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研究生： 陳志豪
Chen-Hao Chen
論文名稱： 懸臂式擋土壁開挖之離心模型試驗
The excavation of the cantileverretaining wall in centrifuge tesys
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： 92
語文別： 中文
論文頁數： 151
中文關鍵詞： 深開挖 、沉陷槽 、懸臂式擋土壁
外文關鍵詞： Cantilever retaining wall, Settlement trough, Excavation
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    • 國內外軟弱地盤之深開挖，大都採用擋土壁作為擋土結構，但是周圍地盤會因開挖作業的進行而產生沉陷或側向變形，造成鄰近建物傾斜及管線損壞。
    本研究首先進行試體準備工作，為了模擬現地土壤性質，使用水力坡降壓密的方法製作沿深度增加，其強度隨之增加的紅土試體。然後利用縮尺之模型擋土壁進行離心模型試驗，來模擬現地擋土壁的尺寸，探討懸臂式擋土壁開挖過程時壁體彎矩分佈，地表沉陷，壁體變位等行為。
    試驗結果顯示，土壤強度與壁體傾斜量有著 的關係，擋土系統破壞時壁體之彎矩及壁後地表沉陷快速變化與增加，且地表最大沉陷量與壁體前傾量亦有著 的關係。


    In this study, the clay bed with the shear strength increasing with depth was first prepared by the hydraulic gradient consolidation technique. A series of model tests was then conducted in the centrifuge to simulate the excavation of a cantilever retaining wall in soft clay. The bending moment on the wall and lateral displacement of the wall, the surface settlement, and the heaving deformation induced by excavation were measured continuously.
    From test results, the soil stability number(m) and the lateral displacement (δc) of the wall is related as . The bending moment on
    the wall and the surface settlement increase dramatically when the retaining wall collapsed. The relationship of the maximum lateral displacement of the wall and the maximum surface settlement is proposed as .

    目 錄 中 文 摘 要………………………………….…………Ⅰ 英 文 摘 要………………………………….…………Ⅱ 目 錄.……………………………………...…………….Ⅲ 表 目 錄.………………………………………………..Ⅴ 圖 目 錄.………………………………………………..Ⅵ 照 片 目 錄.…………………………………………....Ⅸ 第一章 緒論 1 1-1 緣起 1 1-2 研究動機 3 1-3 研究架構 5 1-4 論文內容 6 第二章 文獻回顧 7 2-1 開挖引致之地表沉陷 7 2-1-1開挖引致之地表沉陷特性 7 2-2物理模型試驗及數值分析方法 15 2-2-1 數值分析方法 16 2-2-2 1g下之物理模型試驗 17 2-2-3 離心模型試驗 19 2-3水力坡降壓密法 24 2-4 離心模型基本原理 28 2-4-1離心模型之基本相似律 28 2-4-2離心模型試驗之模型模擬 32 第三章 試驗儀器設備及試驗方法 50 3-1 試驗土樣 50 3-2 儀器設備及相關設備 50 3-2-1 地工離心機 51 3-2-2 試體壓密儀 52 3-2-3 模型試驗箱 53 3-2-4 相關量測儀器 54 3-2-5 量測儀器裝置 55 3-3 試驗方法 56 3-3-1 模型連續壁之製作及彎矩校正 56 3-3-2 水力坡降壓密 57 3-4 試驗方法 60 3-5 試驗配置 61 3-6 無圍壓縮試驗及含水量量測 62 第四章 試驗結果與分析 76 4-1 試驗種類及試驗試體描述 76 4-2 試驗土壤之臨界狀態參數 77 4-2-1中大紅土臨界狀態參數 78 4-3 水力坡降壓密試驗 80 4-3-1十字片扭剪計(Torvane) 82 4-3-2無圍壓縮試驗結果 83 4-3-3含水量試驗結果 83 4-3-4土壤不排水剪力強度與有效覆土應力的關係 85 4-3-5以Cam-clay模式預測土層不排水剪力強度剖面 85 4-4 各種不排水剪力強度剖面結果之比較 88 4-5 土壤穩定係數（M） 90 4-6 壁體之側向位移 92 4-7 張力裂縫 94 4-8 地表沉陷槽 96 4-8-1地表沉陷槽分布範圍 98 4-8-2地表沉陷與地底沉陷的關係 100 4-9 壁體彎矩分布 101 第五章 結論與建議 146 5-1 結論 146 5-2 建議 147 參考文獻 149 表 目 錄 表2-1 SHANGHAI地層剖面J.LIU(2002) 34 表2-2 試驗土樣之基本性質J.LIU(2002) 34 表2-3 試驗中彎矩增加情形J.LIU(2002) 34 表2-4 試驗中土壓力增加情形 35 表2-5 原型與離心模型其主要物理量與相似性比較(李崇正，1994 )…………36 表3-1 試驗土樣基本物理性質 63 表3-2 中央大學地工離心機基本規格 (ACUTRONIC，1995) 64 表4-1 試驗種類及試驗床基本數據值 105 表4-2 中大紅土之三軸排水試驗結果(林俊雄，1995) 105 表4-3 中大紅土之三軸不排水試驗結果(林俊雄，1995) 106 表4-4 中大紅土之三軸壓密試驗結果(林俊雄，1995) 106 圖 目 錄 圖2-1 PECK法估計地表沉陷 37 圖2-2 BOWLES法估計地表沉陷 37 圖2-3 CLOUGH AND O’ROURKE法估計地表沉陷 38 圖2-4 OU AND HSIEH法估計地表沉陷（三角槽） 39 圖2-5 OU AND HSIEH法估計地表沉陷（凹槽） 39 圖2-6 擋土壁最大變形量與支撐系統勁度及抗底面隆起安全係數之關係 40 圖2-7 深開挖問題的簡化模式 40 圖2-8 WINKER粱模式 41 圖2-9 連續體模式 41 圖2-10 試驗配置(GEORGIADIS & ANAGNOSTOPOULOS ,1999) 42 圖2-11 土釘式開挖試驗配置圖(FRYDMAN & BAKER,1994） 42 圖2-12 未支撐開挖試驗配置圖(KIMURA ET AL,1993) 43 圖2-13 氯化鋅模擬土壤重量試驗配置圖（BOLTON ＆ POWRIE ,1987） 43 圖2-14 機器手臂開挖試驗配置圖(KIMURA ET AT. 1994) 44 圖2-15 破壞機制 44 圖2-16 MODEL 1 J.LIU(2002) 45 圖2-17 MODEL 2 45 圖2-18 MODEL 3 46 圖2-19 MODEL 4 46 圖2-20 水力坡降壓密法(TANI 1990) 47 圖2-21 隧道原型與1/N縮尺之離心模型分別在1G及NG離心力場及有效覆土應力之示意圖 47 圖2-22 1/N縮尺之離心模型座標系統 48 圖2-23 A’元素在局部座標之加速度分量示意圖 48 圖2-24 模型模擬之觀念 49 圖3-1 試驗土樣粒徑分佈圖 65 圖3-2 中央大學地工離心機側視圖 (ACUTRONIC，1995) 66 圖3-3 中央大學地工離心機上視圖 (ACUTRONIC，1995) 67 圖3-4 中央大學地工離心機控制與資料擷取系統示意圖 68 圖3-5 試體壓密箱(林俊雄，1995) 69 圖3-6 模型試驗箱立體分解圖 (陳思宏，1996) 70 圖3-7 迷你孔隙水壓計之包覆層 71 圖3-8 連續壁應變計配置圖 71 圖3-9 模型版樁以簡支樑校正示意圖 72 圖3-10 重模土樣與排水砂層放置示意圖 72 圖3-11 水力坡降壓密箱示意圖 73 圖3-12 試驗配置圖 74 圖4-1 中大紅土之三軸試驗結果(林俊雄，1995) 107 圖4-2 中大紅土之三軸不排水試驗結果(林俊雄，1995) 108 圖4-3 中大紅土三軸等向壓密試驗體積應變與對數時間(林俊雄，1995) 109 圖4-4 中大紅土之三軸等向壓密試驗結果(林俊雄，1995) 110 圖4-5 中大紅土之三軸等向壓密、排水與不排水壓密試驗(林俊雄，1995) 111 圖4-6 試驗床壓密時累積沉陷量 112 圖4-7 試體床壓密時累積出水量 112 圖4-8 十字片剪試驗結果（EXCA1） 113 圖4-9 十字片剪試驗結果（EXCA3） 113 圖4-10 無圍壓縮試驗軸向應力與軸向應變關係 114 圖4-11 由EXCA1無圍壓縮試驗得到之不排水剪力強度分布 115 圖4-12 由EXCA3無圍壓縮試驗得到之不排水剪力強度分布 115 圖4-13 EXCA1土壤含水量與模型土層深度之關係 116 圖4-14 EXCA3、EXCA4含水量之比較 116 圖4-15 不排水剪力強度與有效覆土應力關係圖 117 圖4-16 由EXCA3含水量估算不排水剪力強度 117 圖4-17 由EXCA3 估算不排水剪力強度 118 圖4-18 EXCA1土壤不排水剪力強度與深度的關係 118 圖4-19 EXCA3土壤不排水剪力強度與深度的關係 119 圖4-20 試驗過程中FST的變化 119 圖4-21 壁體側向位移/開挖深度與土壤穩定係數關係圖（EXCA1） 120 圖4-22 壁體側向位移/開挖深度與土壤穩定係數關係圖（EXCA2） 120 圖4-23 壁體側向位移/開挖深度與土壤穩定係數關係圖（EXCA3） 121 圖4-24 壁體側向位移/開挖深度與土壤穩定係數關係圖（EXCA4） 121 圖4-25 壁體側向位移/開挖深度與土壤穩定係數關係圖（EXCA5） 122 圖4-26 壁體側向位移/開挖深度與土壤穩定係數關係圖（EXCA6） 122 圖4-27 各組試驗側向位移正規化與土壤穩定係數關係圖 123 圖4-28 各組試驗破壞點統計圖 123 圖4-29 張力裂縫發生位置與土壤強度關係 124 圖4-30 EXCA1地表沉陷變化與土壤穩定係數關係圖 124 圖4-31 EXCA2地表沉陷變化與土壤穩定係數關係圖 125 圖4-32 EXCA3地表沉陷變化與土壤穩定係數關係圖 125 圖4-33 EXCA4地表沉陷變化與土壤穩定係數關係圖 126 圖4-34 EXCA5地表沉陷變化與土壤穩定係數關係圖 126 圖4-35 EXCA6地表沉陷變化與土壤穩定係數關係圖 127 圖4-36 最大沉陷量與壁體側向位移關係圖 127 圖4-37 最大沉陷量與壁體側向位移關係與現地量測比較圖 128 圖4-38 EXCA1地表沉陷槽分布圖 128 圖4-39 EXCA2地表沉陷槽分布圖 129 圖4-40 EXCA3地表沉陷槽分布圖 129 圖4-41 EXCA4地表沉陷槽分布圖 130 圖4-42 EXCA5地表沉陷槽分布圖 130 圖4-43 EXCA6地表沉陷槽分布圖 131 圖4-44 土壤強度不同之地表沉陷槽(H/D=0.625) 131 圖4-45 土壤強度不同之地表沉陷槽(H/D=1.6) 132 圖4-46 開挖貫入比不同之地表沉陷槽關係圖(SU=52~70KPA) 132 圖4-47 開挖貫入比不同之地表沉陷槽關係圖(SU=31~40KPA) 133 圖4-48 開挖貫入比不同之地表沉陷槽關係圖(SU=22~36KPA) 133 圖4-49 EXCA5滑動面向量圖 134 圖4-50 EXCA1彎矩變化與土壤穩定係數關係圖 134 圖4-51 EXCA2彎矩變化與土壤穩定係數關係圖 135 圖4-52 EXCA3彎矩變化與土壤穩定係數關係圖 135 圖4-53 EXCA4彎矩變化與土壤穩定係數關係圖 136 圖4-54 EXCA5彎矩變化與土壤穩定係數關係圖 136 圖4-55 EXCA6彎矩變化與土壤穩定係數關係圖 137 圖4-56 EXCA1彎矩沿樁身變化關係圖 137 圖4-57 EXCA2彎矩沿樁身變化關係圖 138 圖4-58 EXCA3彎矩沿樁身變化關係圖 138 圖4-59 EXCA4彎矩沿樁身變化關係圖 139 圖4-60 EXCA5彎矩沿樁身變化關係圖 139 圖4-61 EXCA6彎矩沿樁身變化關係圖 140 圖4-62 EXCA5量測彎矩分布圖與設計結果比較 140 圖4-63 EXCA6量測彎矩分布圖與設計結果比較 141 照 片 目 錄 照片3-1 LVDT和孔隙水壓計及其鑽挖工作 75 照片3-2十字片扭剪計試驗 75 照片4-1十字片扭剪計 142 照片4-2 EXCA1張力裂縫位置圖 142 照片4-3 EXCA2張力裂縫位置圖 143 照片4-4 EXCA3張力裂縫位置圖 143 照片4-5 EXCA4張力裂縫位置圖 144 照片4-6 EXCA5張力裂縫位置及滑動面圖 144 照片4-7 EXCA6張力裂縫位置及滑動面圖 145

    參考文獻
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