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研究生： 周廷韋
Ting-Wei Chou
論文名稱： 以離心模型試驗模擬基樁反覆抗壓及抗拉拔之行為
Bearing behavior of pile under axial cyclic loading in centrifuge tests
指導教授： 黃俊鴻
Jin-Hung Hwang
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： 97
語文別： 中文
論文頁數： 193
中文關鍵詞： 離心模型試驗 、反覆荷載 、阻尼比
外文關鍵詞： cyclic loading, centrifuge, damping ratio, compressive-tensile, tensile-compressive
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    • 本研究利用三種不同樁徑比(L/D=8.4, 14.3, 19)之模型基樁，其基樁長度皆相等，在1g狀態下進行貫樁，其貫入深度為19cm。接著使離心機繞到80g時，進行基樁受反覆循環荷載試驗，探討現地原型尺寸基樁受相同壓、拉循環載重下樁土間反應行為。
    本試驗施加荷載方式分為兩種:(1)先施加壓力，解壓後再施以拉拔力(2)先施加拉拔力，解除拉拔後，再施以壓力。過程中利用複動式氣壓缸控制荷載，進行五次循環荷載之加載卸載。試驗所得初步結果顯示，離心加速度增加過程中土壤沉陷量大於樁頭沉陷量，此時樁身產生負摩擦力影響，樁身β值隨著長徑比變小而增加。將達到目標g數80g所量測到之軸力數據歸零後，再進行後續循環荷載試驗。結果顯示樁身勁度會隨著循環次數越多而增加，阻尼比則隨著循環次數增加而減少。在基樁解除拉拔力後樁底周圍土壤會對基樁產生一束制力影響，使基樁底部承受拉力，爾後增加壓荷載時樁底拉力則隨之減少。

    A series of centrifuge modeling tests was conducted in the study to investigate the behavior of piles subjected to two types of cyclic axial loadings, including the compressive-tensile and tensile-compressive modes. Three kinds of piles were selected with different slender ratios but with the same embedded length. The model pile was slowly penetrated into the dry sand at 1g condition. Then, the tested model was set on the platform of centrifuge and subjected to an artificial gravity of 80g to simulate a full-scale prototype pile. Subsequently, five cycles of axial cyclic loadings were applied on pile head by a double active air cylinder. From the test results, it can be found that the stiffness of pile increases with increasing number of cyclic loading. The damping ratio increases with decreasing slender ratio. Besides, a tensile force occurs near the bottom of the pile resulting from the release of the tensile force at the pile head.

    目 錄 內 容 頁 次 中 文 摘 要 I 英 文 摘 要 II 誌謝 III 目 錄 IV 表 目 錄 VI 圖 目 錄 VII 第一章 緒論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 研究方法與流程 1 1-3 論文架構 2 第二章 文獻回顧 3 2-1離心機模型試驗基本原理 3 2-1-1離心模型之基本相似律 3 2-1-2離心模型試驗之模型模擬 7 2-1-3以離心模型試驗進行模型基樁試驗文獻研究 9 2-2基樁受力機制 10 2-2-1基樁承壓之受力機制及承載力理論 10 2-2-2基樁拉拔之受力機制及承載力理論 18 2-3基樁承壓與抗拉之差異 22 2-4基樁與土壤界面之摩擦行為 27 2-4-1基樁表面粗糙度於界面摩擦行為之影響 27 2-4-2其他基樁界面摩擦行為之影響 29 2-5基樁受循環荷載作用下之行為 33 第三章 離心機模型試驗 43 3-1試驗規劃與設計 43 3-2試驗土樣及其基本性質 43 3-3試驗儀器設備 45 3-4試驗方法與步驟 61 3-4-1試體製作 61 3-4-2樁土界面直接剪力試驗 64 3-4-3模型基樁載重試驗 67 第四章 試驗結果與分析 73 4-1試驗準備及規劃 73 4-2模型基樁與試驗土樣沉陷量之關係 75 4-2-1升g過程中所產生之負摩擦力 79 4-3樁頭荷載與位移之關係 84 4-3-1基樁徑度與阻尼比之變化 85 4-4樁身軸力變化情形 97 4-4-1 PTtest22與TPtest22試驗結果 97 4-4-2 PTtest13與TPtest13試驗結果 139 4-4-3 PTtest10與TPtest10試驗結果 139 4-5極限荷載靜態模擬試驗 139 4-5-1極限承壓試驗 140 4-5-2極限拉拔試驗 140 4-6綜合分析 147 4-6-1極限荷載靜態模擬試驗 147 4-6-2循環荷載試驗 148 第五章 結論與建議 153 5-1 結論 153 5-2 建議 155 附錄A L/D=14.3與L/D=19試驗結果 156 附錄B 各組試驗摩擦阻抗變化關係 184 參考文獻 191 表 目 錄 表 2-1 原型與離心模型其主要物理量與相似性比較（李崇正，1994） 6 表 2-2 前人對側向土壓力係數之建議值（Kezdi，1975） 21 表 2-3 極限拉拔與承壓之比（郭致均，2008） 25 表 2-4 各項參數之範圍（Nicola & Randolph，1993） 26 表 2-5 剛性樁與 之承載比（Nicola & Randolph，1993） 26 表 2-6 側向土壓力係數（k）（NAVFAC DM7.2，1982） 32 表 2-7 模型樁尺寸(El Naggar and Wei，2000) 34 表 2-8 試驗土樣基本性質(El Naggar and Wei，2000) 34 表 3-1 福隆砂之基本物理性質 44 表 3-2 離心機機械配件之規格 (Acutronic,1993) 46 表 3-3 操作者桌面控制系統之規格 (Acutronic,1993) 48 表 4-1 模型基樁尺寸對照表 74 表 4-2 試驗種類 74 表 4-3 相對密度隨離心加速度上升之變化 75 圖 目 錄 圖 2-1 基樁循環載重試驗原型與離心基樁循環載重試驗模型 5 圖 2-2 離心模擬之觀念 8 圖 2-3 離心機升g飛行時殘餘應力的發展( Zhang & Hu，1991 ) 10 圖 2-4 基樁受壓時之載重-位移曲線 (Tomlinson，1970) 14 圖 2-5 基樁受壓時之軸身應力分佈（Tomlinson，1970） 14 圖 2-6 基樁之破壞情形和樁頭荷載與位移曲線（改繪Winterkorn，1976） 15 圖 2-7 基樁受壓時之應力影響圖（Martins，1948） 16 圖 2-8 Vesic法求樁身摩擦阻力（Poulos，1980） 16 圖 2-9 Vesic法求樁底承載阻力(Poulos，1980) 17 圖 2-10 Meyerhof法求樁身摩擦阻力（Poulos，1980） 17 圖 2-11 土壤的剪應力與位移之關係圖（Poulos，1980） 20 圖 2-12 基樁受拉時之位移發展情況（Kulhawy，1985） 20 圖 2-13 拉拔力所造成之組合性破壞面（Kulhawy，1985） 20 圖 2-14 砂土層中基樁受拉時之破壞面(Chattopadhyay & Pise，1986) 21 圖 2-15 抗壓與抗拉之樁身摩擦阻抗之比較（茶古文雄，1994） 24 圖 2-16 不同L/D之支承力百分比與樁頭位移/樁徑曲線圖(郭致均，2008) 25 圖 2-17 砂土表面性質對摩擦係數之影響（Yoshimi & Kishida，1981） 28 圖 2-18 （a）摩擦比 與總位移之關係（Kishida＆Uesugi，1987） （b）摩擦比 與砂體剪力變形之關係（Kishida＆Uesugi，1987） 29 圖 2-19 長徑比與抗拉阻抗變化圖（Dash & Pise，2003） 31 圖 2-20 模型基樁形式(El Naggar and Wei，2000) 35 圖 2-21 Variable lateral pressure sand column(VLPSC)系統 (El Naggar and Wei，2000) 35 圖 2-22 模型基樁S, T1, T2在圍壓為零下之荷載位移曲線 (El Naggar and Wei，2000) 36 圖 2-23 模型基樁S, T1, T2在圍壓為20kpa下之荷載位移曲線 (El Naggar and Wei，2000) 37 圖 2-24 模型基樁S, T1, T2在圍壓為40kpa下之荷載位移曲線 (El Naggar and Wei，2000) 38 圖 2-25 模型基樁S, T1, T2在圍壓為60kpa下之荷載位移曲線 (El Naggar and Wei，2000) 39 圖2-26a 第一循環與第十循環下之樁頭荷載-位移曲線 40 圖2-26b 第一循環與第十循環下之樁頭荷載-位移曲線 41 圖2-27 樁頭勁度與循環次數之關係 42 圖3-1 福隆砂之電子顯微鏡顯像（王韋舜，2004） 44 圖3-2 離心機設備配置 (Acutronic,1993) 50 圖3-3 中大地工離心機控制及資料收集系統示意圖(林俊雄，1995) 51 圖 3-4 移動式霣降機之示意圖 56 圖 3-5 盛土漏斗 57 圖 3-6 移動式霣降機實景 57 圖 3-7 模型試驗圓桶 58 圖 3-8 樁身應變計黏貼位置圖 58 圖 3-9 模型計測樁 59 圖 3-10 複動式氣壓缸與鋁合金支撐架 59 圖 3-11 樁頭連結元件 60 圖 3-12 試驗儀器整體配置圖 60 圖 3-13 樁頭位移與土壤沉陷量測配置圖 61 圖 3-14 落距與相對密度之關係圖（陳泓文，1999） 63 圖 3-15 管徑與相對密度之關係圖（陳泓文，1999） 63 圖 3-16 福隆砂直接剪力試驗結果 65 圖 3-17 保麗樹脂基樁保護層與剪力盒下盒 66 圖 3-18 直接剪力試驗儀架設完成圖 66 圖 3-19 試驗土體準備完成圖 66 圖 3-20 氣壓缸及LVDT設備裝置完成俯視圖 67 圖 3-21 應變計與LVDT於放大器上位置圖 70 圖 3-22 試體準備完成於離心機掛台上 70 圖 3-23 氣壓軸桿上半部預留距離 71 圖 3-24 氣壓軸桿下半部預留距離 71 圖 3-25 壓、拉試驗五個循環第一點應變計電壓變化圖 72 圖4-1土壤相對密度隨加速度增加之關係 76 圖4-2(a)樁頭與地表沉陷量之關係 76 圖4-2(b)樁頭與地表沉陷量之關係 77 圖4-2(c)樁頭與地表沉陷量之關係 77 圖4-2(d)樁頭與地表沉陷量之關係 78 圖4-2(e)樁頭與地表沉陷量之關係 78 圖4-2(f)樁頭與地表沉陷量之關係 79 圖4-4不同樁徑比下β值變化 83 圖4-5(a) PTtest22樁頭位移電壓變化修正圖 86 圖4-5(b) TPtest22樁頭位移電壓變化修正圖 86 圖4-5(c) PTtest13樁頭位移電壓變化修正圖 87 圖4-5(d) TPtest13樁頭位移電壓變化修正圖 87 圖4-5(e) PTtest10樁頭位移電壓變化修正圖 88 圖4-5(f) TPtest10樁頭位移電壓變化修正圖 88 圖4-6(a)荷載位移曲線 89 圖4-6(b)荷載位移曲線 89 圖4-6(c)荷載位移曲線 90 圖4-6(d)荷載位移曲線 90 圖4-6(e)荷載位移曲線 91 圖4-6(f)荷載位移曲線 91 圖4-7(a)第四分之ㄧ循環PTtest22與TPtest22位移之比較 92 圖4-7(b) 第四分之ㄧ循環PTtest13與TPtest13位移之比較 92 圖4-7(c) 第四分之ㄧ循環PTtest10與TPtest10位移之比較 93 圖4-8(a)各循環次數殘留位移 93 圖4-8(b)各循環次數殘留位移 94 圖4-8(c)各循環次數殘留位移 94 圖4-8(d)各循環次數殘留位移 95 圖4-8(e)各循環次數殘留位移 95 圖4-8(f)各循環次數殘留位移 96 圖4-9基樁徑度隨循環次數之變化 96 圖4-10阻尼比隨循環次數之變化 97 圖4-11(a) PTtest22樁頭應變計所量測之電壓變化圖 102 圖4-11(b) PTtest22樁頭量測之軸力變化圖 102 圖4-12(a) TPtest22樁頭應變計所量測之電壓變化圖 103 圖4-12(b) TPtest22樁頭量測之軸力變化圖 103 圖4-13 PTtest22第一循環軸力變化圖 104 圖4-14 PTtest22第一循環摩擦力變化圖 105 圖4-15 PTtest22第一循環壓、拉摩擦阻抗 106 圖4-16 PTtest22第二循環軸力變化圖 107 圖4-17 PTtest22第二循環摩擦力變化圖 108 圖4-18 PTtest22第二循環壓、拉摩擦阻抗 109 圖4-19 PTtest22第三循環軸力變化圖 110 圖4-20 PTtest22第三循環摩擦力變化圖 111 圖4-21 PTtest22第三循環壓、拉摩擦阻抗 112 圖4-22 PTtest22第四循環軸力變化圖 113 圖4-23 PTtest22第四循環摩擦力變化圖 114 圖4-24 PTtest22第四循環壓、拉摩擦阻抗 115 圖4-25 PTtest22第五循環軸力變化圖 116 圖4-26 PTtest22第五循環摩擦力變化圖 117 圖4-27 PTtest22第五循環壓、拉摩擦阻抗 118 圖4-28 TPtest22第一循環軸力變化圖 119 圖4-29 TPtest22第一循環摩擦力變化圖 120 圖4-30 TPtest22第一循環拉、壓摩擦阻抗 121 圖4-31 TPtest22第二循環軸力變化圖 122 圖4-32 TPtest22第二循環摩擦力變化圖 123 圖4-33 TPtest22第二循環拉、壓摩擦阻抗 124 圖4-34 TPtest22第三循環軸力變化圖 125 圖4-35 TPtest22第三循環摩擦力變化圖 126 圖4-36 TPtest22第三循環拉、壓摩擦阻抗 127 圖4-37 TPtest22第四循環軸力變化圖 128 圖4-38 TPtest22第四循環摩擦力變化圖 129 圖4-39 TPtest22第四循環拉、壓摩擦阻抗 130 圖4-40 TPtest22第五循環軸力變化圖 131 圖4-41 TPtest22第五循環摩擦力變化圖 132 圖4-42 TPtest22第五循環拉、壓摩擦阻抗 133 圖4-43 PTtest22第一循環壓、拉軸力分佈圖 134 圖4-44 TPtest22第一循環拉、壓軸力分佈圖 134 圖4-45 PTtest22第二循環壓、拉軸力分佈圖 135 圖4-46 TPtest22第二循環拉、壓軸力分佈圖 135 圖4-47 PTtest22第三循環壓、拉軸力分佈圖 136 圖4-48 TPtest22第三循環拉、壓軸力分佈圖 136 圖4-49 PTtest22第四循環壓、拉軸力分佈圖 137 圖4-50 TPtest22第四循環拉、壓軸力分佈圖 137 圖4-51 PTtest22第五循環壓、拉軸力分佈圖 138 圖4-52 TPtest22第五循環拉、壓軸力分佈圖 138 圖4-53承壓荷載位移曲線圖 142 圖4-54承壓樁身軸力分佈圖 142 圖4-55承壓樁身摩擦力分佈圖 143 圖4-56承壓樁身摩擦應力分佈圖 143 圖4-57承壓t-z曲線圖 144 圖4-58拉拔荷載位移曲線圖 144 圖4-59拉拔樁身軸力分佈圖 145 圖4-60拉拔樁身摩擦力分佈圖 145 圖4-61拉拔樁身摩擦應力分佈圖 146 圖4-62拉拔t-z曲線圖 146 圖4-63極限承壓與極限拉拔之荷載位移曲線圖 149 圖4-64不同樁徑比下極限承壓之荷載位移曲線圖 149 圖4-65不同樁徑比下極限拉拔之荷載位移曲線圖 150 圖4-66不同樁徑比之極限荷載曲線 150 圖4-67 PTtest22樁底軸力與循環次數關係 151 圖4-68 TPtest22樁底軸力與循環次數關係 151 圖4-69 PTtest22樁身摩擦力與循環次數關係 152 圖4-70 TPtest22樁身摩擦力與循環次數關係 152

    參考文獻
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