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研究生： 賴志忠
Zh-Zhong Lan
論文名稱： 沉箱碼頭受震反應及側向位移分析
指導教授： 李崇正
Chung-Jung Lee
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： 89
語文別： 中文
論文頁數： 115
中文關鍵詞： 沉箱 、土壤液化 、剪力波速 、相差 、側向位移
外文關鍵詞： caisson type quay wall, liquefaction
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    • 研究結果顯示，於受震反應部分，滲透係數愈低之土壤，土壤液化導致加速度震幅及剪力波速Vs降低之幅度愈顯著；受震期間，超額孔隙水壓上升後，整體勁度降低，沉箱基本震動模態會由高頻轉至低頻，對低頻的輸入運動較為敏感。且沉箱本身之水平震動模態、旋轉模態與地震記錄及沉箱與背填土間均存在著相差之關係，滲透係數愈低的土壤，水平震動模態、旋轉模態與地震紀錄之相差及沉箱與背填土間之相差愈大。
    側向位移分析部分，本研究根據Siddharthan(1992)針對乾砂提出擋土牆之複合運動方程式作一修正，將水之影響在力平衡方程式中考慮。根據此種觀念推導動態平衡方程式，經程式計算結果與離心模型試驗結果及台中港現地災害案例做比較，有不錯的準確度，可提供業界在沉箱受震引致側向位移分析時的參考。


    In this thesis, observed the relationship of phase shift, the reduction of acceleration amplitude and shear wave velocity resulted from liquefaction. Not only relationship of phase shifts between input motion and responses of the quay wall, including horizontal translation mode, rotation model and input base motion, but also that between the responses of the quay wall and the backfill are found. In addition, the fundamental frequency of the quay wall is reduced to a lower frequency due to the reduction of system stiffness resulted from the excess pore water pressure increased during vibration. The phenomenon is more apparent when the coefficient of permeability of soils is lower.
    Coupled equations of motion presented by Siddharthan al. (1992) were revised by considering the influence of water. A revised procedure for determination of lateral displacement of the quay wall will be proposed. The comparison of results between numerical analysis and centrifuge tests is well. The result of numerical analysis is closed to the hazard in Taichung Harbor. The methodology can be well applied to a caisson type quay wall design in engineering.

    內容 頁次 中文摘要………………….....…………………………………………..Ⅰ 英文摘要……………… …………………………………………………..Ⅱ 目錄…………………………………………………………………….…..Ⅳ 表目錄….…………………………………………………………………..Ⅷ 圖目錄……………………………………….……………………………..Ⅸ 符號說明……………………….………………………………………..ⅩⅣ 第一章 緒論 ……………….…………………………..…….……..…1 1-1 引言…..…………………………………………………………………1 1-2 研究動機與目的………………………………………………………..1 1-3 研究方法………………………………………………………………..2 1-4 論文內容………………………..………………………………………2 第二章 文獻回顧………………………………………………….………..3 2-1液化現象及液化後所造成的破壞………………….….…………….3 2-1-1液化現象……………………….………..……………………..3 2-1-2孔隙水壓上升的情形…………………………………………….3 2-1-3液化後所造成的破壞…………… ………………………………4 2-1-4 港島及台中港沉箱碼頭側移現地案例… ………..………….5 2-1-4-1 土壤級配及結構斷面圖…………..…………………...6 2-1-4-2 沉箱碼頭的基本性質及破壞狀況……………….…………6 2-4-1-3 現場照片記錄…………………… ………….……..….8 2-2 地震資料處理與應用…………………………………………………..8 2-2-1地震資料處理…………………………………….……………..…..8 2-2-2基本震動頻率……………………………………..………………..10 2-3 動態土壓力、動態水壓力及動態極限承載力之 析………………..11 2-3-1 動態土壓力分析………………………………………………….11 2-3-2 砂土動態極限承載力……..…………………….………………..14 2-3-3基礎底部提供的降伏彎矩阻抗…………………………………..16 2-3-4孔隙水之液體動力效應…………………………………………..17 2-4 擋土牆受震動態位移之分析法………………….…………………..18 2-4-1 Newmark 滑塊分析法………………………… …..…………..18 2-4-2 Richards-Elms 分析法………………..……..… ….….……..19 2-4-3 Zeng — Steedman 旋轉滑塊分析…...………….…..………..21 2-4-3-1 純旋轉之位移分析……………….………………........…..22 2-4-3-2 同時考慮旋轉和滑動之位移分析……………………….....23 2-4-4 Siddharhan 分析法…………………………..………………..25 第三章 離心模型震動台試驗………………………… ………………….48 3-1 模型試驗的因次分析……………………………………….………..48 3-2 試驗土樣…………………………….………………..……………..51 3-3 試驗儀器及相關設備…………………………………….…..……..51 3-3-1 地工離心機……………..……...…………………………..…..52 3-3-2 模型試驗箱……….…………………………..…………………..52 3-3-3 量測工具………………………………...………………………..52 3-4 試體準備與模型製作……………………………………….…..…..53 3-4-1 試體準備……………….………………………….……….……..53 3-4-2 試體霣降…………………………………..…………….……..53 3-4-3 放置土體變位計…………………………….……………..…..54 3-4-4 孔隙流體的製作…………………...……………..…………..54 3-4-5 飽和試驗………………………………...……………………..55 3-5 試驗方法與步驟………………………………………….…………..56 第四章 理論推導與實驗結果分析………………….……...…………..67 4-1理論公式的推導………………………………….…….……………67 4-2側向位移分析…………………………………………..……………70 4-2-1 加速度記錄的基準線修正…………………………………….70 4-2-2 各種外力分析………………………….………………………71 4-2-2-1總水平推力的決定……………………………....…….71 4-2-2-2 孔隙水壓力的決定…………………………....…....71 4-2-2-3 基礎土壤提供的阻抗力矩……………….…………….72 4-2-2-4旋轉中心的決定…………………………….…………..72 4-2-3 動態平衡方程式……………………………...……………..72 4-2-4相對加速度及相對角加速度…………………….…..….…..72 4-2-5 運動型態的判定………………………………...…………..73 4-2-6側向位移………………………………………………..……..73 4-3 參數分析…………………………………………………...………..74 4-3-1最大地表加速度及地震頻率對側向位移之影響…………....…..74 4-3-2 基礎與土壤間摩擦角對側向位移之影響…………………....….74 4-4台中港側向位移分析………………….………………...…………..75 4-5設計時旋轉中心的決定方式…………………………………..……..75 4-6離心試驗資料的分析………………………………...……….……..78 4-6-1土壤液化對剪力波速之影響……………………………..……..78 4-6-2 土壤與結構互制…………………….…………………..……..79 第五章 結論與建議……………………………………………..…….…108 5-1結論……………………………..……………..…………………...108 5-2建議…………………………..………………..…………………...109 參考文獻………..…………………………..……….………………...111 附錄………………………………….……………..……………………...A 表目錄 圖別 . 說 明 頁次 _______________________________________________________________ 表2-1 港島、六角島及台中港北碼頭沉箱的基本性質及破壞狀況..….28 表3-1 模型地盤的工程性質……………………………..……………...57 表3-2 土壓計及孔隙水壓計的編號及位………………………….………58 表3-3 試驗編號……………………..……………...……… .……....59 表4-1 沉箱總土壓力簡分析之長度L及寬度B一覽表………….………..82 表4-2各試驗之沉箱最終側向位移實驗量測值與估算值一覽表………..82 表4-3 程式模擬的各項參數………………………………….………....83 表4-4台中港模擬的各項參數…………………………………....………83 表 4-5 旋轉中心試誤法與建議方法的比較表…………………………..84 表4-6 沉箱震動基本頻率的變化……………………...……………....84 圖目錄 圖別 說 明 頁次_____________________________________________________________________ 圖2-1不排水反覆扭剪試驗的孔隙水壓變化情形…………………………29 圖2-2 動態三軸試驗孔隙水壓變化情形……………...….….………..30 圖2-3模型試驗孔隙水壓變化情形…………………….....…………….30 圖2-4液化後的地表沈陷…………………..……………...…………….31 圖2-5噴砂現象….…………………………………………..…………...31 圖2-6液化後的側向變形…………………………………......…………32 圖2-7液化後造成土壤剪力強度減低………………………………………32 圖2-8液化後造成樁基礎的破壞……………………………………………33 圖2-9液化後造成建築物的傾倒……………………………………………33 圖2-10 Masado土及台中港背填土的級配分布曲線………………………34 圖2-11a 港島沉箱碼頭結構示意圖……………………….………………35 圖2-11b 台中港1,2,3號碼頭結構示意圖………………………………..35 圖2-12 台中港受創碼頭平面示意圖………………………………….….36 圖2-13 碼頭及背填土區之變形剖面………………………………….….36 圖2-14正規化水平位移與距碼頭水平距離關係圖……………………...37 圖2-15 地表沉陷與距碼頭水平距離關係圖………………………….….37 圖2-16 日本港口受災照片(一)……………………………………....…38 圖2-17 日本港口受災照片(二) ………………………………….....…38 圖2-18 日本港口受災照片(三) ………………………………….....…39 圖2-19 台中港受災照片(一) …………………………………...………39 圖2-20 台中港受災照片(二) …………………………………...………40 圖2-21 台中港受災照片(三) …………………………………...………40 圖2-22 理想化之地震儀………………………………………………....41 圖2-23 積分過程所帶來之誤差……………………………………………41 圖2-24 最小二乘法之基線校正原理………………………………………42 圖2-25三種不同形式之濾波系統………………………………………….42 圖2-26 Prandtl 靜定滑動場……………………………………………..43 圖2-27以庫倫楔形修訂Prandtl靜定滑動場………………………………43 圖2-28庫倫破壞機制……………………………………………………...44 圖2-29 Winkler 彈簧模式…………………………………………………44 圖2-30岸壁牆之水壓動力效應…………………………………………….45 圖2-31 以滑塊放置於傾斜面(b)類比滑動質量在潛在破壞面(a)的行為45 圖2-32 方形地震波之位移分析………………………………………… .46 圖2-33受重力及擬靜定加速度之重力式擋土…………………………...46 圖2-34擋土牆受力及彎矩自由…………………………………………...47 圖2-35擋土牆受力及彎矩自由體圖……………………………………...47 圖3-1 Nevada Sand 粒徑分佈曲線圖……………………..…………...60 圖3-2平面應變模型試驗的配置圖…………… ………………………….61 圖3-3 沉箱碼頭模型砂側立面圖……………….………………………..62 圖3-4 沉箱碼頭模型底面立面圖………………… ……………………..62 圖3-5 V型漏斗均勻灑落Nevada sand……………… …………………..63 圖3-6 V型漏斗………………………………………………….….……..63 圖3-7 灑落藍砂紀錄層…………………………………………….……..64 圖3-8實驗前離心機內剖面圖………………………………………..…..64 圖3-9實驗後離心機內剖面圖………………………………………..…..65 圖3-10 輸入的地震加速度歷時………………………… ……………...65 圖3-11 輸入的地震頻率內涵……………………………… …………...66 圖4-1 沉箱自由體圖中考慮水的影……………………………………...85 圖4-2 程式計算流程圖……………………………..…………………….86 圖4-3 QWTEST2未經基線修正之加速歷時圖...………………………….87 圖4-4 QWTEST2經基線修正後之加速度歷時圖…………………………..88 圖4-5a QWTEST2單位寬度總水平推力實驗量測值值與估計值比較...…89 圖4-5b QWTEST3單位寬度總水平推力實驗量測值值與估計值比較...…89 圖4-5c QWTEST4 單位寬度總水平推力實驗量測值值與估計值比較... 89 圖4-6a QWTEST3沉箱側向位移實驗量測值與估算值比較………….….90 圖4-6b QWTEST8沉箱側向位移實驗量測值與估算值比…………….….90 圖4-7a QWTEST2沉箱側向位移實驗量測值與估算值比較……………...91 圖4-7b QWTEST7沉箱側向位移實驗量測值與估算值比較……………...91 圖4-8 QWTEST4沉箱側向位移實驗量測值與估算值比較………………..92 圖4-9 QWTEST5沉箱側向位移實驗量測值與估算值比較………………..92 圖4-10a 相同頻率(0.5Hz)不同地震大小對側向位移之影響…….…...93 圖4-10b相同頻率(1Hz)不同地震大小對側向位移之影響………….……93 圖4-10c相同頻率(2Hz)不同地震大小對側向位移之影響…………….…93 圖4-11a 相同地震記錄(0.15g)不同頻率對側向位移之影響……………94 圖4-11b 相同地震記錄(0.2g)不同頻率對側向位移之影響…………….94 圖4-11c 相同地震記錄(0.25g)不同頻率對側向位移之影響……………94 圖4-12 基礎與土壤間摩擦角對側向位移之影響………………………..95 圖4-13台中港沉箱側向位移的變化歷時………...……….………...…95 圖4-14台中港沉箱旋轉角的變化歷時…………………………………….96 圖4-15到達波速與作用週期數的關係……………………….…………..96 圖4-16 a 孔隙水壓 ( P1 ) 變化歷時……………………….………….97 圖4-16b 孔隙水壓 ( P2 ) 變化歷時…………………….……………..97 圖4-16c 孔隙水壓 ( P3 ) 變化歷時…………………….……………..98 圖4-16 d 自由場孔隙水壓 ( P4 ) 變化歷時…….…………………….98 圖4-16e自由場孔隙水壓 ( P7 ) 變化歷時………………………………99 圖4-17 AH1的放大倍率與頻率關係………………….…………………..99 圖4-18a QWTEST3 0 ~ 5秒輸入震動、水平模態及旋轉模態之相差… 100 圖4-18b QWTEST3 5 ~ 10秒輸入震動、水平模態及旋轉模態之相差..100 圖4-18c QWTEST3 10 ~ 15秒輸入震動、水平模態及旋轉模態之相差.101 圖4-19a QWTEST4 0 ~ 5秒輸入震動、水平模態 及旋轉模態之相差..101 圖4-19b QWTEST4 5 ~ 10秒輸入震動、水平模態 及旋轉模態之相差.102 圖4-19c QWTEST4 10 ~ 15秒輸入震動、水平模態及旋轉模態之相差.102 圖4-20a QWTEST5 0 ~ 5秒輸入震動、水平模態 及旋轉模態之相差..103 圖4-20b QWTEST5 5 ~ 10秒輸入震動、水平模態 及旋轉模態之相差.103 圖4-20c QWTEST5 10 ~ 15秒輸入震動、水平模態 及旋轉模態之相差104 圖4-21a QWTEST3 0~5秒沉箱重心AH1與背填土AH3相差……..……...104 圖4-21b QWTEST3 5~10秒沉箱重心AH1與背填土AH3相差……....……105 圖4-21c QWTEST3 0~5秒沉箱重心AH1與背填土AH3相差………….....105 圖4-22a QWTEST5 0~5秒沉箱重心AH1與背填土AH3相差………….....106 圖4-22b QWTEST5 5~10秒沉箱重心AH1與背填土AH3相差…………....106 圖4-22c QWTEST5 10~15秒沉箱重心AH1與背填土AH3相差……….....107

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