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研究生： 謝萬勲
Wan-Syun Sie
論文名稱： 水中回填砂土之液化改良
指導教授： 張惠文
Huei-Wen Chang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 165
中文關鍵詞： 水泥改良砂土 、水中回填 、抗分散劑 、無圍壓縮強度 、液化阻抗
外文關鍵詞： cement treated sand, reclamation in water, coagulant, unconfined compression strength, cyclic resistance
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    • 本研究主要目的為探討改良砂土之水中抗分散特性與改良成效之影響。試驗方式以西螺砂為主要回填材料，並以自由沉降模式模擬改良土之現地水中回填，經取樣後，進行一系列之無圍壓縮試驗與動力三軸試驗。為減少改良砂土於水中回填時所產生之水泥與砂土分離現象，故於改良砂土中添加聚丙烯醯胺或羧甲基纖維素鈉作為抗分散劑，並探討抗分散劑添加率、水泥配比及養治時間對改良土剪力強度與動態性質之影響。
    試驗結果顯示，改良砂土之無圍壓縮強度會隨水泥配比之加大而增強。然無圍壓縮強度之變化則因抗分散劑添加率及種類之不同而有所變化。當以羧甲基纖維素鈉為抗分散劑時，改良砂土之無圍壓縮強度隨抗分散劑添加率之增加而持續遞增；而於抗分散劑採用聚丙烯醯胺者，其無圍壓縮強度則隨抗分散劑添加率之增加呈現先遞增而後遞減之趨勢。再者，經由動力三軸試驗結果得知，以羧甲基纖維素鈉為抗分散劑且添加率為3.5 g/kg，水泥配比8 %，養治時間為28天時之試驗條件下，改良砂土之液化阻抗即可獲得大幅改善。因此，添加水泥及抗分散劑確有助於砂土剪力強度之提升與動態特性之改善。

    The purpose of this study is focused on the prevention of separation and the improving effects of cement treated sand in water. The Shiluo sand was adopted as the main backfilling material. The water sedimentation method was used to prepare specimens for simulating the actual reclamation in water. A series of unconfined compression tests and cyclic triaxial tests was carried out. In order to avoid the separation of cement and sand particles from treated sand during the process of backfilling in water, two kinds of coagulants (Sodium carboxy methyl cellulose and polyacrylamide) were added into the cement treated sand respectively. The effects of coagulant content, cement content and curing time for treated sand were discussed in this study.
    The experimental results showed that the unconfined compression strength of treated sand increased as the cement content increased. The variation of unconfined compression strength would be affected by the coagulant type and coagulant content. When the Sodium carboxy methyl cellulose was used as the coagulant, the unconfined compression strength increased as the coagulant content increased; while the coagulant was changed to polyacrylamide, the values of unconfined compression strength increased initially and then decreased as the coagulant content increased continuously. Furthermore, the cyclic resistance of cement treated sand for curing time of 28 days would be increased significantly due to adding the Sodium carboxy methyl cellulose of 3.5 g/kg and cement content of 8 %. Therefore, the coagulant and cement both can improve the dynamic properties of treated sands effectively.

    目錄 摘要 I 英文摘要 II 目錄 III 照片目錄 VIII 表目錄 X 圖目錄 XI 符號說明 XVI 第一章 緒 論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究方法 2 1.4 論文內容 2 第二章 文獻回顧 4 2.1 水力抽砂回填土之特性 4 2.1.1 回填土之堆積特性 4 2.1.2 回填土之顆粒特性 4 2.1.3 影響水力回填地盤變形之因素 5 2.2 砂土液化 7 2.2.1 液化定義與機制 7 2.2.2 土壤之動態特性 9 2.3影響土壤液化強度之因素 10 2.3.1 試體準備方式 10 2.3.2 顆粒組構特性 10 2.3.3 反覆加載作用頻率 11 2.4 水泥改良土 11 2.4.1 水泥成分與水化作用 11 2.4.2 水泥系材料穩定處理機制 12 2.4.3 土壤與水泥的固結機制 12 2.4.4 水泥改良土之性質及影響 13 2.4.5 水泥對改良土之影響 13 2.5 事前混合處理工法 14 2.5.1 工法概要 14 2.5.2 施工步驟 15 2.5.3 施工模式 15 2.6 抗分散劑對水泥改良土之影響 16 2.6.1 混凝與膠凝之理論 17 2.6.2 羧甲基纖維素納與聚丙烯醯胺特性 19 2.6.2.1 羧甲基纖維素納之結構和性質 19 2.6.2.2 聚丙烯醯胺之結構和性質 20 2.6.2.3 羧甲基纖維素納與聚丙烯醯胺之絮凝機制 22 2.6.3 抗分散劑之應用 22 2.6.3.1 羧甲基纖維素納之應用 22 2.6.3.2 聚丙烯醯胺之應用 23 2.7 海水對水泥改良土之影響 23 2.7.1 海水之化學成分與鹽度 23 2.7.2 海水對水泥漿體之影響 24 第三章 土樣與試驗方法 41 3.1 試驗砂樣與改良材料 41 3.1.1 試驗砂樣基本物理性質 41 3.1.2 改良材料 41 3.2 改良土試體的製作 41 3.3 試驗方式及試驗儀器 44 3.3.1 無圍壓縮試驗 44 3.3.2 動力三軸試驗 45 3.3.2.1 控制系統 46 3.3.2.2 量測系統 47 3.3.2.3 動力系統 48 3.3.2.4 訊號擷取系統 49 3.3.2.5 三軸室 50 3.4 動力三軸試驗步驟 50 3.4.1 儀器校正階段 50 3.4.2 試體裝機階段 51 3.4.3 試體飽和階段 51 3.4.4 試體壓密階段 52 3.4.5 動態試驗階段 53 3.4.6 液化後再壓密階段 53 3.4.7 動態參數之整理 54 3.5 補償荷重之計算 54 第四章 試驗結果與分析 80 4.1 抗分散劑之絮凝效益 80 4.2 無圍壓縮試驗結果與分析 81 4.2.1 軸向應力與軸向應變之關係 82 4.2.2 無圍壓縮強度與水泥配比之關係 82 4.2.3 無圍壓縮強度與抗分散劑添加量之關係 84 4.2.3.1 羧甲基纖維素鈉之影響 84 4.2.3.2 聚丙烯醯胺之影響 85 4.2.3.3 羧甲基纖維素鈉與聚丙烯醯胺之絮凝效益的差異性 87 4.2.4 無圍壓縮強度與正割彈性模數之關係 89 4.3 動態特性分析 90 4.3.1 試驗資料處理 90 4.3.2 液化試驗結果 92 4.3.3 液化強度曲線 96 4.3.3.1 水泥配比對液化強度曲線之影響 96 4.3.3.2 抗分散劑添加率對液化強度曲線之影響 97 4.3.4 無圍壓縮強度與液化阻抗之關係 99 4.4 剪力模數與剪應變之關係 100 4.4.1 反覆剪應力比之影響 100 4.4.3 抗分散劑添加率之影響 101 第五章 結論與建議 131 5.1 結論 131 5.2 建議 132 參考文獻 134 附錄一 校內系統之自來水水質報告 140 照片目錄 照片3.1 西螺砂顆粒形狀（I） 55 照片3.2 西螺砂顆粒形狀（II） 55 照片3.3 聚丙烯醯胺抗分散劑與羧甲基纖維素鈉抗分散劑 56 照片3.4 回填土之取樣器與上蓋鈑 56 照片3.5 水泥改良土試體拌和過程 57 照片3.6 攪拌器 57 照片3.7 人工回填地盤之製作流程 58 照片3.8 回填後水泥改良土試體之取樣流程 59 照片3.9 無圍壓縮試驗儀與量測感應器 60 照片3.10 無圍壓縮試驗之壓縮機 60 照片3.11 數據讀取記錄器 61 照片3.12 位移計 62 照片3.13 荷重計 62 照片3.14 動力三軸試驗儀 63 照片3.15 動力三軸試驗之控制與訊號擷取記錄系統 64 照片3.16 訊號轉換介面盒 65 照片3.17 電空調壓閥 65 照片3.18 調壓閥（Model 15） 65 照片3.19 調壓閥（Model 10） 66 照片3.20 水壓計 66 照片3.21 體積變化儀 67 照片3.22 壓力錶 67 照片3.23 訊號放大器 67 照片3.24 氣壓缸 68 照片3.25 空氣壓縮機 68 照片3.26 空氣乾燥機 68 照片3.27 儲氣鋼瓶 69 照片3.28 空氣濾清器 69 照片4.1 添加不同抗分散劑水泥改良土之絮凝效果差異 103 表目錄 表2.1 里港砂添加水泥之剪力強度參數 28 表2.2 混凝機制及影響作用之因素 28 表2.3 海水化學元素成份 29 表3.1 試驗砂樣之基本物理性質 70 表3.2 試驗砂樣之元素成分含量分析 70 表3.3 波特蘭水泥第I型化學成分及物理性質 71 表3.4 事前混合工法案例 72 表3.5 不同抗分散劑種類回填土樣基本性質 73 表4.1 無圍壓縮試驗結果（無添加抗分散劑之水泥改良土） 104 表4.2 無圍壓縮試驗結果（添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土）105 表4.3 無圍壓縮試驗結果（添加聚丙烯醯胺之水泥改良土） 106 表4.4 動力三軸試驗結果（添加羧甲基纖維素納之水泥改良土）107 表4.5 動力三軸試驗結果（添加聚丙烯醯胺納之水泥改良土） 108 表4.6 動力三軸試驗結果（不同水泥配比之水泥改良土） 109 圖目錄 圖2.1 水力回填土壤沉積過程 30 圖2.2 剪應力與剪應變 30 圖2.3 不同加載頻率剪力模數之比較 31 圖2.4 里港砂反覆剪應力比與試體達液化所需作用次數之關係圖31 圖2.5 林園砂反覆剪應力比與試體達液化所需作用次數之關係圖32 圖2.6 事前混合處理工法之流程 32 圖2.7 陸上回填模式 33 圖2.8 海上回填模式 33 圖2.9 水泥含量對降伏應力之影響 34 圖2.10 高分子聚合物破壞膠體穩定性之架橋模式 35 圖2.11 絮凝劑的抗分散機理模型 36 圖2.12 羧基藉由配位鍵或架橋吸附砂土顆粒示意圖 36 圖2.13 羧甲基纖維素納添加率對液化強度曲線之關係 37 圖2.14 添加聚丙烯醯胺水泥改良土之液化強度曲線 37 圖2.15 添加中陽離子型聚丙烯醯胺水泥改良土之液化強度曲線38 圖2.16 添加中陰離子型聚丙烯醯胺水泥改良土之液化強度曲線38 圖2.17 臺灣四周表層海水之溫度（實線）和鹽度（虛線）分布圖 39 圖2.18 無圍壓縮強度與鹽度之關係（I） 40 圖2.19 無圍壓縮強度與鹽度之關係（II） 40 圖3.1 西螺砂粒徑分佈曲線 74 圖3.2回填水槽示意圖 74 圖3.3 改良砂土之平均單位重與抗分散劑添加率之關係 75 圖3.4 動力三軸系統裝置示意圖 76 圖3.5 三軸室裝置示意圖 77 圖3.6 動力三軸試驗主要步驟流程圖 78 圖3.7 動力三軸試體受應力之狀況示意圖 79 圖4.1 不同水泥配比改良土之軸向應力與軸向應變關係 110 圖4.2 無圍壓縮強度與水泥配比之關係 （添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土，tc=7 days） 110 圖4.3 無圍壓縮強度與水泥配比之關係 （添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土，tc=28 days） 111 圖4.4 無圍壓縮強度與水泥配比之關係 （添加聚丙烯醯胺之水泥改良土，tc=7 days） 111 圖4.5 無圍壓縮強度與水泥配比之關係 （添加聚丙烯醯胺之水泥改良土，tc=28 days） 112 圖4.6 無圍壓縮強度與抗分散劑添加率之關係 （添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土，tc=7 days） 112 圖4.7 無圍壓縮強度與抗分散劑添加率之關係 （添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土，tc=28 days） 113 圖4.8 無圍壓縮強度與抗分散劑添加率之關係 （添加聚丙烯醯胺之水泥改良土，tc=7 days） 113 圖4.9 無圍壓縮強度與抗分散劑添加率之關係 （添加聚丙烯醯胺之水泥改良土，tc=28 days） 114 圖4.10 無圍壓縮強度與抗分散劑添加率之關係 （添加不同抗分散劑之水泥改良土，tc=28 days） 114 圖4.11 正割彈性模數與與無圍壓縮強度之關係 （添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土） 115 圖4.12 正割彈性模數與與無圍壓縮強度之關係 （添加聚丙烯醯胺之水泥改良土） 115 圖4.13 軸向應變歷時曲線（CSR=0.23） 116 圖4.14 軸差應力與歷時曲線（CSR=0.23） 117 圖4.15 超額孔隙水壓激發歷時曲線（CSR=0.23） 118 圖4.16 軸向應變歷時曲線（CSR=0.32） 119 圖4.17 軸差應力與歷時曲線（CSR=0.32） 120 圖4.18 超額孔隙水壓激發歷時曲線（CSR=0.32） 121 圖4.19 軸差應力與軸向應變之關係 122 圖4.20 應力路徑 123 圖4.21 不同水泥配比改良土之液化強度曲線 124 圖4.22 水泥配比與液化阻抗之關係 124 圖4.23 不同抗分散劑添加率改良土之液化強度曲線 （添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土） 125 圖4.24 液化阻抗與抗分散劑添加率之關係 （添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土） 125 圖4.25 不同抗分散劑添加率改良土之液化強度曲線 （添加聚丙烯醯胺之水泥改良土） 126 圖4.26 液化阻抗與抗分散劑添加率之關係 （添加聚丙烯醯胺之水泥改良土） 126 圖4.27 無圍壓縮強度與液化阻抗之關係 （添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土） 127 圖4.28 無圍壓縮強度與液化阻抗之關係 （添加聚丙烯醯胺之水泥改良土） 127 圖4.29 剪力模數與剪應變之關係 （添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土） 128 圖4.30 剪力模數與剪應變之關係 （添加聚丙烯醯胺之水泥改良土） 128 圖4.31 第一週期剪力模數與剪應變之關係 （不同水泥配比之改良土） 129 圖4.32 第一週期剪力模數與剪應變之關係 （添加羧甲基纖維素鈉之水泥改良土，aw=8 %） 129 圖4.33 第一週期剪力模數與剪應變之關係 （添加聚丙烯醯胺之水泥改良土，aw=8 %） 130

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