國立宜蘭大學土木工程學系(研究所) 碩士論文 Department of Civil Engineering National Ilan University Master Thesis

202  Download (0)

全文

(1)

國立宜蘭大學土木工程學系(研究所)

碩士論文

Department of Civil Engineering National Ilan University

Master Thesis

以有限元素程式 Plaxis 分析加勁擋土結構之力學行為

(含潛變效應)

Mechanical and Creep Behaviors of Geosynthetic Reinforced Soil Retaining Structures Using FEM Program Plaxis

指導教授:趙 紹 錚 博士 Sao-Jeng Chao, Ph. D.

研究生:周 銘 瑋

Ming-Woei Chou

中 華 民 國 九 十 八 年 七 月

(2)

摘要

地工合成材料加勁擋土結構近年來發展相當迅速,然國內因質佳的填 築土料來源較為缺乏,且基於水土保持法規挖填平衡原則,故於一般山坡 地等民間工程多以現地材料為填築土料。目前現有的以及正在訂定的技術 手冊或設計規範,基於上述之理由,也已儘量放寬填築土料選取之基本要 求,範圍甚至可能從GW 至 CL。因此,本論文利用國立宜蘭大學 2002 年 所構築的二座小型地工合成材料加勁擋土牆(稱為宜大砂土加勁擋土牆及 宜大黏土加勁擋土牆),長期量測加勁材在加勁擋土牆內之應變分佈情形,

以瞭解不同填築土料之加勁擋土結構應力-應變行為。並利用有限元素程式 PLAXIS 模擬宜大加勁擋土牆之整體穩定分析、破壞模式、彈性變形、及加 勁格網受張應力之行為性質,且利用模擬分析宜大加勁擋土牆結果與實測 結果加以比較探討,發現模擬結果與實測結果相符。

為能對不同材料性質的地工合成材料加勁擋土結構之互制行為,有更 深入之瞭解,除了善加利用宜大砂土加勁擋土牆及宜大黏土加勁擋土牆 外,本論文更以宜蘭縣境內大規模之地工合成材料加勁擋土結構進行數值 模擬分析,探討其安全係數、潛在破壞面、加載荷重影響、彈性變形及加 勁格網受張應力之行為性質。由分析結果顯示宜蘭縣境內大規模加勁擋土 結構皆為一穩定狀態之結構物,加勁格網最大受張應力範圍為4.09 至 9.82 kN/m。由於宜蘭地區之土層涵蓋許多黏土,加勁擋土結構於工程之應用,

常利用黏土作為加勁擋土結構之填築土料。因此,本論文亦嘗試利用軟弱 土壤潛變模式,來對於加勁擋土牆之潛變行為互制關係進行研究,由結果 顯示格網受張應力隨著時間增大,而格網受張應力之趨勢相同。潛變分析 結果顯示,雖然加勁擋土結構存在著潛變效應,然其屬於穩態潛變階段,

潛變總量相對較小,且有慢慢減緩之趨勢,不致造成潛變破壞之行為。

關鍵字:加勁擋土結構、加勁擋土牆、地工合成材料、有限元素法、潛變

(3)

ABSTRACT

In recent years, geosynthetic reinforced soil retaining structures have been increasingly constructed in Taiwan. However, because the good-quality

backfilled materials are scarce and the principle of balancing cutting and filling is required to follow by the soil and water conservation legislation, the in-situ soils are used as the backfilled materials in civil engineering projects. Based on the reasons mentioned above, in the current technical manuals or design code, the basic requirement of backfilled materials has been relaxed and thus the backfilled materials in a range from GW to CL may be used. In this thesis, by utilizing two geosynthetic reinforced soil retaining walls constructed in the test site of National Ilan University in the summer of 2002, we carried out the long-term measurement of the stress and strain distributions in the geosynthetic reinforcements in order to understand the behavior of the model structures with various kinds of backfilled materials. In addition, with the aid of the finite element method program PLAXIS, we performed simulation analyses of stability, failure mode, elastic deformation, and the behavior of geogrid under tensile stress. From the comparison of the predicted results of the FEM model with the measured data of the model structures, we found that the simulation results are close to the measurements.

In addition to the investigation of two geosynthetic reinforced soil retaining walls, we performed numerical simulations of large-scale reinforced soil

retaining structures with various property materials in Ilan County to further understand the interaction of the structure. From the investigation of the safety factor, potential failure surface, effect of additional loading, elastic deformation, and behavior of the geogrid under tensile stress, we found that the geosynthetic reinforced soil retaining structures in the Ilan County are stable structures. The largest tensile stress of the geodrid is in a range from 4.09 to 9.82 kN/m.

Because clayey soils cover a wide area in the Ilan County, clayey soils are often used as a backfilled material for the geosynthetic reinforced soil retaining

structures. In this thesis, we also investigated the creep behavior of the reinforced soil retaining structure by using a creep model of soft soils. The results indicated that the tensile stress of the geodrid is increasing with time.

Although the creep behavior exists in the reinforced soil retaining structure, the creep is in the steady-state stage, the total creep is relatively small, and the tendency of creep is gradually slowing down; therefore, the creep will not result in a failure of the structure.

Keywords:Reinforced soil retaining structure, Reinforced soil retaining

wall, Geosynthetics, Finite element method, Creep

(4)

誌謝

個人自民國94年於國立宜蘭大學畢業入伍當兵,並於民國96年1月退伍 進入宏祥工程顧問有限公司,隨後進入國立宜蘭大學從事計畫助理職務,

而於民國96年9月進入國立宜蘭大學研究所繼續學習。能進到宜蘭大學繼續 學習確是我人生重大的旅程與光榮。學然後知不足,個人撰寫此論文,自 揣學識不深,難免疏漏,尚祈先進,不吝指正。

兩年的學習過程,趙紹錚教授對本篇論文之題向、綱要與架構之釐定、

相關文獻探討資料之提供、以及細部內容之篩檢等,均不時耗時費力給予 指導;且在學習研究過程中,每因心力上種種不順遂與不如意,均幸賴恩 師趙紹錚教授能給我最大的鼓勵與幫助,即使在研究遇到了瓶頸,總是悉 心引導、啟發,讓我不但在學業研究上進步許多,也在人生的處事態度上 有了新的認知;本文得以付梓,特於此表達最高謝意。吾師您是我恩師亦 是我一輩子的好友!

感謝口試委員中興工程顧問有限公司周南山總經理撥冗至宜蘭大學指 正並提供寶貴意見,國立宜蘭大學鄭安教授熱心指教,及黃宏謀教授對本 篇論文摘要指導,皆使得我的論文更臻完美,在此敬表謝忱。

在研究過程中,感謝宏祥工程顧問有限公司王宏相技師、宜蘭縣壯圍 鄉公所陳英芳課長提供相關寶貴資料;亦謝謝瑩潔、毓勻、前祐、柏霖、

家欽、重光、昱錡,在我研究生的生涯裡,謝謝您們一直給我支持與鼓勵,

給予我在精神上的加油,讓我能突破所有研究時的困難。能順利完成我的 碩士論文,您們都是不可或缺的幕後大功臣,謹致由衷感謝。

最後,要感謝我的家人,奶奶、爸爸、媽媽、及三個妹妹,感謝你們 長年來的愛護與支持,讓我無後顧之憂可以專心學習,使得本論文得以完 成。要感謝的人真的很多,但還是要跟所有的老師、同學、學弟妹、朋友、

家人說聲:

謝謝您們!

周銘瑋 謹誌於 國立宜蘭大學 土木工程研究所 中華民國九十八年七月

(5)

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 ... IX

第一章 緒論 ...1

1.1 前言...1

1.2 研究動機與目的...2

1.3 研究方法與流程...3

1.4 論文架構...4

第二章 文獻回顧 ...7

2.1 加勁擋土結構簡介...7

2.2 加勁擋土結構之力學行為相關研究...9

2.2.1 加勁擋土結構之破壞機制 ...9

2.2.2 加勁擋土結構之設計方法 ...10

2.2.3 加勁擋土結構相關研究成果 ...13

2.3 潛變行為簡介...17

2.4 土壤潛變相關研究成果...19

2.5 地工合成材料潛變相關研究成果...20

第三章 宜大加勁擋土牆監測結果 ...37

3.1 試驗概述...37

3.2 加勁擋土牆構築步驟...38

3.3 應變計及量測系統介紹...40

3.4 加勁格網抗拉試驗...40

3.5 砂土加勁擋土牆監測結果分析...41

(6)

3.5.1 應力應變監測結果 ...41

3.5.2 外觀變形監測結果 ...42

3.6 黏土加勁擋土牆監測結果分析...43

3.6.1 應力應變監測結果 ...43

3.6.2 外觀變形監測結果 ...44

3.7 監測結果分析...45

第四章 宜大加勁擋土牆有限元素數值模擬分析 ...60

4.1 PLAXIS 程式簡介 ...60

4.1.1 程序組成及指令說明 ...61

4.1.2 PLAXIS 運算模式 ...62

4.1.3 PLAXIS 土壤模式 ...63

4.2 PLAXIS 模擬流程說明 ...64

4.3 有限元素計算模擬介紹...65

4.3.1 線彈性模式(Linear Elastic Model) ...65

4.3.2 摩爾-庫倫模式(Mohr-Coulomb Model) ...65

4.4 PLAXIS

φ -

C折減法介紹...66

4.5 宜大砂土加勁擋土牆模擬結果...67

4.6 宜大黏土加勁擋土牆模擬結果...68

4.7 小結...70

第五章 宜蘭縣境內加勁擋土結構案例探討 ...79

5.1 喜來登宜蘭渡假酒店加勁擋土結構...80

5.1.1 基地概述 ...80

5.1.2 加勁擋土工程設計斷面介紹 ...80

5.1.3 STABL 程式加勁擋土結構穩定分析 ...80

5.1.4 PLAXIS 程式加勁擋土結構穩定分析 ...82

5.1.5 PLAXIS 與 STABL 預測結果比較...83

5.1.6 加勁擋土結構之彈性變形 ...84

5.1.7 加勁格網受張應力 ...85

5.2 淡江大學蘭陽校區加勁擋土結構...87

(7)

5.2.1 基地概述 ...87

5.2.2 加勁擋土工程設計斷面介紹 ...87

5.2.3 PLAXIS 程式加勁擋土結構穩定分析 ...87

5.2.4 加勁擋土結構之彈性變形 ...89

5.2.5 加勁格網受張應力 ...90

5.3 櫻花陵園加勁擋土結構...91

5.3.1 基地概述 ...91

5.3.2 加勁擋土工程設計斷面介紹 ...92

5.3.3 PLAXIS 程式加勁擋土結構穩定分析 ...92

5.3.4 加勁擋土結構之彈性變形 ...93

5.3.5 加勁格網受張應力 ...94

5.4 佛光大學加勁擋土結構...95

5.4.1 基地概述 ...95

5.4.2 加勁擋土工程設計斷面介紹 ...95

5.4.3 PLAXIS 程式加勁擋土結構穩定分析 ...96

5.4.4 加勁擋土結構之彈性變形 ...97

5.4.5 加勁格網受張應力 ...98

5.5 小結...99

第六章 加勁擋土結構之潛變行為初步探討 ...140

6.1 軟弱土壤潛變模式(SOFT SOIL CREEP MODEL)...140

6.2 PLAXIS 有限元素潛變流程說明 ...144

6.3 加勁擋土牆潛變模擬結果...146

6.4 分析結果...149

第七章 結論與建議 ...176

7.1 結論...176

7.2 建議...179

參考文獻 ...181

(8)

表目錄

表 2-1 格網種類...24

表 2-2 不同材質地工合成材料於100 年之潛變折減係數(KOERNER,2005)...24

表 2-3 不同材質地工合成材料於100 年之潛變折減係數(YEO,2007) ...25

表 2-4 不同材質之地工格網潛變破壞極限強度(%) ...25

表 3-1 砂土加勁擋土牆參數值...46

表 3-2 黏土加勁擋土牆參數值...47

表 3-3 單肋加勁材應變試驗結果(Ε×10-6)...48

表 3-

4

砂土加勁擋土牆應變監測結果...49

表 3-5 砂土加勁擋土牆側向位移量歷時表...50

表 3-6 黏土加勁擋土牆應變監測結果...51

表 3-7 黏土加勁擋土牆側向位移量歷時表...52

表 4-1 宜大砂土加勁擋土牆參數值...72

表 4-2 宜大黏土加勁擋土牆參數值...72

表 4-3 預測宜大加勁擋土牆之位移量...73

表 4-4 加勁格網受張應力監測與預測結果比較...73

表 5-1 喜來登渡假酒店加勁擋土結構土壤參數值(穩定分析-STABL) ...102

表 5-2 喜來登宜蘭渡假酒店加勁擋土結構參數值(穩定分析-PLAXIS)...102

表 5-3 喜來登宜蘭渡假酒店加勁擋土結構參數值(彈性變形)...102

表 5-4 喜來登宜蘭渡假酒店之加勁格網受張應力...103

表 5-5 淡江大學蘭陽校區加勁擋土結構參數值(穩定分析)...104

表 5-6 淡江大學蘭陽校區加勁擋土結構參數值(彈性變形)...104

表 5-7 淡江大學蘭陽校區之加勁格網受張應力...105

表 5-8 櫻花陵園聯外道路加勁擋土結構參數值(穩定分析)...106

表 5-9 櫻花陵園聯外道路加勁擋土結構參數值(彈性變形)...106

表 5-10 櫻花陵園聯外道路之加勁格網受張應力...107

表 5-11 佛光大學加勁擋土結構參數值(穩定分析)...108

表 5-12 佛光大學加勁擋土結構參數值(彈性變形)...108

表 5-13 佛光大學之加勁格網受張應力...109

(9)

表 5-14 預測四大案例加勁擋土結構之安全係數... 110

表 5-15 預測四大案例加勁擋土結構之位移量... 110

表 5-16 預測四大案例加勁擋土結構之加勁格網每階最大受張應力... 110

表 6-1 軟弱土壤加勁擋土牆之潛變模擬參數值...151

表 6-2 加勁擋土牆之潛變計算步驟表...152

表 6-3 加勁擋土牆隨著時間變化之位移量及位移量增加率...153

表 6-4 加勁格網隨著時間過去之各層受張應力及受張應力平均增加率...154

(10)

圖目錄

圖 1-1 論文架構流程圖...6

圖 2-1 蘆葦混合砂礫建造而成的漢長城加勁土壤結構(FROM周南山)...26

圖 2-2 宜大加勁擋土牆現場實景...26

圖 2-3 加勁擋土結構拉斷破壞示意圖(WU.J.T.H.,1994)...27

圖 2-4 加勁擋土結構拉出破壞示意圖(WU.J.T.H.,1994)...27

圖 2-5 加勁擋土結構直接剪力破壞示意圖(李怡先,1998) ...28

圖 2-6 加勁擋土結構水平滑動破壞示意圖(FHWA,1995)...28

圖 2-7 加勁擋土結構傾倒破壞示意圖(FHWA,1995)...29

圖 2-8 加勁擋土結構承載力破壞示意圖(FHWA,1995)...29

圖 2-9 加勁擋土結構整體穩定破壞示意圖(FHWA,1995)...30

圖 2-10 不同設計法側向土壓力之假設(CLAYBOURN &WU,1993)...30

圖 2-11 潛變與時間關係示意圖(SINGH &MITCHELL,1968)...31

圖 2-12 典型潛變行為示意圖(YEO,2007) ...31

圖 2-13 應力應變曲線與潛變之關係圖(GOODMAN,1989) ...32

圖 2-14 不同土壤試驗所得之潛變與時間關係圖(SINGH &MITCHELL,1968)...32

圖 2-15 LONDON CLAY應變速率與時間關係圖(SINGH &MITCHELL,1968)...33

圖 2-16 OSAKA CLAY應變速率與時間關係圖(SINGH &MITCHELL,1968) ...33

圖 2-17 不同材質纖維潛變試驗結果(HOEDT,1986)...34

圖 2-18 單向加勁格網潛變試驗結果(MCGOWN &SHIRAZI1982) ...34

圖 2-19 HDPE 與 PET 地工格網溫度對潛應變影響(FARRAG ET AL,1997)...35

圖 2-20 A1 格網之潛變試驗曲線圖(LESHCHINSKY ET AL,1997)...35

圖 2-21 潛變行為之半對數曲線圖(VARIATION ET AL,2001) ...36

圖 2-22 五種地工格網10000 小時潛變行為曲線比較圖(田一佐,2004) ...36

圖 3-1 宜大加勁擋土牆平面示意圖...53

圖 3-2 宜大加勁擋土牆構築完成剖面示意圖...54

圖 3-3 單肋抗拉試驗機示意圖...54

圖 3-4 加勁格網總力-應變關係圖...55

圖 3-5 砂土加勁擋土牆應力應變監測示意圖...55

(11)

圖 3-6 砂土加勁擋土牆應變歷時圖...56

圖 3-7 砂土加勁擋土牆側向位移監測示意圖...57

圖 3-8 黏土加勁擋土牆應力應變監測示意圖...57

圖 3-9 黏土加勁擋土牆各層應變歷時圖...58

圖 3-10 砂土加勁材之應變時間對數圖...59

圖 3-11 黏土加勁材之應變時間對數圖...59

圖 4-1 PLAXIS 有限元素程式基本步驟...74

圖 4-2 宜大加勁擋土牆有限元素分析幾何模型示意圖...75

圖 4-3 有限元素程式輸入

φ

-C折減法示意圖...75

圖 4-4 預測宜大砂土加勁擋土牆之潛在破壞面位置...76

圖 4-5 砂土加勁擋土牆之彈性變形模擬結果示意圖...76

圖 4-6 宜大砂土加勁擋土牆之3 層加勁格網應力分佈圖 ...77

圖 4-7 預測宜大黏土加勁擋土牆之潛在破壞面位置...77

圖 4-8 黏土加勁擋土牆之彈性變形模擬結果示意圖...78

圖 4-9 宜大黏土加勁擋土牆之3 層加勁格網應力分佈圖 ...78

圖 5-1 喜來登宜蘭渡假酒店地理位置圖(資料來源:GOOGLE EARTH... 111

圖 5-2 喜來登宜蘭渡假酒店加勁施工區位圖... 111

圖 5-3 喜來登渡假酒店加之加勁擋土結構現況圖(FROM王宏相,2008) ... 112

圖 5-4 喜來登宜蘭渡假酒店之加勁擋土結構設計斷面圖... 113

圖 5-5 喜來登宜蘭渡假酒店分析成果圖... 113

圖 5-6 喜來登宜蘭渡假酒店之幾何模型建置示意圖(加載荷重)... 114

圖 5-7 預測喜來登宜蘭渡假酒店之潛在破壞面位置(加載荷重)... 114

圖 5-8 喜來登宜蘭渡假酒店之幾何模型建置示意圖(未加載荷重)... 115

圖 5-9 喜來登宜蘭渡假酒店之潛在破壞面位置(未加載荷重)... 115

圖 5-10 喜來登宜蘭渡假酒店之幾何模型建置示意圖(彈性變形)... 116

圖 5-11 預測喜來登宜蘭渡假酒店之變位圖... 116

圖 5-12 預測喜來登宜蘭渡假酒店之水平位移圖... 117

圖 5-13 預測喜來登宜蘭渡假酒店之垂直位移圖... 117

圖 5-14 喜來登宜蘭渡假酒店之加勁格網軸力變化圖... 118

(12)

圖 5-15 淡江大學蘭陽校區基地位置圖(資料來源:GOOGLE EARTH... 119

圖 5-16 淡江大學蘭陽校區設計斷面圖... 119

圖 5-17 淡江大學蘭陽校區加勁擋土結構現況圖(FROM王宏相,2006) ...120

圖 5-18 淡江大學蘭陽校區之幾何模型建置示意圖(加載荷重)...121

圖 5-19 預測淡江大學蘭陽校區之潛在破壞面位置(加載荷重)...121

圖 5-20 淡江大學蘭陽校區之幾何模型建置示意圖(未加載荷重)...122

圖 5-21 預測淡江大學蘭陽校區之潛在破壞面位置(未加載荷重)...122

圖 5-22 淡江大學蘭陽校區之幾何模型建置示意圖(彈性變形)...123

圖 5-23 預測淡江大學蘭陽校區之變位圖...123

圖 5-24 預測淡江大學蘭陽校區之水平位移圖...124

圖 5-25 預測淡江大學蘭陽校區之垂直位移圖...124

圖 5-26 淡江大學蘭陽校區之加勁格網軸力變化圖...125

圖 5-27 櫻花陵園聯外道基地位置圖(齊柏林-TAIWAN FROM THE AIR...126

圖 5-28 櫻花陵園聯外道路之參考設計斷面圖...126

圖 5-29 櫻花陵園聯外道路加勁擋土結構現況圖(FROM王宏相,2006) ...127

圖 5-30 櫻花陵園聯外道路之幾何模型建置示意圖(加載荷重)...128

圖 5-31 預測櫻花陵園聯外道路之潛在破壞面位置(加載荷重)...128

圖 5-32 櫻花陵園聯外道路之幾何模型建置示意圖(未加載荷重)...129

圖 5-33 預測櫻花陵園聯外道路之潛在破壞面位置(未加載荷重)...129

圖 5-34 櫻花陵園聯外道路之幾何模型建置示意圖(彈性變形)...130

圖 5-35 預測櫻花陵園聯外道路之變位圖...130

圖 5-36 預測櫻花陵園聯外道路之水平位移圖...131

圖 5-37 預測櫻花陵園聯外道路之垂直位移圖...131

圖 5-38 櫻花陵園聯外道路之加勁格網軸力變化圖...132

圖 5-39 佛光大學建築開發計劃基地位置圖(資料來源:GOOGLE EARTH...133

圖 5-40 佛光大學建校計畫整體規劃配置圖...133

圖 5-41 佛光大學加勁擋土結構設計標準斷面圖...134

圖 5-42 佛光大學加勁擋土結構現況圖(FROM趙紹錚,1999) ...134

圖 5-43 佛光大學加勁擋土結構之幾何模型建置示意圖(加載荷重)...135

(13)

圖 5-44 預測佛光大學加勁擋土結構之潛在破壞面位置(加載荷重)...135

圖 5-45 佛光大學加勁擋土結構之幾何模型建置示意圖(未加載荷重)...136

圖 5-46 預測佛光大學加勁擋土結構之潛在破壞面位置(未加載荷重)...136

圖 5-47 佛光大學加勁擋土結構之幾何模型建置示意圖(彈性變形)...137

圖 5-48 預測佛光大學加勁擋土結構之變位圖...137

圖 5-49 預測佛光大學加勁擋土結構之水平位移圖...138

圖 5-50 預測佛光大學加勁擋土結構之垂直位移圖...138

圖 5-51 佛光大學之加勁格網軸力變化圖...139

圖 6-1 壓密儀試驗中之壓密和潛變行為...155

圖 6-2 壓密儀試驗中的理想應力應變曲線...155

圖 6-3 軟弱土壤潛變之幾何模型示意圖...156

圖 6-4 計算網格劃分模式...156

圖 6-5 預測加勁擋土牆之變位圖(潛變時間為0 天) ...157

圖 6-6 預測加勁擋土牆之水平位移圖(潛變時間為0 天) ...157

圖 6-7 預測加勁擋土牆之垂直位移圖(潛變時間為0 天) ...158

圖 6-8 加勁格網軸力變化圖(潛變時間為0 天) ...158

圖 6-9 預測加勁擋土牆之變位圖(潛變時間為1 個月) ...159

圖 6-10 預測加勁擋土牆之水平位移圖(潛變時間為1 個月) ...159

圖 6-11 預測加勁擋土牆之垂直位移圖(潛變時間為1 個月) ...160

圖 6-12 加勁格網軸力變化圖(潛變時間為1 個月) ...160

圖 6-13 預測加勁擋土牆之變位圖(潛變時間為6 個月) ...161

圖 6-14 預測加勁擋土牆之水平位移圖(潛變時間為6 個月) ...161

圖 6-15 預測加勁擋土牆之垂直位移圖(潛變時間為6 個月) ...162

圖 6-16 加勁格網軸力變化圖(潛變時間為6 個月) ...162

圖 6-17 預測加勁擋土牆之變位圖(潛變時間為1 年) ...163

圖 6-18 預測加勁擋土牆之水平位移圖(潛變時間為1 年) ...163

圖 6-19 預測加勁擋土牆之垂直位移圖(潛變時間為1 年) ...164

圖 6-20 加勁格網軸力變化圖(潛變時間為1 年) ...164

圖 6-21 預測加勁擋土牆之變位圖(潛變時間為2 年) ...165

(14)

圖 6-22 預測加勁擋土牆之水平位移圖(潛變時間為2 年) ...165

圖 6-23 預測加勁擋土牆之垂直位移圖(潛變時間為2 年) ...166

圖 6-24 加勁格網軸力變化圖(潛變時間為2 年) ...166

圖 6-25 預測加勁擋土牆之變位圖(潛變時間為5 年) ...167

圖 6-26 預測加勁擋土牆之水平位移圖(潛變時間為5 年) ...167

圖 6-27 預測加勁擋土牆之垂直位移圖(潛變時間為5 年) ...168

圖 6-28 加勁格網軸力變化圖(潛變時間為5 年) ...168

圖 6-29 預測加勁擋土牆之變位圖(潛變時間為10 年) ...169

圖 6-30 預測加勁擋土牆之水平位移圖(潛變時間為10 年) ...169

圖 6-31 預測加勁擋土牆之垂直位移圖(潛變時間為10 年) ...170

圖 6-32 加勁格網軸力變化圖(潛變時間為10 年) ...170

圖 6-33 預測加勁擋土牆之變位圖(潛變時間為50 年) ...171

圖 6-34 預測加勁擋土牆之水平位移圖(潛變時間為50 年) ...171

圖 6-35 預測加勁擋土牆之垂直位移圖(潛變時間為50 年) ...172

圖 6-36 加勁格網軸力變化圖(潛變時間為50 年) ...172

圖 6-37 預測加勁擋土牆之變位圖(潛變時間為100 年) ...173

圖 6-38 預測加勁擋土牆之水平位移圖(潛變時間為100 年) ...173

圖 6-39 預測加勁擋土牆之垂直位移圖(潛變時間為100 年) ...174

圖 6-40 加勁格網軸力變化圖(潛變時間為100 年) ...174

圖 6-41 加勁擋土牆隨著時間變化之變位情形...175

圖 6-42 加勁格網隨著時間變化之受張應力...175

(15)

第一章 緒論

1.1 前言

近年來,在人口持續成長及產業經濟發展下,對於土地之需求日增,

使得可利用平地面積迅速的漸少,因此土木工程的建設,逐漸開始向山坡 地發展。然在開發的同時,必需要使用擋土設施來增加山坡的穩定度,使 得地工界發展迅速之加勁擋土結構成為開發山坡地不可缺失的重要工法。

因此,本論文利用國立宜蘭大學土木工程學系所構築之加勁擋土牆,及宜 蘭縣內大規模之地工合成材料加勁擋土結構案例,來瞭解加勁擋土結構內 部之行為表現。最後,再對加勁擋土結構之潛變行為互制關係進行研究,

瞭解地工合成材料加勁擋土構於長時間效應之潛變行為,以供後續國內工 程界於設計時之參考依據。至於加勁擋土結構於暴雨與地震狀態,以及加 勁材強度、勁度、間距及土壤參數之研究,則不在本論文之探討範圍內。

加勁擋土結構主要觀念是於土壤中加入可承受張力之加勁材,藉由土 壤與加勁材互制作用,將土壤所承受之張力傳遞至加勁材,以束制土體之 變形,進而達到加勁及整體穩定效果(Chao,2004)。地工格網在土木工 程加勁土壤應用上,由於其優越的耐震性、可承受較大的沉陷量、施工簡 單、造價低廉及可達到安全要求,已成為擋土設施的主流。國內因質佳的 填築土料來源較為缺乏,故於一般山坡地等民間工程多以現地材料為填築 土料,目前現有的以及正在訂定的技術手冊或設計規範,也已將填築土料 選取之適用範圍放寬為GW 至 CL,因此本論文詳細研究不同填築土料加勁 擋土牆之力學行為表現。由於宜蘭地區之土層涵蓋許多黏土,加勁擋土結 構於工程之應用,常利用黏土作為加勁擋土結構之填築土料。因此,本論 文亦嘗試利用軟弱土壤潛變模式,配合考慮地工格網受張強度,來對於加 勁擋土牆之潛變行為互制關係進行研究,以瞭解加勁擋土結構之潛變行為。

(16)

1.2 研究動機與目的

Prof. Fumio Tatsuoka(龍岡文夫教授)曾於 2008 年 6 月在中國上海舉 辦的亞洲土工合成材學術與展覽會之專題講演中提到,潛變破壞不太可能 發生在優良設計及確實施工之地工合成材料加勁擋土結構。但Holtz(2008)

說明加勁材於長時間狀態中,很有可能造成潛變之效應,此因素會使得加 勁擋土結構之整體強度有極大影響。由於專家學者對於加勁擋土結構潛變 之議題看法不一致,以致於加勁擋土結構潛變之行為因素是值得探討的課 題。然而,因為地工合成材料加勁擋土結構為一種新工法,設計單位多感 到無法確切地掌握加勁擋土結構長期潛變行為,若無法顧及加勁擋土結構 長時間之穩定與安全,則將會造成無法彌補的危害。通常為了減少潛變對 結構物的影響,設計時皆已將潛變之折減係數考慮進去,以降低整體構造 之損害。但是,由填築土料及地工合成材料所組成之加勁擋土結構,其中 土壤與加勁材間之互制潛變行為,仍然有諸多尚需研究瞭解之部分,有待 我們深入之模擬探究。

當然,加勁擋土結構之填築土料以砂土或礫質土為佳,顆粒狀之砂土、

碎石因摩擦角大,且強度不致因泡水而降低,故為較佳之選擇,國外規範 皆僅容許採用此類性質之填築土料。然而,以國內目前之現況來說,由於 現地土壤未必皆為砂質土壤,基於挖填土方平衡,避免棄方造成污染,使 用黏質土壤以提高加勁擋土結構之經濟性及環保價值,已成為不得不然之 趨勢,更是目前研究與努力之方向。總而言之,國內因質佳的填築土料來 源較為缺乏,且基於水土保持法規挖填平衡原則,故於一般山坡地等民間 工程多以現地材料為填築土料。目前現有的以及正在訂定的技術手冊或設 計規範,基於上述之理由,也已儘量放寬填築土料選取之基本要求,範圍 甚至可能從GW 至 CL。因國內施工常使用不同性質之填築土料,即可能隨 時間產生潛變行為,亦即加勁材及填築土料之潛變行為對地工合成材料加 勁擋土結構長期力學行為之影響,必須詳細研究瞭解。

(17)

1.3 研究方法與流程

為了能夠深入瞭解地工合成材料加勁擋土結構之互制潛變行為,本論 文可概分為四個階段來進行,第一階段擬由加勁擋土結構力學機制之探討 及相關試驗結果之蒐集開始,第二階段則為地工合成材料加勁擋土結構之 試驗及監測工作,第三階段則為以數值模擬來分析地工合成材料加勁擋土 結構之力學行為,第四階段則以數值模擬來分析地工合成材料加勁擋土結 構之長期行為表現,期能獲得有助於地工合成材料加勁擋土結構應用發展 及相關後續研究之具體成果。

本論文為能對加勁擋土結構內部之行為有更深入之瞭解,利用國立宜 蘭大學土木工程學系構築之二座小型地工合成材料加勁擋土牆(稱為宜大 砂土加勁擋土牆及宜大黏土加勁擋土牆),埋設應變計於加勁材部分,長期 量測加勁材在加勁擋土牆內之應變分佈情形,以瞭解加勁擋土結構之行 為,並用來與數值模擬之預測結果比較,亦已進行各種相關參數分析,以 便在各種不同條件下,對於加勁擋土結構之力學行為與可能之破壞模式進 行瞭解。上述之宜大加勁擋土牆的監測工作已不間斷地連續進行了6 年,

我們發現到不論是砂土牆或黏土牆,所監測到的加勁材應變量及整個結構 物外觀變形量,皆有隨著時間而增加的趨勢。總而言之,為能對不同材料 性質的地工合成材料加勁擋土結構之互制行為表現,有更深入之瞭解,除 了善加利用宜大砂土加勁擋土牆及宜大黏土加勁擋土牆,繼續對其行為表 現進行長期之詳細監測外,更以宜蘭縣境內大規模之喜來登天外天、淡江 大學、櫻花陵園、及佛光大學等加勁擋土結構,進行數值模擬分析,以探 討加勁擋土結構之行為,此乃為進行本論文之目的。最後仍以PLAXIS 有 限元素程式,來對於加勁擋土牆之潛變行為互制關係進行研究,驗證加勁 擋土牆於長時間之效應,是否會引致潛變破壞行為,並將分析結果進行深 入討論,以供後續國內工程界於設計時之參考依據。

(18)

1.4 論文架構

本論文對加勁擋土結構進行研究分析,以瞭解不同的填築土料對加勁 擋土結構之影響,再利用有限元素程式對加勁擋土牆進行模擬分析,以實 際之實驗數據做為驗證比較。為能更深入之瞭解,並加以針對宜蘭縣境內 大規模之地工合成材料加勁擋土結構,進行數值模擬分析。最後並嘗試預 測加勁擋土牆之潛變行為,以供後續國內工程界於設計時之參考依據。本 論文共分七章,各章內容說明如下(流程圖詳見圖1-1):

第一章:敘述研究之動機與目的,研究方法及研究流程等。

第二章:回顧加勁擋土結構之簡介,且說明加勁擋土結構之力學行為 分析,最後說明潛變行為及理論,並概述土壤潛變及地工合成材料潛變之 相關研究成果。

第三章:敘述宜大加勁擋土牆之構築流程,及加勁格網抗拉強度試驗,

並利用埋入於加勁牆體內之應變計及量測系統,監測加勁擋土牆內部應力 應變情形。其後說明長期監測宜大加勁擋土牆之內部應力分佈監測結果,

並針對砂土加勁擋土牆及黏土加勁擋土牆之監測結果進行分析,用以瞭解 監測結果與時間之關係。

第四章:利用PLAXIS 有限元素程式,對宜大加勁擋土牆進行模擬分 析。建立分析之模型時,加入界面元素以瞭解加勁材與土壤之結構互制關 係,進而分別模擬砂土加勁擋土牆及黏土加勁擋土牆,並將其模擬結果與 監測結果進行比較驗證。

第五章:首先分別利用極限平衡法STABL 程式及有限元素法 PLAXIS 程式,對於喜來登天外天開發案加勁擋土結構案例進行穩定分析,並將兩 法之分析結果比對探討。其後再以PLAXIS 有限元素程式,分別對宜蘭縣 境內加勁擋土結構分析其安全係數、潛在破壞面、加載荷重影響、彈性變 形、及加勁格網受張應力之行為性質分析。

第六章:以PLAXIS 有限元素程式之軟弱土壤潛變模式(Soft Soil Creep

(19)

Model),來對加勁擋土牆之潛變行為互制關係進行研究,驗證加勁擋土牆 於長時間之效應是否會引致潛變行為,並將分析結果進行深入討論,以供 後續國內工程界於設計時之參考依據。

第七章:針對本論文研究結果做綜合性檢討,並提出地工合成材料加 勁擋土結構後續研究設計之建議。

(20)

圖 1-1 論文架構流程圖 文獻回顧

研究動機與目的

加勁擋土結構之簡介

加勁擋土結構之力學行為分析

潛變行為簡介

土壤潛變相關研究成果

地工合成材料潛變相關研究成果

宜大加勁擋土牆之監測

宜大加勁擋土牆之有限元素分析

PLAXIS 有限元素程式簡介

模擬流程及計算說明

φ

、c 折減法介紹

宜大加勁擋土牆模擬結果驗證

宜蘭縣境內加勁擋土結構案例探討案例驗證

加勁擋土牆之潛變行為初步探討

軟弱土壤潛變的機制與模型

潛變數值模擬流程說明

加勁擋土牆潛變模擬驗證

結論與建議

驗證

(21)

第二章 文獻回顧

2.1 加勁擋土結構簡介

加勁土壤(Reinforced Soil)之觀念其實在數千年前於古中國即已萌芽,

當時人類就懂得使用稻草、蘆葦及樹枝等材料與泥土混合來建造房屋或圍 牆,以增加結構之強度,如玉門一帶利用紅柳、蘆葦混合砂礫建造而成的 漢長城(圖2-1),雖歷經了二千年之風砂,某些地段卻仍高達數米(中國 大百科全書,1987)。簡單說出其中奧妙,乃因土壤受到垂直方向荷重時,

若於土壤中置入加勁材,藉由土壤與加勁材間摩擦力之互制能力的發揮,

便可以有效限制土體之側向位移,此作用相對增加土體之有效圍壓,提高 土壤之剪力強度(Vidal,1963)。近代於土木工程方面之應用,初期之加勁 擋土結構為利用條狀金屬加勁材分層埋置於土壤中,並配合預鑄混凝土面 版來構築加勁擋土結構,其成效相當良好。目前則發展成以地工合成材料 來構築加勁擋土結構,尤其是民間工程,採用以地工合成材料建造之加勁 擋土結構最為廣泛。加勁擋土結構於1980 年代後期引進台灣,各式加勁擋 土結構系統及加勁材隨即蓬勃發展,應用此工法可以大量減少施工經費、

縮短工期、達成土方平衡、容許結構物較大變形及符合美觀要求等。

擋土結構系統大致上可分外部穩定系統及內部穩定系統。外部穩定擋 土系統包括傳統式擋土牆,其背填土由外部結構牆抵擋住,當背填土向外 的土壓力鬆動且作用在結構牆上時,結構牆即會提供一個外部穩定的力量 在背填土上。內部穩定擋土系統,如加勁土壤系統,穩定土重的方式則是 藉由填築土料中加勁材所提供額外的張力。加勁土壤結構可區分為加勁擋 土牆、加勁邊坡、加勁路堤及加勁橋台等。其中加勁擋土牆與加勁邊坡之 劃分,係以其牆面或坡面傾斜角度為準,傾斜角度大於70°者定義為加勁擋 土牆,傾斜角度小於70°之則屬於加勁邊坡(周南山,1998)。

(22)

地工合成材料為高分子聚合物,材質的分類有聚乙烯(Polyethylene,

簡稱PE)、聚丙烯(Polypropylene,簡稱 PP)、聚酯纖維(Polyester,簡稱 PET)、聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,簡稱 PVC)、聚醯胺(Polyamide,簡 稱PA)及聚苯乙烯(Polystyrene,簡稱 PS)等聚合物。

本研究加勁擋土結構內埋設之加勁材皆為地工格網(Geogrid)。而地工 格網之定義,為具有張力及有規則性的網狀結構,且有足夠的網目使周圍 土壤、岩石或其它有關地工技術之材料貫穿其間,以達到錨錠加勁之作用。

地工格網為具有開口的網狀地工合成材料,可分為硬性格網(Stiff Geogrid)

及軟性格網(Soft Geogrid)。地工格網主要材質乃為聚乙烯(PE)、聚丙烯

(PP)及聚酯纖維(PET),外觀構造由平行機器出料方向的縱向肋條與垂 直機器出料方向的橫向肋條所組成,其中縱、橫肋條交接處稱為結點。硬 性格網主要構成原料為聚乙烯(PE),製造過程乃將射出成型之片狀聚合物 打上規則排列的孔洞,再進行加熱延伸。而出料時以單向拉伸所製成之格 網稱之為單向格網,若以雙向拉伸所製成之格網稱之為雙向格網。柔性格 網主要構成原料為聚酯纖維(PET),結點編織的方式共分為針織及平織兩 種。針織的方式為橫向肋條以縫紉的方式編結於縱向肋條上;平織的方式 為橫向肋條以似織布編織的方式,再與縱向肋條交錯編結而成(Koerner,

2005)。

加勁擋土結構之填築土料可概分為砂質土與粘質土兩大類,本研究已 於2002 年在宜蘭大學構築了宜大砂土加勁擋土牆及宜大黏土加勁擋土牆

(現場實景見圖2-2),相關細節容後詳述。顆粒狀之砂土、碎石因其摩擦 角大,且其強度不致因泡水後降低,故為較佳之選擇。然而,由於現地土 壤未必皆為砂質土壤,基於挖填土平衡,且為避免棄方造成污染,使用粘 質土以提高加勁擋土結構之經濟性及環保價值為不得已之措施,也是目前 研究與努力之方向。惟因粘土易受雨水飽和而喪失剪力強度,故除非能確 保排水系統運作良好,否則,目前較重要之結構物,填築土料仍應以砂質

(23)

土或礫質土為主。然而國內因質佳的填築土料來源較缺乏,且基於水土保 持法規挖填平衡原則,故於一般山坡地等民間工程常以現地材料為填築土 料。因此,採用不同填築土料之加勁擋土牆特性必須詳細瞭解,並對其穩 定性及黏彈塑性行為進行相關之模擬分析。

2.2 加勁擋土結構之力學行為相關研究

2.2.1 加勁擋土結構之破壞機制

一般而言,加勁擋土結構之破壞型態可分為內部破壞(Internal Failure)

機制及外部破壞(External Failure)機制兩大類。加勁擋土結構兩種破壞機 制說明如後:

內部破壞機制主要為加勁擋土結構之破壞面通過加勁區,破壞將於加 勁材與土壤界面間延伸發生,進而產生加勁材向外拉出之勢能,此機制主 要控制在加勁材本身強度及土壤之間摩擦力大小。其中又包含拉斷破壞

(Tie-break Failure)、拉出破壞(Pull-out Failure)及直接剪力破壞三種破壞 模式。

拉斷破壞是由於加勁材抗拉強度之不足所導致加勁材之斷裂破壞,此 類破壞之發生主要因土體變形所需之加勁材抗張強度小於加勁材所受之張 應力,因而造成加勁材承受張力過大乃產生斷裂,使得加勁區失去加勁作 用,形成破壞(詳圖2-3)。拉出破壞係指破壞面通過加勁區,因加勁材和 土壤間之錨碇力量不足以抵抗拉出力量,致使加勁材被拉出,形成拉出破 壞,此破壞又稱為錨定破壞(詳圖2-4)。直接剪力破壞常發生於加勁材上 層覆蓋土或下層土壤之界面,由於土壤與加勁材間之摩擦力不足以抵抗側 向土壓力,而產生過大之相對滑動,因加勁材本身變形量很小或無變形,

故加勁材抗張能力並未完全發揮(詳圖2-5)。

外部破壞機制乃指破壞面未通過加勁區或僅在加勁區邊緣通過,所以

(24)

破壞模式與一般邊坡破壞形式並無太大差別。其中包括了水平滑動破壞

(Base Sliding Failure)、傾倒破壞(Overturning Failure)、承載力破壞(Bearing Capacity Failure)及整體穩定破壞(Overall Instability)四種破壞模式。

水平滑動破壞係指整體加勁擋土結構體承受後方土壓力時,加勁擋土 結構體底部之滑動阻抗不足而產生加勁擋土結構體沿底面側向滑移之現象

(詳圖2-6)。傾倒破壞為加勁擋土結構承受其背後之側向土壓力作用而產 生傾倒的現象(詳圖2-7)。一般而言傾倒破壞並不易發生(因加勁擋土結 構係屬柔性結構,不易發生剛性體之旋轉式傾倒),僅可能發生於擋土結構 上方垂直荷重過大或擋土結構遭受動力荷重(例如地震)作用時。承載力 破壞係由於加勁擋土結構體之基礎地盤承載力不足而導致之破壞(詳圖 2-8)。整體穩定破壞係因擋土結構體之自重或其上方加載所引致由加勁擋土 結構體外側之圓弧型或楔形破壞(詳圖2-9)(周南山,1998)。

2.2.2 加勁擋土結構之設計方法

目前用於分析加勁擋土結構之方法,可概分為極限平衡法(Limit Equilibrium Method)及有限元素法(Finite Element Method)二類。極限平 衡法可用於分析加勁擋土結構極限破壞時之安全係數,有限元素法則可用 於獲得加勁材之張力分佈與土體變形情況等力學行為知識。

加勁擋土結構於工程設計單位常採用極限平衡法進行計算,極限平衡 分析法係考慮極限破壞時之安全係數,來作為設計之控制要素,可分為土 壓力平衡法(Earth Pressure Equilibrium Method)、破壞土體極限平衡法

(Failure Mass Limiting Method)及綜合法。加勁擋土結構極限平衡分析方 法說明如後:

1、土壓力平衡法(Earth Pressure Equilibrium Method)

土壓力平衡法是根據加勁土體背側土壓力計算所需平衡應力之大小,

而據以設計加勁材所需之埋設深度,此類方法所需考慮的應力包括垂直土

(25)

壓力、側向土壓力、加勁材水平張應力及拉出破壞時水平抵抗力。此外,

在每層的加勁材中均須考慮防止加勁材拉斷破壞及防止加勁材拉出破壞之 安全係數。設計加勁擋土結構之土壓力平衡法多假設加勁擋土結構之破壞 面與Rankine 之主動破壞面相同,而未分析破壞面上之應力。各分析方法之 差異主要在於假設不同的土壓力分佈假設不同。

其中,Ka 設計法(Koerner,1994)係以土壓力假設乃基於主動土壓力 狀況,由土體自重產生的土壓力為一線性分佈。Forest Service(Steward et al,1977)乃假設作用於加勁體背側之土壓力為靜止土壓力狀況。Broms 設 計法(Broms,1978;Broms,1987)之側向土壓力分佈為一均勻之四方形 分佈,與根據Terzaghi & Peck(1967)設計錨錠板樁所假設之側向壓力相 同。Collin 設計法(Collin,1986)亦以土壓力假設為一梯形或近乎梯形分 佈,乃依據實際擋土牆所量得之結果,利用有限元素分析法獲得。Bonaparte 設計法(Bonaparte et al,1987)所假設之土壓力為一非線性分佈,設計概 念乃根據Rankine 之主動土壓力,但同時考慮作用於加勁土區背後土體之 垂直壓力作用所發展的。美國聯邦公路局設計法(FHWA,1997)則考慮加 勁材的性質來估算作用於加勁土體中之側向土壓力,並認為在加勁結構下 方,由於已產生充份之側向變形,側向土壓趨向主動土壓狀態,只有在距 牆頂0 至 6 公尺深,可根據不同之加勁材求取相關位置之側向土壓力係數。

不同土壓力平衡法所假設之側向土壓力示意圖詳見圖2-10。

2、破壞土體極限平衡法(Failure Mass Limiting Method)

破壞土體極限平衡設計方法與一般邊坡穩定分析方法相類似,都是考 慮破壞面上之應力平衡,找出最可能發生之破壞面,用以計算滿足加勁土 體內外部穩定所需之加勁材。本類方法主要的不同在於對破壞面形狀及平 衡條件的假設,分別有平面形(Planar)、對數螺線形(Logspiral)、圓弧形

(Circular)及楔形(Wedge)等模式。由於利用此方法進行分析時較為複 雜,計算量較大,故設計時需配合電腦程式或設計圖表,且於各設計法細

(26)

部變化較大,無法得到可涵蓋本類方法之設計步驟。茲將此類方法說明如 下:

Jewell 設計法(Jewell,1984)乃假設破壞面為雙楔形(Two-part wedge)

分佈。分析步驟首先利用程式找出安全係數最小之楔形破壞面,用以決定 滿足整體楔形土塊平衡時所需之加勁材最小水平外力,最後決定土壓力係 數之大小。此外,Jewell 依據滿足防止底層加勁材受到過度之張應力、防止 土體與加勁材之間產生滑動破壞、以及防止加勁土體底部之基礎產生垂直 張應力原則,決定出加勁材所需之最小埋置長度。

圓弧破壞法(Duncan,1985)以根據普渡大學發展之邊坡程式(STABL)

所衍生而來,此法僅考慮破壞時因增加加勁材之張力,而使抵抗力矩增加,

其餘之計算則與一般圓弧有若干差異。

Leshchinsky & Perr 設計法(Leshchinsky & Perry,1987)乃基於改良式 邊坡穩定之分析法,同時考慮作用於破壞面上加勁材之應力大小與加勁材 和破壞面之夾角所發展出的設計法。Leshchinsky & Perry 設計法之原理,首 先定義出兩種破壞模式,分別為轉動破壞(Rotational Failure)及平移破壞

(Translational Failure)。最後再利用變分法(Variational Method)分析加勁 土體之整體穩定,以決定出加勁材埋置長度之配置方式。

Schmertmann 設計法(Schmertmann,1987)之步驟乃為先利用線性

(Linear)及雙線性(Bi-linear)之楔形破壞模式,來分析滿足加勁土體內 外部穩定所需之加勁材用量。最後再以改良之邊坡穩定分析法(Bishop’s Method 及 Spencer’s Method)所得到之加勁牆分析結果,與利用楔形破壞 模式所得到之分析結果作一比較,來決定加勁擋土牆或加勁邊坡設計圖表。

日本國鐵(JR)所發展之剛壁補強土擁壁工法(簡稱 3R 工法)為目前 唯一在高速鐵路上使用加勁路堤之案例,以假設破壞面為雙楔形(Two-part Wedge)分佈。根據牆體背後兩土楔之力平衡,並以改變破壞面之方法,來 求得作用於壁面之最大土壓力。然後進行加勁材佈置之初步設計,再進行

(27)

水平滑動、傾覆及圓弧滑動分析,若不合格則修正初步設計結果,直到合 格為止。

3、綜合法

綜合法是以土壓力平衡法中,防止破壞土楔產生滑動所需之側向力大 小,加以設計加勁材的強度與間距。再依據破壞土體極限平衡法,假設不 同破壞面,計算該破壞面與牆面之距離,決定滿足內部穩定所需之加勁材 長度。

至於以有限元素法分析加勁擋土結構,則可概分為複合式(Composite Approach)和分離式(Discrete Method)兩大方式。前者係將加勁結構視為 一均勻複合體(Homogeneous Composite Structure)(Chou et al,1991),目 前已較為少見。後者則將加勁結構之各部分,如加勁材、填築土料及基礎,

分別以不同元素處理(Chang,1998;Chang et al,2002;Chang et al,2003;

Helwany,2003)。有限元素法之優點包括可考慮土壤及加勁材間複雜之互 制作用(Interaction)、可計算結構之側向位移量和沉陷量、可考慮面版剛度 及結構施工程序、可考慮基礎部份的不均勻沉陷對結構之影響及可深入分 析砂質土壤及黏質土壤之影響等。

2.2.3 加勁擋土結構相關研究成果

加勁擋土結構是近年來國外土木工程界發展相當迅速的ㄧ門工法,國 內則於1980 年代後期開始引進使用,亦已有二十餘年的歷史,至今不論在 理論與應用均已漸具規模。以下介紹各專家學者研究重點成果並整理影響 加勁擋土結構行為之相關因素。

Leshchinsky et al(1986)為提供美國鐵路工程學會(American Railway Engineering Association)一個簡便而快速的設計方法,首先利用理論推導的 方式,找出簡化破壞面,然後假設遵守莫耳-庫倫破壞準則的填築土料全部 進入塑性,且加勁材完全發揮設計強度,最後再利用極限平衡法推導出填

(28)

築土料之凝聚力與破壞面關係。

Suah & Goodings(1989)為了研究加勁長度與回包長度對加勁擋土牆 穩定性的影響,因此利用不同比例的砂和高嶺土混合而成的土壤作為填築 土料,進行了27 組的離心模型試驗。試驗結果發現加勁材長度越長,會使 張力裂縫距離牆面越遠,破壞面愈平緩,使得牆體越穩定。增加回包長度 可改善牆體向前旋轉的趨勢,減少牆體的變形行為,所以回包長度與牆體 的穩定有一正相關存在。當混合土壤中砂的含量提高時,加勁擋土牆破壞 的狀態會漸漸由滑動破壞趨向傾覆破壞,但破壞時加勁材將不會發生拉出 破壞,而是皆發生斷裂破壞。

Chou(1992)及 Lee(2000)曾分別利用可合理模擬土壤與結構互制 行為之有限元素模式為基礎,進行國內失敗案例分析探討以及最佳化設計 模擬,提出對加勁擋土結構之設計準則建議。在設計準則建議部分,應同 時考慮加勁擋土結構之側向變形量及加勁材所受之張應力。

Porbaha & Goodings(1997)使用高嶺土進行 24 組加勁擋土牆與加勁 邊坡的離心模型試驗研究,探討在不同基礎土壤強度、厚度、加勁長度及 觀察破壞面的發展行為。試驗結果顯示會變形的基礎土壤比不會變形的基 礎土壤對牆體有較大的穩定性。加勁擋土牆之加勁長度若大於牆高的0.75 倍,則破壞會完全發生在加勁區內;加勁邊坡的加勁材長度則只需大於牆 高的0.67 倍,破壞就會在加勁區內發生。加勁材埋設長度越長,加勁結構 物的穩定性越高。牆體破壞是由地工合成材料的拉斷或變形產生,而非加 勁材的拉出破壞。

Zornberg et al(1998)曾發表八組由砂土製作及邊坡傾角為 63.4°的加 勁邊坡離心模型試驗,探討基礎土壤強度、填築土料相對密度及加勁材強 度與加勁牆體穩定性之間的關係。試驗結果發現填築土料相對密度與加勁 材強度對加勁牆體穩定性有正相關的影響。

Bathurst(2000)曾利用地工合成材料構築加勁擋土牆,此試驗分別以

(29)

地工格網回包堆壘成加勁擋土牆,並於加勁擋土牆頂部施加載重,進行探 討加勁擋土牆之變形行為與加勁材的應變反應。

陳榮河和洪勇善(2001)進行生態工法之安全分析,但提及地工合成 材料加勁擋土結構為一種新工法,各工程設計單位仍感到無法確切地掌握 其行為表現,若無法顧及結構物之穩定與安全,則將會造成生態環境之二 次危害。陳榮河等(2003)後於第十屆大地工程學術研究討論會專題演講 中,亦提及地工合成材料加勁擋土結構之應用不僅可以減少施工經費、縮 短工期,更可達成土方平衡、容許結構物較大變形、及外觀美麗容易綠化 等,是目前發展生態工法、坡地開發工程、垃圾掩埋場、及崩塌公路之整 治等應用之優良選擇。

Shahar & Frydman(2002)使用砂土為填築土料,對加勁材長度較短的 加勁擋土牆進行離心模型研究。試驗結果顯示加勁材長度在0.5 倍牆高以下 的加勁擋土牆,當加勁材長度愈長,破壞愈不易發生。

趙紹錚(2002)曾以地工合成材料構築宜大砂土加勁擋土牆及宜大黏 土加勁擋土牆。其後為能瞭解加勁擋土結構之力學行為與破壞模式,乃利 用PLAXIS 有限元素程式,對二座加勁擋土牆進行安全係數之相關參數分 析。所得之模擬結果與現場監測結果相符,顯示可以利用有限元素方法,

進行各相關材料之參數分析,以得到在各種不同條件下,加勁材之張力分 佈狀況、土壤之位移與受力情況,亦即獲得足夠之認知。

Helwany(2003)以有限元素程式 DACSAR 模擬美國科羅拉多州之疊 塊地工加勁橋台,然此分析模式僅於疊塊與加勁土壤間採用了界面元素,

並沒有在加勁材及填築土料間採用界面元素。

Villard et al(2003)於法國尼斯舉辦之 Geosynthetics - 7 ICG 專題演講 文章中,提出以有限元素法模擬加勁土壤可獲得其力學行為之瞭解,亦說 明界面元素使用之必要性及其應具有之特性。

陳力維和趙紹錚(2005)嘗試以有限元素程式 PLAXIS 分析宜大加勁

(30)

擋土牆,並於建立數值模擬之模型時,在土壤及加勁材間加入不同參數值 之界面元素。界面元素強度由與土壤強度相同至完全無強度,由界面元素 折減係數考慮為1、0.75、0.5、0.25、0 等 5 種情況模擬。由有限元素模擬 宜大加勁擋土牆內部加勁材所產生之軸向載重分佈情形可知,所使用的折 減係數愈小時預測結果愈低。

陳力維(2006)亦曾利用 STABL 極限平衡程式及 PLAXIS 有限元素程 式,對於宜大加勁擋土牆進行數值模擬分析,以瞭解砂土加勁擋土牆及黏 土加勁擋土牆之力學行為。分析結果顯示模擬不同摩擦角及不同凝聚力之 條件下,得知不同的土壤性質對加勁擋土結構安全係數之影響範圍不大。

模擬不同傾角分析結果,得知砂土加勁擋土牆安全係數因傾角愈大而愈 小,黏土加勁擋土牆則於不同傾角之條件下所得之安全係數皆相近,故可 知黏土加勁擋土牆因其具有土壤凝聚力之特性,於不同傾角之條件下,加 勁擋土牆之安全係亦不受影響。模擬多階式加勁擋土結構之平台回縮寬 度,得知於設計多階式加勁擋土結構時,平台回縮寬度至少大於1m ~ 2m 以上,才會使破壞面不分佈於整體,亦即使加勁擋土結構較穩定安全。

王程廣(2007)利用 PLAXIS 有限元素,對加勁材及土壤分別加以模 擬,以獲得土壤與結構互制行為之瞭解。結果顯示基礎載重的增量使得基 礎下方土壤向兩側位移,由於加勁材的彈性模數較土壤大,因此變形量較 小,相對也就提高了承載能力。

Huang et al(2007)曾以有限差分程式 FLAC 模擬一座 9m 高之加勁擋 土牆之力學行為,進行了3 種加勁材料及 3 種不同性質填築土料之參數分 析。其數值分析結果顯示填築土料為黏土質土壤時,加勁擋土結構之變形 量將大於採用砂土質或粉土質之填築土料。其中與本論文研究目標較有關 聯之結論,乃為加勁擋土結構填築土料性質中之摩擦角所能提供之互制關 係,應遠比凝聚力所能提供之互制關係來的重要。因此,本論文將繼續深 入探討不同填築土料之加勁擋土結構應力-應變行為。

(31)

2.3 潛變行為簡介

當一個材料(填築土料或加勁材)受到定值應力時,若是固體會產生 定值應變來回應,這現象會利用彈簧(spring)作為理想彈性體的相似物;

但若施加應力在流體上,則流體會以定值應變速率來作為回應,這種現象 會利用阻尼器(damper)作為理想黏性體的相似物。當材料在使用過程中,

力學行為同時具有阻尼與彈簧的特性時,則此材料便具備黏彈性質。一般 而言,黏彈性材料的行為模式,可由完全黏性的阻尼與完全彈性的彈簧兩 種特性組合,來描述受力時的行為模式。

描述黏彈性行為最簡便之方法為力學模式,係藉由基本流變元素組合 建構而成。虎克(Hookeian)元素或彈簧為完全彈性,所有能量傳至試樣將 被儲存起來,如同應變能,應力和應變間之關係為σ =Eε。牛頓(Newtonian)

元素或阻尼為完全黏滯性,所有傳至試樣之能量將被釋放,而應力和應變 速率之行為以

σ

=

μ

ε

&表示。St.Venant 元素代表應力作用下之團塊,藉由團 塊和水平表面間之摩擦力來抵抗移動,若承載應力大於摩擦力,團塊則產 生移動。由上述三種基本元素適當的組合,逐漸建構成複雜之流體模式,

以模擬實際材料之黏彈性行為。簡單之模式可藉由不同組合而結合在一 起,以說明固體和液體隨時間而變之應力特性,而純粹固體或液體之理想 模式,都無法含蓋固體和液體兩者之行為,因此流變模式之建立必須兼具 固體及液體,方得有效模擬實際材料之黏彈性行為。

當材料(填築土料或加勁材)受固定應力作用下,材料的變形隨時間 的經過而增加之現象稱為潛變。材料在加了荷重以後(在彈性限度內),首 先會發現彈性應變,如果荷重固定不變,則材料就發生緩慢的潛變,潛變 進行一段時間以後,如果忽然除去荷重,則應變就會立即減小一部分,這 立即減小一部分的應變和加載荷重時發生的彈性應變大小相等。經過彈性 應變減小以後,在無荷重的情況下,材料仍然漸漸恢復原狀,這種恢復的 過程,也是一種潛變的過程。

(32)

Singh & Mithchell(1968)提出在不同應力作用下,應變量隨時間變化 的情形並不相同。如圖2-11 中顯示,曲線 I、II 由於所承受應力位階 D (stress level,定義為施加於材料之潛變應力與材料破壞強度之比)較小,隨著時 間的增加應變量的變化最後趨向於平緩,而當應力位階夠大時(曲線III)

則應變的變化將在一段時間後迅速增加導致潛變破壞。由圖2-11 中亦可發 現,沒有潛變破壞發生時(曲線I、II),在固定應力位階作用下,材料的應 變速率隨著時間增加而遞減。反之若潛變破壞發生時(曲線III),應變速率 隨時間遞減至最小值後,開始增加直到潛變破壞為止。

潛變行為是指取決於時間變形過程中的應力小於材料的強度(Findley,

1960;Nielsen,1974),一個典型的潛變行為說明如圖2-12 所示。一般而言,

所有材料潛變曲線之關係皆不同,每一種材料所產生之潛變曲線,將視應 力和溫度而定。可由典型潛變行為示意圖說明潛變行為可以區分為三個階 段,第一階段為最初潛變階段又叫暫態潛變(Primary or Transient Creep)

階段,其應變率於開始時甚大,但很快就會逐步下降並趨於緩和維持一定 值,而應變卻有增加之趨勢;進入第二階段潛變,此階段潛變又叫穩態潛 變(Secondary or Steady-State Creep),應變及應變率趨勢屬穩定值;最後 階段潛變,其應變及應變率又轉為急速上升而趨向潛變破壞,此階段稱為 第三階段潛變(Tertiary Creep)。

Goodman(1989)提出完整應力應變曲線圖(如圖 2-13 所示),說明並 非任何應力條件均會發生潛變或潛變破壞。若試驗荷重相當接近尖峰荷重

(P 點),則會發生瞬間破壞(變位快速成長或變位速率甚大)。若試驗荷重 接近尖峰荷重時,當累積應變達應力-應變峰後曲線部分時,則會發生潛變 破壞。試驗荷重A 點接近於尖峰荷重,因而在短時間達到峰後曲線

A′

點進 而發生潛變破壞。試驗荷重C 相較於試驗荷重 A 則需要較長之時間,累積 較多之變位而達到潛變破壞。試驗荷重D 在應力準位 G 點之下,會產生潛 變行為,但即使在長時間下,亦不會發生潛變破壞。試驗荷重E 則在 G 點

數據

Updating...

參考文獻

Updating...

相關主題 :