 (Wu, 2003) 37
圖2-32(c) 未加勁豐浦砂(Test CPT06)剪力面之剪應變等值圖 (Wu, 2003) 37
圖2-33(b) 加勁豐浦砂(Test CPT07)剪力面上之剪應變等值圖 (Wu, 2003) 37
圖2-34(a) 未加勁礫石(Test CPG02)剪力面樣式 (Wu, 2003) 38
圖2-35(a) 加勁礫石(Test CPG05, 加勁材PB)剪力面樣式 (Wu, 2003) 38
圖2-34(b) 重繪後之未加勁礫石(Test CPG02)剪力面樣式 38
圖2-35(b) 重繪後之加勁礫石(Test CPG05)剪力面樣式 (Wu, 2003) 38
圖2-34(c) 未加勁礫石(Test CPG05)剪力面之剪應變等值圖 (Wu, 2003) 38
圖2-35(c) 加勁礫石(Test CPG05)剪力面上之剪應變等值圖 (Wu, 2003) 38
圖3-1 土槽試驗區尺寸示意圖 40
圖3-2 土槽試驗區現場空間示意圖 41
圖3-3 模型牆之正視圖 44
圖3-4 模型牆之俯視圖 44
圖3-5模型牆之側視圖 45
圖3-6 模型牆之鋼管斜撐 45
圖3-7 模型牆之水平橫桿 46
圖3-8 剛性介面之示意圖 46
圖3-9 筏式客土袋 47
圖3-10 弱面筏式客土袋示意圖 47
圖3-11 模型牆上方橫樑加固 48
圖3-12 MTS油壓式加載系統 50
圖3-13 MTS油壓千斤頂之細部設計圖 50
圖3-14 MTS油壓千斤頂之剛性承壓座 51
圖3-15 剛性承壓座之細部設計圖 51
圖3-16 上部萬向接頭之調整勾鎖 52
圖3-17下部萬向接頭之高拉力螺栓結合 52
圖3-18 夯實機外觀尺寸設計圖 55
圖3-19 為夯實機之實體照片 55
圖3-20 LP-300FX位移計(LVDT) 58
圖3-21 壓克力板 58
圖3-22 KYOWA UCAM-60A資料擷取系統 59
圖3-23 觀測顆粒滑動之橡皮膜 59
圖3-24 Canon EOS 30D數位單眼相機 60
圖3-25快門控制器 60
圖4-1 系列A之加勁模型牆試驗配置圖 (吳尚哲，2007) 63
圖4-2 系列C及系列D之加勁模型牆試驗配置圖 63
圖4-3 系列B之加勁模型牆試驗配置圖 64
圖4-4 背填土材料示意圖 68
圖4-5 粒徑分析試驗之結果 68
圖4-6 試驗之加勁格網示意圖 (摘自盟鑫工業) 71
圖4-7 橡皮膜標點之描繪 85
圖4-8 橡皮膜之搭接順序 86
圖4-9觀測面橡皮膜黏貼完成 87
圖4-10 剛性側牆橡皮膜黏貼完成 87
圖4-11 鋪設底層加勁材 88
圖4-12 側牆以鋼板支撐 88
圖4-13 加勁材料回包 89
圖4-14 加勁模型牆主體準備工作完成 89
圖4-15 平面應變模型試驗架設完成 90
圖4-16 鋼板劃分之觀測面範圍 90
圖4-17 觀測面區塊劃分 91
圖4-18 手動標點 91
圖4-19 平面座標與空間平面上的等參元素 92
圖4-20 Test03之最大剪應變場等高線圖 92
圖5-1 系列A(UR)之載重與位移關係圖 102
圖5-2 系列B(60×60 kN/m)之載重與位移關係圖 103
圖5-3 系列C(60×30 kN/m)之載重與位移關係圖 104
圖5-4 系列D(60×30 kN/m)之載重與位移關係圖 105
圖5-5 系列A強度軟化程度與變形之關係 106
圖5-6系列C強度軟化程度與變形之關係 107
圖5-7系列D強度軟化程度與變形之關係 108
圖5-8 系列A尖峰狀態之牆面側向位移 111
圖5-9 系列A殘餘狀態之牆面側向位移 112
圖5-10 系列B尖峰狀態之牆面側向位移 113
圖5-11 系列B殘餘狀態之牆面側向位移 114
圖5-12 系列C尖峰狀態之牆面側向位移 115
圖5-13 系列C殘餘狀態之牆面側向位移 116
圖5-14 系列D尖峰狀態之牆面側向位移 117
圖5-15 系列D殘餘狀態之牆面側向位移 118
圖5-16 單一區塊與合併區比較示意圖 (取自Test03 殘餘狀態) 124
圖5-17 Test03 (UR_D50=5.23 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 125
圖5-18 Test03(UR_D50=5.23 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 125
圖5-19 Test04(UR_D50=10.12 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 126
圖5-20 Test04(UR_D50=10.12 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 126
圖5-21 Test05(UR_D50=0.4 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 127
圖5-22 Test05(UR_D50=0.4 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 127
圖5-23 Test01(R60×60 kN/m_D50=5.23 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 128
圖5-24 Test01(R60×60 kN/m_D50=5.23 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 128
圖5-25 Test02(R60×60 kN/m_D50=10.12 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 129
圖5-26 Test02(R60×60 kN/m_D50=10.12 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 129
圖5-27 Test06(R60×30 kN/m_D50=5.23 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 130
圖5-28 Test06(R60×30 kN/m_D50=5.23 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 130
圖5-29 Test07(R60×30 kN/m_D50=10.12 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 131
圖5-30 Test07(R60×30 kN/m_D50=10.12 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 131
圖5-31 Test08(R60×30 kN/m_D50=0.4 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 132
圖5-32 Test08(R60×30 kN/m_D50=0.4 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 132
圖5-33 Test09(R100×30 kN/m_D50=5.23 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 133
圖5-34 Test09(R100×30 kN/m_D50=5.23 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 133
圖5-35 Test10(R100×30 kN/m_D50=10.12 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 134
圖5-36 Test10(R100×30 kN/m_D50=10.12 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 134
圖5-37 Test11(R100×30 kN/m_D50=0.4 mm)尖峰狀態之最大剪應變場等高線圖 135
圖5-38 Test11(R100×30 kN/m_D50=0.4 mm)殘餘狀態之最大剪應變場等高線圖 135

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