以離心模型試驗探討高含水量黏性背填土｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	陳柏文 Po-Wen Chen
論文名稱：	以離心模型試驗探討高含水量黏性背填土 Centrifuge study on the stability ofmechanically stabilized earth wall with clayey backfill of high water content
指導教授：	李崇正 C. C. Li. 陳慧慈 H. T. Chen
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：	116
中文關鍵詞：	黏土加勁擋土牆、離心模型試驗、加勁間距
外文關鍵詞：	mechanically stabilized earth wall with clayey b, centrifuge model tests
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摘要
目前加勁擋土牆的設計規範是以級配良好的顆粒性土壤作為回填材料，但施工現場常用現地的非顆粒性土壤或黏土回填。然而含水量對黏土的影響甚鉅，且過去曾有一些因含水量的提高而破壞的案例，因此針對含水量對以黏土做為背填土壤的加勁擋土牆之穩定性，有必要做進一步的研究。
本研究主要運用大地工程離心機進行實驗，以探討含水量對黏土加勁擋土牆穩定性的影響，及改變加勁間距對改善高含水量黏土加勁擋土牆穩定性的效果。
由研究結果可以得到下列結論。1.背填料若為黏土時，含水量的高低對加勁擋土牆的穩定性有極大的影響。2.減少加勁間距的確可以有效改善高含水量對於黏土加勁擋土牆穩定性的不良影響。3.以中大紅土為例，若使用的加勁間距為計算出來的0.35倍，則可以確保當含水量上升至43%時，加勁擋土牆依舊可以和按照規範設計的加勁擋土牆具有相同的變形量。4.加勁間距若小於規範設計出來的0.625倍，則加勁擋土牆的變形型態會由一般的前傾型，轉變成上凹肚凸型且可看出破壞的前兆，顯示使用較小的間距，會讓加勁擋土牆具有較好的韌性。

ABSTRACT
The design and construction guidelines of mechanically stabilized earth wall (MSEW) require that the backfill of MSEW must be well-graded grained soil; however, on the construction sites, the cohesive soil or clay is frequently used to cut down the cost. There have been reports about the failures of MSEW with clayey soil as backfill due to the rise of its water content after heavy rainfall. As a result, it is imperative that the countermeasure must be developed to ensure the stability of MSEW with clayey backfill of high water content.
A series of centrifuge model tests have been performed to study the influence of water content on the stability of MSEW with clayey backfill and the effectiveness of reducing the reinforcement spacing to maintain the stability of MSEW of high water content.
From this study, the conclusions drawn are: (1) The degree of water content influences the stability of MSEW with clayey backfill very much; (2) Decreasing the reinforcement spacing can indeed improve the stability of MSEW of high water content; (3) For MSEW with clayey backfill of 43 % water content, reducing the reinforcement spacing by 65% of the original design spacing can lead to the same deformation characteristics of MSEW designed for normal conditions; (4) When the reinforcement spacing is smaller than 0.625 times of original design spacing, the deformation pattern for MSEW changes from small surface settlement with tilting wall face to large surface settlement with bulging wall face, indicating that the wall becomes more ductile before failure.

中文摘要……..……………………………………...……………Ⅰ
英文摘要…………………………………………………………...Ⅱ
目 錄…………………………………….………………………...Ⅲ
表目錄………………………………..…………………………...Ⅵ
圖目錄………………………………..…………………………...Ⅸ
第一章 緒論……………………………..………………….…….1
1-1	引言………………………..…………………………..1
1-2	研究動機………………….…………………………...2
1-3	研究目的……………………...……………………...3
1-4	論文內容……………………….……………………...3
第二章 文獻回顧........................................5
2-1  前言……………………………..…………………….5
2-2  加勁擋土牆的破壞機制……….....…..……………5
2-3  黏土加勁擋土牆之離心模型試驗相關研究..……...7
2-4  實際黏土加勁邊坡破壞案例……..………....……10
2-5  小結……………………………..…………………..11
第三章 試驗土樣、儀器設備、原理及試驗方法………….....24
3-1  前言………………………..………………………..24
3-2  離心模擬原理…………….………………………...25
3-2-1  離心模型之尺度律…….……………………..26
3-2-2  離心模型試驗之應力誤差…………...……..29
3-2-3  離心試驗模型模擬之觀念…………………...30
3-2-4  小結………………………..………………….31
3-3  試驗用土樣、加勁材料及預備實驗……………....32
3-3-1  試驗土樣…………….………………………..32
3-3-2  試驗用加勁材料的性質……..……...………34
3-3-3  預備實驗…………….………………………..35
3-4  離心機模型試驗之相關設備……………………....36
3-4-1  地工離心機………...…………………………36
3-4-2  模型試驗箱………...…………………………37
3-4-3  其他量測工具……..…………………..…….38
3-5  參考試體的設計……….……………………….....38
3-6  試體準備方法………….…………………………...40
3-7  試驗方法與步驟……………………………………..41
3-8  離心試驗完成後之後續實驗……...……………...42
第四章 試驗結果分析與討論.............................74
4-1  前言………………………..…………..…………….74
4-2  數據的擷取與試驗的重複性…...…..……………..75
4-2-1  牆體沉陷……………..….…………………….76
4-2-2  土體含水量………….……...…………………76
4-2-3  土體不排水剪力強度…......…………………77
4-2-4  重複性實驗………….….....…………………78
4-3  含水量對加勁擋土牆穩定性的影響…..……....….78
4-3-1  含水量與牆面頂沉陷及前傾的關係......……79
4-3-2  含水量與牆頂沉陷的關係………...………...79
4-3-3  含水量與實驗現象說明……………………....80
4-4  以減少加勁材間距改善
高含水量擋土牆的穩定性…………………….......80
4-4-1  加勁間距與牆面頂沉陷及
前傾的關係……………………………………..82
4-4-2  間距與牆頂沉陷的關係………………….....83
4-4-3  加勁間距修正量的建議……...……………..83
4-4-4  間距與實驗現象說明………………………...84
第五章 結論與建議………………………………………..…..108
5-1  結論……………………………….….……………..108
5-2  建議……………………………….….……………..109
參考文獻…………………………………………………..…….111
作者簡介………………………………………………………….116
表  目  錄
表次                         說明                            頁次
第二章
表2-1 離心模型試驗參數及破壞G數……………………....…………………12
（摘自 Suah and Goodings，1990）
表2-2 離心模型試驗加勁材相關基本性質…………………………………...13
（摘自 Porbaha and Goodings，1994）
表2-3 離心模型相關配置參數………………………………………………...13
（摘自 Porbaha and Goodings，1994）
續表2-3 離心模型相關配置參數……………………………………………...14
（摘自 Porbaha and Goodings，1994）
續表2-3 離心模型相關配置參數……………………………………………...14
（摘自 Porbaha and Goodings，1994）
續表2-3 離心模型相關配置參數……………………………………………...15
（摘自 Porbaha and Goodings，1994）
表2-4 離心模型試驗結果……………………………………………………...15
(摘自 Zornberg , Sitar and Mitchell，1998)
續表2-4 離心模型試驗結果…………………………………………………...16
(摘自 Zornberg , Sitar and Mitchell，1998)
表2-5 土樣與加勁材相關基本物理性質……………………………………...16
(摘自 楊錫武、歐陽仲春，2000)
第三章
表 3-1 原型與離心模型其主要物理量與相似性比較………………………..45
(摘自 李崇正，1994)
表3-2 中大紅土之基本物理性質…………………………..………………….46
表3-3 加勁材之基本物理性質……………………………..………………….46
表3-4 風乾天數與含水量的關係……………………………..……………….47
表3-5 水泥圓柱滾壓次數與夯實度的關係(含水量35%)……………………..47
續表3-5 水泥圓柱滾壓次數與夯實度的關係(含水量40%)…………………..47
續表3-5 水泥圓柱滾壓次數與夯實度的關係(含水量45%)…………………..47
表3-6 離心機機械配件之規格………………………………………………...48
(Acutronic，1993)
續表3-6 離心機機械配件之規格……………………………………………...49
(Acutronic，1993)
表3-7 操作者桌面控制系統之規格…………………………………………...50
(Acutronic，1993)
續表3-7 操作者桌面控制系統之規格………………………………………...51
(Acutronic，1993)
表3-8 參考試體基本參數值與相關尺寸大小………………………………...52
第四章
表4-1 試驗前後含水量變化關係……………………………………………...86
表4-2 Torvane與單壓試驗不排水剪力強度的比較…………………………..86
表4-3 含水量與不排水剪力強度的關係……………………………………...87
表4-4 可重複性實驗的配置參數及結果……………………………………...88
表4-5 第一部份的試驗配置參數……………………………………………...89
表4-6 含水量與牆面頂沉陷及前傾的關係…………………………………...89
表4-7 含水量與牆面頂前傾量關係表………………………………………...89
（前傾扣掉坡址水平滑動量）
表4-8 含水量與LVDT 1的關係表……………………………………………...90
表4-9 間距與加勁區53％土壤的相關物理量關係…………………………...90
表4-10 第二部份的試驗配置參數……………………………………………..90
表4-11 間距與牆面頂沉陷及前傾的關係……………………………………..91
表4-12 間距與牆面頂前傾量關係表…………………………………………..91
（前傾扣掉坡址水平滑動量）
表4-13 間距與牆頂最大下陷及牆面最大前傾關係(上凹肚凸型).………….91
表4-14 間距與牆頂最大下陷及牆面最大前傾關係(一般前傾型).………….92
表4-15 間距與牆面最大前傾關係(上凹肚凸型)….………………………….92
（前傾扣掉坡址水平滑動量）
表4-16 間距與牆面最大前傾關係(一般前傾型)……………………………..92
（前傾扣掉坡址水平滑動量）
表4-17 間距與LVDT 1的關係………………………………………………....93
表4-18 間距與4支LVDT中最大值的關係(上凹肚凸型)……………...……..93
表4-19 間距與4支LVDT中最大值的關係(一般前傾型)..…………………...93
圖  目  錄
圖別                         說明                            頁次
第二章
圖2-1 加勁擋土牆四種外部不穩定破壞……………………………………...17
(摘自 Elias and Christopher，1997)
圖2-2 加勁長度與回包長度對牆體穩定性的影響…………………………...18
(摘自 Suah and Goodings，1990)
圖2-3 加勁長度與牆面坡度對牆體穩定性的影響…………………………...18
（摘自 Porbaha and Goodings，1994）
圖2-4 破壞G數與加勁層數、強度和砂土相對密度的關係圖………………..19
(摘自 Zornberg , Sitar and Mitchell，1998)
圖2-5 四種不同的加勁方式…………………………………………………...19
(摘自 楊錫武、歐陽仲春，2000)
圖2-6 牆體側向位移圖………………………………………………………...20
(摘自 楊錫武、歐陽仲春，2000)
圖2-7 不同加勁方式的坡頂沉陷及其分布…………………………………...20
(摘自 楊錫武、歐陽仲春，2000)
圖2-8 加勁長度對牆體的影響………………………………………………...21
（摘自 章為民、賴忠中、徐光明，2000）
圖2-9 加勁間距密度對牆體的影響…………………………………………...21
（摘自 章為民、賴忠中、徐光明，2000）
圖2-10 加勁材料強度對牆體的影響…………………………………………..22
（摘自 章為民、賴忠中、徐光明，2000）
圖2-11 基礎土壤軟硬對牆體的影響…………………………………………..22
（摘自 章為民、賴忠中、徐光明，2000）
圖2-12 回填土壤強度對牆體的影響…………………………………………..23
（摘自 章為民、賴忠中、徐光明，2000）
第三章
圖3-1-a 土壩原型與1/n縮尺之離心模型分別在1g及ng
慣性力場及有效覆土應力之示意圖………………………………...53
圖3-1-b 原型及模型之垂直應力分佈圖……………………………………….53
圖3-2  A’元素在局部座標之加速度分量示意圖…………………………….54
圖3-3 模型模擬之觀念………………………………………………………...54
圖3-4 原型及模型之垂直應力分佈圖………………………………………...55
圖3-5 原型及模型內垂直應力誤差示意圖…………………………………...55
(摘自 陳思宏，1996)
圖3-6 校區內取回之中大紅土………………………………………………...56
圖3-7 土樣置入攪拌機攪拌…………………………………………………...56
圖3-8 水洗法過40號篩置入儲存桶中………………………………………...57
圖3-9 儲存桶中紅土與清水分離……………………………………………...57
圖3-10 100±1度烘箱…………………………………………………………...58
圖3-11 烘乾後土樣……………………………………………………………..58
圖3-12 攪碎機…………………………………………………………………..59
圖3-13 40號篩…………………………………………………………………..59
圖3-14 過40號篩後的攪碎土樣………………………………………………..60
圖3-15 土樣靜置盆中泡水……………………………………………………..60
圖3-16 風乾至適當含水量的土樣……………………………………………..61
圖3-17 中大紅土之粒徑分佈曲線……………………………………………..61
圖3-18 本研究所使用之加勁材………………………………………………..62
圖3-19 含水量跟風乾天數的關係……………………………………………..62
圖3-20 離心機設備配置………………………………………………………..63
圖3-21 中央大學地工離心機控制及資料收集示意圖………………………..64
(林俊雄，1995)
續圖3-21 中央大學地工離心機控制及資料擷取系統………………………..65
圖3-22 自行設計之模型試驗箱………………………………………………..66
(莊孟翰，1996)
圖3-23 橡皮膜…………………………………………………………………..67
圖3-24 試驗箱貼上橡皮膜……………………………………………………..67
圖3-25 試驗配置圖……………………………………………………………..68
圖3-26 夯錘……………………………………………………………………..68
圖3-27 基礎土壤完成後………………………………………………………..69
圖3-28 木頭檔版………………………………………………………………..69
圖3-29 水泥圓柱………………………………………………………………..70
圖3-30 一層加勁層完成後……………………………………………………..70
圖3-31 完成後之加勁牆體……………………………………………………..71
圖3-32 裝設完量測儀器後的試體……………………………………………..71
圖3-33 十字片扭剪計(Torvane)……………………………………………….72
圖3-34 單壓儀器………………………………………………………………..72
圖3-35 單壓薄管………………………………………………………………..73
續圖3-35 單壓試體……………………………………………………………..73
第四章
圖4-1 名詞定義示意圖………………………………………………………...94
圖4-2  LVDT單階下陷值與讀數關係圖…………………………….………...94
（10-12g）
圖4-3  LVDT下陷值與讀數關係圖…………………….……………………...95
(0-20g)
圖4-4 含水量與土壤不排水剪力強度的關係………………………………...95
圖4-5 加勁區含水量與牆面頂沉陷的關係圖………………………………...96
圖4-6 加勁區含水量與牆面頂前傾的關係…………………………………...96
圖4-7 加勁區的含水量與牆面頂前傾的關係………………………………...97
（前傾扣掉坡址水平滑動量）
圖4-8 加勁區含水量與LVDT 1的關係圖……………………………………...97
圖4-9 加勁區含水量53％間距4公分之牆體變形圖………………………....98
(牆體倒塌破壞後)
圖4-10 加勁區含水量53％間距2公分之牆體變形圖…………………..…...98
圖4-11 加勁間距與牆面頂下陷關係圖……………………………………....99
圖4-12 加勁間距與牆面頂前傾的關係圖………………………………..…..99
圖4-13 加勁間距與牆面頂前傾的關係……………………………………...100
（前傾扣掉坡址水平滑動量）
圖4-14 含水量43％間距1.5cm的牆體變形圖……………………………....100
（上凹肚凸型）
圖4-15 含水量43％間距2cm的牆體變形圖………………………………....101
（上凹肚凸型）
圖4-16 含水量43％間距2.5cm的牆體變形圖……………………………....101
（上凹肚凸型）
圖4-17 含水量43％間距3cm的牆體變形圖………………………………....102
(一般前傾型)
圖4-18 含水量43％間距4cm的牆體變形圖………………………………....102
(一般前傾型)
圖4-19 間距與牆頂最大沉陷量關係圖……………………………………...103
(上凹肚凸型)
圖4-20 間距與牆面最大前傾量關係圖……………………………………...103
(上凹肚凸型)
圖4-21 間距與牆頂最大沉陷量關係圖……………………………………...104
(一般前傾型)
圖4-22 間距與牆面最大前傾量關係圖……………………………………...104
(一般前傾型)
圖4-23間距與牆面最大前傾量關係圖(上凹肚凸型)………………………..105
（前傾扣掉坡址水平滑動量）
圖4-24間距與牆面最大前傾量關係圖(一般前傾型)………………………..105
（前傾扣掉坡址水平滑動量）
圖4-25 間距與LVDT 1沉陷值的關係圖……………………………………...106
圖4-26 間距與LVDT最大沉陷值關係圖……………………………………...106
(上凹肚凸型)
圖4-27 間距與LVDT最大沉陷值關係圖……………………………………...107
(一般前傾型)

                                

參考文獻
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