第五章 結論與建議
5.2 建議
1、本模型試驗是以瞬間解壓方式來模擬開挖結束時土壤整體變形行 為,因此無法反應開挖過程中之行為,未來可依不同尺寸需要以逐層 刮除的方式模擬開挖,取代瞬間開挖,比較各階段開挖對土壤變位和 壁後沉陷之影響。
2、本研究以 2D 平面分析之程式模擬驗證全區塊狀改良試驗之正確 性雖得到相同之趨勢,但其結果似乎仍有進步之空間,且對於柱狀及
壁狀改良之較複雜之行為,2D 程式似乎仍不敷使用,因此未來可使 用 3D 程式進行模擬,並可對參數多加研究,以期得到更準確之結果。
3、本研究所使用之超軟黏土模型試驗為較快速且經濟之試驗方法,
其理論根據為原型與模型之穩定數相同,與離心機試驗原理類似,因 此,若未來可以離心機試驗與本超軟黏土模型試驗作一交叉驗證,勢 必可使整體內容更臻完善。
4、本試驗結果以竹籤標示物顯示土壤之變位量,並以高畫素之數位 相機拍照後疊圖,再以繪圖軟體繪出位移向量圖求取位移量,雖然可 得合理之結果,但亦會造成些許誤差,且使用之竹籤也不免會造成對 超軟黏土加勁之作用,因此,未來可以較切合實用之材料並以自動讀 取位移量之系統,以求量取土壤位移量更正確之值。
5、本模型試驗儀器除了用於本研究探討的開挖模擬外,未來尚可於 邊坡滑動方面進行模擬,但視本研究開挖前後之位移向量圖,可看出 本模型試驗若用於模擬邊坡滑動時,滑動區域可能超過本模型之邊 界,因此,未來若將本模型使用於模擬邊坡滑動時,可以訂製尺寸更 大的模型儀器進行模擬,以期達到正確之模擬結果。
參考文獻
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表 2-1 不同國家所發展之落錐試驗儀比較(杜明昇,2002)
發展國家 錐尖角度
(°)
錐重 (g)
液性限度對應之貫 入深度 (mm) USSR cone
(Vasilev 1949) 30 76 10.0
Indian cone
(Sowers et al. 1959) 31 148 25.4
Georgia Institute of Technology cone
(Sowers et al. 1959) 30 75 10.0
Swedish cone
(Karlsson 1961, 1977) and CAN/BNQ 2501-090-M-86
60 60 10.0
French cone
(Leflaive 1971) 30 80 17.0
British cone
(Shrewood and Ryley1970;BSI 1975) 30 80 20.0
表 2-2 不同理論與經驗法所求出之圓錐係數kα(Ζreik et al.,1995) values for smooth cones
表 3-1 條件與試驗代號對照表
表 4-1 基本物理試驗結果
土壤分類 比重 液性限度(%) 塑性限度(%) 塑性指數
CL 2.68 41 23 18
表 4-2 依彈簧勁度及葉片大小換算之公式 葉片尺寸
彈簧勁度 D=H=12.7mm D=H=25.4mm D=H=38.1mm K1=3.14
(N-mm/degree) C(kPa)=0.732*θ C(kPa)=0.092*θ C(kPa)=0.027*θ K2=2.50
(N-mm/degree) C(kPa)=0.584*θ C(kPa)=0.073*θ C(kPa)=0.022*θ K3=1.74
(N-mm/degree) C(kPa)=0.406*θ C(kPa)=0.051*θ C(kPa)=0.015*θ K4=1.26
(N-mm/degree) C(kPa)=0.294*θ C(kPa)=0.037*θ C(kPa)=0.011*θ 表 4-3 不 同 土 壤 強 度 下 之
u
Es s (kPa) u
1.834 1.437 0.745 0.383 0.245
q
y (g/cm2) 109 81 53 26.4 19表 4-4 簡化土層分佈表(改自謝百鉤,2002)
深度(m) 分類 SPT-N 值 γt(kPa) LL(%) PI(%) su(kPa) φ′( )D 0-3.5 Fill - - - - 3.5-6.5 CL 4 18.64 39.1 16.6 24-34 30 6.5-9.5 SM 6 18.64 - - - 30 9.5-18.9 CL 5 18.64 37.6 15.5 35-45 30 18.9-21.9 SM 20 19.13 - - - 32 21.9-26.4 CL 7 18.64 34.1 13.8 50-65 30 26.4-28.9 SM 14 19.13 - - - 31 28.9-33.6 CL 11 18.64 36.6 14.4 60-80 30 33.6-36.2 SM 25 20.11 - - - 32 36.2-38.3 GM >50 20.6 - - - 40
表 4-5 塊狀不同改良強度與平均變位量及改良成效比較 開挖寬度 30cm、開挖深度 10cm,擋土壁長度 20cm
改良範圍【W(cm)×H(cm)】,平均變位量(cm) 改良強度(kPa)
5×20 10×20 15×20
0.4(無改良) 2.60(0) 2.60(0) 2.60(0) 1.2 1.70(34.6) 1.53(41.2) 0.90(65.4)
2 1.41(45.8) 1.15(55.8) 0.75(71.2) 4 1.04(60.0) 0.64(75.4) 0.54(79.2)
*( )表改良成效,而改良成效定義如下:
改良成效(%)=(無改良之變形量-改良後之變形量) / 無改良變形量
表 4-6 柱狀不同改良率與平均變位量及改良成效比較 開挖寬度 30cm、開挖深度 10cm,擋土壁長度 20cm
改良範圍【W(cm)×H(cm)】,平均變位量(cm) 改良率(%)
5×20 10×20 15×20
0(無改良) 2.60(0) 2.60(0) 2.60(0) 20 2.08(20.2) 1.67(35.8) 1.56(40.0) 40 1.51(42.1) 1.31(49.6) 1.27(51.2)
*改良率 (%)=改良土體面積/總面積
*( )表改良成效,而改良成效定義如下:
改良成效(%)=(無改良之變形量-改良後之變形量) / 無改良變形量
表 4-7 壁狀不同改良率與平均變位量及改良成效比較 開挖寬度 30cm、開挖深度 10cm,擋土壁長度 20cm
改良範圍【W(cm)×H(cm)】,平均變位量(cm) 改良率(%)
5×20 10×20 15×20
0(無改良) 2.60(0) 2.60(0) 2.60(0) 20 1.91(26.5) 1.58(39.2) 1.12(56.9) 40 1.31(49.5) 1.16(55.4) 0.88(66.1)
*改良率 (%)=改良土體面積/總面積
*( )表改良成效,而改良成效定義如下:
改良成效(%)=(無改良之變形量-改良後之變形量) / 無改良變形量
表 4-8 貫入硬土層與否之塊狀改良平均變位量及改良成效比較 開挖寬度 30cm、開挖深度 10cm,擋土壁長度 20cm
改良範圍【W(cm)×H(cm)】,平均變位量(cm) 改良強度(kPa)
10×20(無貫入硬土層) 10×20(貫入硬土層)
0.4(無改良) 2.60(0) 2.34(0) 1.2 1.53(41.2) 1.06(54.7)
2 1.15(55.8) 0.82(65.0) 4 0.64(75.4) 0.41(82.5)
*( )表改良成效,而改良成效定義如下:
改良成效(%)=(無改良之變形量-改良後之變形量) / 無改良變形量
表 4-9 貫入硬土層與否之柱狀改良平均變位量及改良成效比較 開挖寬度 30cm、開挖深度 10cm,擋土壁長度 20cm
改良範圍【W(cm)×H(cm)】,平均變位量(cm) 改良率(%)
10×20(無貫入硬土層) 10×20(貫入硬土層)
0(無改良) 2.60(0) 2.34(0)
20 1.67(35.8) 1.36(41.9) 40 1.31(49.6) 1.12(52.1)
*改良率 (%)=改良土體面積/總面積
*( )表改良成效,而改良成效定義如下:
改良成效(%)=(無改良之變形量-改良後之變形量) / 無改良變形量
杜明昇(2002) 鄭肇杰(2003) 梁文耀(2004) 楊才賢(2004) 本研究(2005)
15cm 15cm 20cm
50cm
15cm 15cm 20cm
15cm
表 4-12 柱狀改良複合土體強度與α值之試驗結果
改良區:W/3 * H 改良區:2W/3 * H 改良區:W * H
無貫入硬土層
Ir=20.9% Ir=40.8% Ir=20.4% Ir=40.8%
Ir=90.6%
楊才賢 (2004)
Ir=20.9% Ir=40.8%
平均變位量(cm) 2.08 1.51 1.67 1.31 1.04 1.56 1.27
對應之τeq(kPa) 0.75 1.53 0.99 1.40 2.98 0.82 0.96
α 0.20 0.32 0.33 0.28 0.33 0.24 0.18
表 4-13 有無貫入硬土層之複合土體強度與α值之試驗結果
貫入硬土層 無貫入硬土層
改良區:2W/3 * H
Ir=20.4% Ir=40.8% Ir=20.4% Ir=40.8%
平均變位量(cm) 1.36 1.12 1.67 1.31
對應之τeq (kPa) 1.02 1.21 0.99 1.4
α 0.33 0.24 0.33 0.28
表 4-14 程式分析使用之參數
圖 2-1 落錐幾何形狀及貫入深度關係(Hansbo, 1957)
錐角,α (°)
圖 2-2 kex 與kth 關係(Zreik et al., 1995) α
Soil
Weight W
α
Weight W
d
T
2T
2T
1H
D
表面積 H =πDH
D
轉動方向
(a) (b) 圖 2-3 (a)十字葉片及轉動方向 (b)土壤之抵抗扭矩
圖 2-4 圓柱表面之剪應力抵抗扭矩
H
D
轉動方向
抵 抗 扭 矩 T 1
剪應力=s
表面積=πDH
(a) (b)
圖 2-5 (a)圓柱上下兩端面之剪應力分布 (b)截取端面一元素
D
D 表面積
=πD
2/4 2r/3
r=D/2
圖 2-6 典型離心機之剖面圖(Davies et al., 1989) (1) 掛台
(3)流體通道 (5)平衡呆重 (7)馬達
(2) 電源及動力系統 (4)集流環柱
(6)量測系統 (8)齒輪箱
圖 2-7 土壩原型與 1/N 縮尺離心模型分別在 1g 及 Ng 離心力場 及有效覆土應力(李崇正等人,1994)
圖 2-8 原型與離心模型之應力誤差(李崇正等人,1994) 土壩原型
土壩 1/N 縮尺模型
全尺寸分析
a.懸臂式 b.加支撐 c.加 tie rod
軸對稱分析
a.懸臂式 b.加地錨 c.加 tie rod
圖 2-9 過去離心機開挖模型試驗儀器之分類(黃思銘,2001)
ng:increasing
Cu
total stress Δu:unknown
retaining wall D:fixed
H:fixed
圖 2-10 Lyndon and Schofield 之離心機開挖模型 (Lyndon and Schofield, 1970)
ng:constant
rsat
σh=z γw+ k0σ'v Δu:known
retaining wall A
liquid:γ l = γsat σh zγw+k0σ'v
C = 0 φ = 0
Valve
圖 2-11 Kusakabe 之離心機開挖模型(Kusakabe, 1982)
圖 2-12 Kimura et al.之離心機開挖模型(Kimura et al., 1993)
(a) 向內擠進
(b) 隆起
圖 2-13 黏土層開挖破壞示意圖(陳煌明,1987)
圖 2-14 全土壓力示意圖
圖 2-15 構造基礎設計規範建議之土壓力平衡法示意圖 (大地工程學會,1998)
LA
LP
PP PA
土壓力與支撐力平衡
Ms
LA
LP
PP PA
5 .
≥1
= −
S A A
P P
p PL M
L F P
圖 2-16 依式(2-9)求得在不同 2su / γh 下 H/h 與 FP之關係圖 (廖洪鈞、許世宗,1990)
0 1 2 3 4 5
1 2 3
H / h Fp
2 S u/γh= 0 .2 2 S u/γh= 0 .4 2 S u/γh= 0 .6 2 S u/γh= 0 .8 2 S u/γh= 1 .0
圖 2-17 條形載重承載力分析示意圖(Burland et al., 1981)
圖 2-18 Burland Method 示意圖
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
1 2 3 4
2Su/γh=0.6 2Su/γh=0.7 2Su/γh=0.8 2Su/γh=0.9 2Su/γh=1.0
Fr
H / h
圖 2-20 Burland Method 於不排水黏土狀況下之分析結果 (Burland et al., 1981)
寬度B1之破壞面 寬度B1之破壞面
寬度B1之破壞面 開挖區兩側均形成破壞面
圖 2-21 承載重法之底面隆起破壞分析示意圖 (Terzaghi, 1943)
圖 2-22 Terzaghi 法之隆起分析示意圖 (a) D≥ B/ 2 (b) D<B/ 2
圖 2-23 Bjerrum and Eide 法之 底 面 隆 起 破 壞 分 析 示 意 圖 (Bjerrum and Eide, 1956)
圖 2-24 Skempton 承載力係數Nc值 (Skempton, 1951)
(a)寬度 2B1之破壞面 (b)破壞面涵蓋整個開挖面
(a) 破壞圓通過兩層土壤之Nc,s值
(b) 破壞圓切於下層土壤頂部之Nc,s值 (c) 寬度修正fd值
圖 2-25 Bjerrum and Eide 法通解( DM7.2, 1982 )
圖 2-26 力矩平衡法之破壞圓圓心位置
圖 2-27 不同圓弧破壞分析方法之結果(劉泉枝等人,1997)
圖 2-28(a) 以開挖面位置為圓心取力矩分析之示意圖
圖 2-28(b) 以底撐位置為圓心取力矩分析之示意圖
圖 2-28(c) 以臨界圓心位置為圓心取力矩分析之示意圖
圖 2-29 由公式 2-25 求出之貫入深度與安全係數的關係 (廖洪鈞、許世宗,1990)
H =
N b s u γ
(a)彈性狀態(Nb<3.14)
(b)塑性狀態(3.14<Nb<5.14)
(c)塑性狀態(Nb>5.14)
圖 2-30 Peck 法之Nb值與開挖面下黏土應力狀態關係圖 (石正義,1992)
圖 2-31 保留被動土楔百分率示意圖
圖 2-32 傳統土堤寬度坡度設計示意圖
(a) (b) (c) 圖 2-33 典型的開挖之地盤改良型式 (a)塊狀 (b)柱狀 (c)壁狀
(改自歐章煜,2002)
圖 2-34 改良樁受力示意圖(改自歐章煜,2002)
地表面 地表面 地表面
開挖面 開挖面 開挖面
擋 土 壁
擋 土 壁
擋 土 壁
軸向解壓
改良樁
試驗土樣準備
重模土壤之準備
( 、 、
烘乾 粉碎 過
# ) 40
, 根據不同試驗需要 調整
, ,
土層強度 改良強度 改
,
良型式 改良範圍
將試驗土樣置入模型試驗
,
儀 並利用數位相機監測 土壤變位及壁體位移情形
試驗結果分析
利用落錐試驗求出 重模土壤之強度與
含水量關係
以實驗室十字片剪力 試驗再次確定土壤之
不排水剪力強度
圖 3-1 研究計畫流程
圖 3-2 落錐試驗儀
second set start
05
I. 電子自動控制器
A. 基座
B. 上下調整座 C. 位移量測桿
D. 位移量測表
E. 錐體上下調整鈕
H. 試驗容器 G. 試驗錐頭
F. 錐身
圖 3-3 實驗室十字片剪力試驗儀 (Head.K.H.,1982)
圖 3-4 ELE 校正彈簧率定書
(a) (b) (c)
圖 3-5 十字片剪力試驗之葉片
圖 3-6 圓柱貫入試驗示意圖
mercury
28cm 4cm
22cm loading shaft
soil
(b)Side view (a)Top view
soil
loading shaft
soil
D D D
H H
H
H
底座
A.水平調整基腳 B. 移動滑輪
20cm 30 cm
15cm 15cm 20cm
10cm
觀測面板 擋土鈑
頂板
C.模型試驗箱主體
圖 3-8 開挖模型試驗儀
15cm 15cm 20cm 50cm
15cm
20cm 30cm
10cm
擋土鈑 頂板
觀測面板
15cm 15cm 20cm
50cm
模型主體正視圖
模型主體上視圖
圖 3-9 模型試驗儀主體配置圖
圖 3-10 實驗室十字片剪力試驗儀扭轉角度數盤示意圖 (Head.K.H.,1982)
破壞扭轉角θf
度數盤總旋轉 葉片旋轉 之角度
角度
(a)歸零 (b)舉例說明試驗後角度
Su=0.87kPa
15cm 15cm 20cm
15cm
20cm 30cm
10cm
擋土鈑 頂板
觀測面板 50cm
改良區域
20cm
15cm 15cm 20cm
15cm 改良樁
圖 3-13(a) 柱狀改良之改良區域(正視圖)
圖 3-13(b) 柱狀改良平面配置示意(上視圖) .
15cm 15cm 20cm
50cm
15cm
20cm 30cm
10cm
擋土鈑 頂板
觀測面板 50cm
改良區域
20cm
15cm 15cm 20cm
15cm
圖 3-14(a) 壁狀改良之改良區域(正視圖)
圖 3-14(b) 壁狀改良平面配置示意(上視圖)
15cm 15cm 20cm
50cm
15cm
0
particle size (mm)
percenta ge finer (%)
圖 4-1 重模土壤粒徑分佈曲線
0
0
0
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 20 40 60 80 100 120 140 160
荷重強度q(g/cm2)
平均沉陷量δ(cm)
Su=1.834kPa Su=1.437kPa Su=0.745kPa Su=0.383kPa Su=0.245kPa
q
yq
y1/212
δ
圖 4-11 以雙切線法求取地盤反力係數
圖 4-12 I1、I2修正係數圖(Janbu, Bjerrum and Kjaernsli,1956)
FLAC3D 2.10
Step 20000 Model Perspective 15:01:55 Tue Apr 19 2005 Center:
X: 2.442e-002 Y: 6.089e-002 Z: 1.073e-001
Rotation: Exaggerated Grid Distortion
圖 4-13 FLAC3D程式模擬圓柱貫入試驗之網格變位圖
國小
0
15cm 15cm 20cm
W=15cm
Su=0.89kPa Su=0.25kPa
Su=0.44kPa 2.2
2.58 2.9
2.75
2.75
比例尺 10cm
圖 4-19 Case1 無改良位移向量圖
比例尺 10cm
Su=0.8kPa Su=0.3kPa
Su=0.5kPa
Su=1.1kPa
1.53 1.75 1.75
1.75
圖 4-20 Case2 改良範圍為(W/3×H)=5cm×20cm、
改良強度為 1.10kPa 之塊狀改良位移向量圖
Su=0.8kPa Su=0.3kPa
Su=0.5kPa
比例尺 10cm Su=1.95kPa
1.38 1.22 1.54 1.5
圖 4-21 Case3 改良範圍為(W/3×H)=5cm×20cm、
改良強度為 1.95kPa 之塊狀改良位移向量圖
Su=0.8kPa Su=0.3kPa
Su=0.5kPa
比例尺 10cm Su=3.6kPa
1.32 1.27 1.44 1.41
圖 4-22 Case4 改良範圍為(W/3×H)=5cm×20cm、
改良強度為 3.60kPa 之塊狀改良位移向量圖
Su=0.87kPa Su=0.27kPa
Su=0.46kPa 1.65 1.53
1.33
Su=1.11kPa 1.4
1.63
比例尺 10 cm
圖 4-23 Case5 改良範圍為(2W/3×H)=10cm×20cm、
改良強度為 1.11kPa 之塊狀改良位移向量圖
改良強度為 1.11kPa 之塊狀改良位移向量圖