[[alternative]]Effect of surface roughness factor on single- and double-nail behavior

碩士[[abstract]]延續Hong等人(2003b)對於直徑9 mm模型土釘的試驗，本研究進一步針對另三種較大直徑(12、16及19 mm)之模型土釘分別進行單釘及雙釘拉出試驗，並加入陳威志(2004)之單釘試驗，以充分之單釘試驗結果重新詮釋土釘表面粗糙因子，並由雙釘拉出試驗結果歸納探討不同影響參數對於雙釘拉出行為之影響。 經由試驗結果得到以下結論：(1)尖峰及殘餘視摩擦係數皆隨螺紋牙距增大而增加，粗糙土釘視摩擦係數為光滑土釘之4~7倍；粗糙土釘尖峰及殘餘視摩擦係數皆隨直徑增加而遞減，遞減趨勢於直徑12 mm至16 mm趨於平緩，光滑土釘則不受直徑影響。(2)尖峰及殘餘視摩擦係數受覆土壓力影響皆不明顯。(3)雙釘試驗於密間距下，應力有重疊及相互干擾之現象，造成拉出力降低；土釘埋設間距對於尖峰與殘餘拉出力影響顯著，當群釘效率小於100 %時，群釘效率與水平間距約呈線性正比關係。(4)雙釘間互制效應及影響範圍受粗糙因子及土釘直徑影響極為明顯，尖峰狀態下，達到100%群釘效率所需正規化間距S/D與粗糙因子成正比關係，與土釘直徑則成反比關係；但殘餘狀態下之群釘效率在目前試驗條件下幾乎皆無法達到100%，表示殘餘狀態下雙釘影響範圍較尖峰時為大。 透過充分之單釘試驗結果，重新詮釋一粗糙因子R''，由視摩擦係數與R''關係預測單釘尖峰拉出力，整體誤差約6%，較陳威志(2004)經驗式預測精度為高，且於推估粗糙因子隨土釘直徑變化之趨勢上較為合理。由一系列雙釘試驗結果透過多元迴歸分析所得之經驗模式，於預測S/D時精確性極高，期可供實務界參考。[[abstract]]According to the previously laboratory experiment results that the diameter of model nail was 9 mm (Hong et al. 2003b), the purpose of this study is to investigate the pullout behavior of larger-diameter nails (12, 16 and 19 mm) through the tests of single- and double nails. The conclusions via the tests are summarized: (1) The peak and residual apparent friction coefficients at the soil-nail interface are all increased with increase of the screw pitch, and the apparent friction coefficients of rough nails are 4-7 times greater than that of smooth nails. The peak and residual apparent friction coefficients of rough nails are decreased with increase of the nail diameter and reaches a constant value, but such of smooth nails are not influenced by the nail diameter. (2) Influence of surcharge stress on the nail for the peak and residual apparent friction coefficients can be neglected. (3) Because the stress influence around the nail has the phenomenon of interference and superposition in the experiment of double-nails under dense spacing, the pullout force of nail will reduce. When the group efficiency is smaller than 100%, there would be nearly a linear relation between the group efficiency and the horizontal spacing. (4) The diameter-spacing ratio S/D as peak group efficiency reaches 100% is linear proportion to the surface roughness factor, but it is an inverse proportion to the nail diameter. In present condition of apparatus, residual group efficiency cannot reach 100%. This study re-describes the surface roughness factor R'' through sufficient tests, and to predict the pullout forces of single-nail by the relation between the apparent friction coefficients and R''. The predict values are 6% smaller than the value of the laboratory experiment. In addition, the experience model of double-nail obtained by multiple-variables regression could accurately predict the diameter-spacing ratio S/D as peak group efficiency reaches 100%.[[tableofcontents]]目 錄 表次......................................................V 圖次....................................................VII 第一章 緒論...............................................1 1.1 研究動機與目的....................................1 1.2 研究方法..........................................2 1.3 研究內容..........................................3 第二章 文獻回顧...........................................5 2.1 土釘加勁機制......................................5 2.2 土釘拉出行為之一般性描述..........................6 2.3 大地相關材料之拉出試驗............................7 2.3.1 地錨拉出試驗................................7 2.3.2 樁之拉拔試驗................................9 2.3.3 地工格網拉出試驗...........................10 2.4 土釘拉出之理論模式與數值分析.....................12 2.4.1 Milligan與Tei(1998)之研究..................12 2.4.2 Luo等人(2000)及Lou(2001)之研究.............13 2.5 土釘拉出試驗.....................................16 2.5.1楊尚恒(2001)之研究..........................16 2.5.2陳威志(2004)之研究..........................18 2.5.3 Hong等人(2003b)之研究......................21 2.6 本章總結.........................................21 第三章 試驗計畫與內容....................................53 3.1 砂土基本性質與力學試驗...............................53 3.2 土釘拉出試驗儀...................................54 3.3 量測與記讀設備...................................56 3.3.1 量測設備與校正.............................57 3.3.2 氣囊設備校正...............................57 3.3.3 記讀設備...................................58 3.4 土釘拉出試驗之規劃...............................58 3.4.1 試驗規劃與流程.............................58 3.4.2 模型土釘選定及製作.........................59 3.4.3 拉出端盒壁應力集中現象之探討...............60 3.4.4 砂土準備方式...............................62 3.4.5 拉出試驗步驟...............................62 第四章 單釘試驗結果與分析................................85 4.1 土釘表面螺紋牙距對單釘拉出行為之影響.................85 4.2 土釘直徑對單釘拉出行為之影響.....................87 4.3 覆土壓力對單釘拉出行為之影響.....................88 4.4 土釘表面粗糙因子之探討...........................89 4.5 單釘拉出經驗模式之建立...........................91 第五章 雙釘試驗結果與分析...............................115 5.1 雙釘拉出試驗結果................................116 5.2 土釘埋設間距對雙釘拉出行為之影響................117 5.3 土釘表面螺紋牙距對雙釘拉出行為之影響............118 5.4 土釘直徑對雙釘拉出行為之影響....................118 5.5 雙釘拉出經驗模式之建立..........................119 5.6 雙釘拉出經驗模式之驗證..........................122 第六章 結論與建議.......................................177 6.1 結論............................................177 6.2 建議............................................181 參考文獻................................................183 附錄 多元迴歸分析.......................................187 表 次 表2.1 土釘極限拉出阻抗(Lazarte等人，2003)..............................................23 表2.2 單樁拉出試驗內容(Das與Seeley，1982) ...........................................24 表3.1 擋版尺寸...............................................................................................63 表3.2 模型土釘鋁材受拉應變狀態………………………………………...63 表4.1 單釘試驗內容……………………………………..………………….94 表4.2 土釘粗糙度公式……………………………………………………...94 表4.3 尖峰拉出力預測值與實驗值之比較………………………………...95 表4.4 殘餘拉出力預測值與實驗值之比較…………………………..….....97 表5.1 雙釘試驗內容……………………………………………………….124 表5.2 直徑12mm間距與群釘效率之關係..................................................126 表5.3 直徑16mm間距與群釘效率之關係..................................................127 表5.4 雙釘達100%群釘效率所需間距S/D預測值與實驗值之比較........128 表5.5 直徑19 mm雙釘驗證試驗內容…………………….……………...129 圖 次 圖2.1 土釘結構受力機制示意圖.......................................................................25 圖2.2 土釘與土壤間極限界面摩擦阻抗與土壤極限壓力之關係(Schlosser與Buhan，1990)............................................................................................26 圖2.3 不同覆土深度下之拉出試驗結果(Raju，1996) .....................................27 圖2.4 鋼材與砂土間之直剪試驗結果(Raju，1996) ........................................28 圖2.5 模型地錨示意圖(廖洪鈞等人，1993) ....................................................29 圖2.6 擴座式模型地錨拉出試驗儀(廖洪鈞等人，1993)..................................29 圖2.7 不同埋置深度地錨摩擦力與面承力分配比例(廖洪鈞等人，1993) ....30 圖2.8 群錨試驗模型地錨配置圖(廖洪鈞等人，1993) .....................................30 圖2.9 群錨荷重與地錨水平間距關係圖(廖洪鈞等人，1993) ........................31 圖2.10 地錨之荷重與垂直間距關係圖(廖洪鈞等人，1993) ............................32 圖2.11 深層地錨群錨效應影響範圍(廖洪鈞等人，1993) ................................32 圖2.12 上浮式模型地錨拉出試驗儀(Hsu與Liao，1998)…………………….33 圖2.13 不同埋設深度時上浮式地錨拉出力-位移曲線(Hsu與Liao，1998)….34 圖2.14 單樁阻抗示意圖(Das與Seeley，1982) ...................................................35 圖2.15 單樁拉出試驗儀(Das與Seeley，1982) ...................................................35 圖2.16 淨抗浮力-拉出位移關係曲線(Das與Seeley，1982) ..............................36 圖2.17 群樁拉出試驗儀(Das與Azim，1985)....................................................36 圖2.18 群樁拉出配置圖(Das與Azim，1985) .....................................................37 圖2.19 極限上浮承載力與長徑比之關係(Das與Azim，1985) .........................38 圖2.20 極限上浮承載力與間距-直徑比之關係(Das與Azim，1985) ...............39 圖2.21 群樁效率與間距-直徑比之關係(Das與Azim，1985) ...........................40 圖2.22 地工合成材拉出試驗儀(張達德等人，2000)…….……………………41 圖2.23 格網B結點拉出變位示意圖(張達德等人，2000)…………………….42 圖2.24 格網B結點拉出變位示意圖(張達德等人，2000)…………………….42 圖2.25 格網A拉出阻抗正規化示意圖(張達德等人，2000)………………….43 圖2.26 格網B拉出阻抗正規化示意圖(張達德等人，2000)………………….43 圖2.27 格網C拉出阻抗正規化示意圖(張達德等人，2000)………………….44 圖2.28 格網D拉出阻抗正規化示意圖(張達德等人，2000)………………….44 圖2.29 表面粗糙示意圖(Luo等人，2000) ………………................................45 圖2.30 土釘圍壓增加示意圖(Luo等人，2000) ……………..............................45 圖2.31 土釘互制影響範圍(Luo，2001)……………………………………..…46 圖2.32 4種不同表面粗糙度之模型土釘的視摩擦係數比較圖(楊尚恆，2001)………………………………………………………………….….46 圖2.33 粗糙度0與0.072之模型土釘於不同長徑比下視摩擦係數比較圖(楊尚恆，2001 ) ………………………………………………………….…...47 圖2.34 粗糙度0.047與0.072土釘於不同覆土壓力下視摩擦係數比較圖(楊尚恆，2001) …………….………………………………………………….47 圖2.35 土釘破壞半徑示意圖(楊尚恆，2001) ………………………………....48 圖2.36 雙釘達100%群釘效應所需間距與粗糙度之關係(楊尚恆，2001) …..48 圖2.37 牙距1mm之粗糙土釘中尖峰視摩擦係數與Td / Din之關係(陳威志，2004) …………………………………………………………………….49 圖2.38 牙距1mm之粗糙土釘中尖峰視摩擦係數與(Td / D50)0.0625之關係(陳威志，2004)……………………………………………………………..… 49 圖2.39 各試驗砂(R’ N)與(uc / r0)之關係(陳威志，2003) ……………………..50 圖2.40 土釘表面粗糙度與視摩擦係數之關係(Hong等人，2003) …………..50 圖2.41 雙釘達100%群釘效應所需間距與粗糙度之關係(Hong等人，2003b)…………………………………………………………………....51 圖3.1 編號315石英砂之顆粒形狀…………………………………...……....64 圖3.2 試驗用砂之粒徑分佈曲線………………………………………….......64 圖3.3 編號315石英砂正向應力-剪應力關係圖……………………………...65 圖3.4 拉出試驗儀構造圖(楊尚恆，2001) ……………………………............66 圖3.5 拉出試驗儀…………………………………...........................................67 圖3.6 拉出盒細部尺寸示意圖(楊尚恆，2001) ................................................68 圖3.7 拉出孔位擋版實體構造...........................................................................69 圖3.8 土釘拉出之夾具.......................................................................................71 圖3.9 簡易荷重計校正設備...............................................................................71 圖3.10 組立後之簡易荷重計校正設備...............................................................72 圖3.11 荷重計校正曲線.......................................................................................73 圖3.12 線性位移計校正曲線...............................................................................74 圖3.13 土中土壓力計校正曲線...........................................................................74 圖3.14 氣囊校正曲線...........................................................................................75 圖3.15 KYOWA資料擷取器...............................................................................76 圖3.16 UCS-25AS軟體操作介面........................................................................76 圖3.17 雙釘試驗土釘埋設方式...........................................................................77 圖3.18 螺紋土釘示意圖.......................................................................................77 圖3.19 直徑19mm之模型土釘...........................................................................78 圖3.20 不同套管土釘之拉出位移圖(Raju等人，1997)……………………….79 圖3.21 試驗用之土釘套管(陳威志，2003)…………………………………….80 圖3.22 套管裝設在面版之示意圖(陳威志，2003)……………………………..80 圖3.23 不同套管長度之拉出力-位移曲線(陳威志，2003)…………………...81 圖3.24 套管長度對土釘最大拉出力的影響(陳威志，2003)………………….82 圖3.25 版形夯實器...............................................................................................83 圖4.1 直徑12mm單釘之拉出力-位移曲線......................................................99 圖4.2 直徑16mm單釘之拉出力-位移曲線....................................................100 圖4.3 直徑19mm單釘之拉出力-位移曲線....................................................101 圖4.4 土釘之螺紋牙距與尖峰視摩擦係數之關係.........................................102 圖4.5 土釘之螺紋牙距與殘餘視摩擦係數之關係.........................................103 圖4.6 土釘直徑與尖峰視摩擦係數之關係…………………………….........104 圖4.7 土釘直徑與殘餘視摩擦係數之關係.....................................................105 圖4.8 覆土壓力與視摩擦係數f之關係(整理自Milligan與Tei，1998)......106 圖4.9 直徑12 mm下覆土壓力與尖峰及殘餘視摩擦係數f之關係..............107 圖4.10 直徑16 mm下覆土壓力與尖峰及殘餘視摩擦係數f之關係………..108 圖4.11 直徑19 mm下覆土壓力與尖峰及殘餘視摩擦係數f之關係……….109 圖4.12 尖峰視摩擦係數與(Td/D50)關係圖(陳威志，2004)………………….110 圖4.13 f''(Din/Dex)與螺紋牙深Td之關係……………………………………...111 圖4.14 f''(Din/Dex)與Sp/D50之關係……………………………….………….112 圖4.15 尖峰狀態下、不同直徑之係數f''與粗糙因子R''之關係……………113 圖4.16 殘餘狀態下、不同直徑之係數f''與粗糙因子R''之關係……………114 圖5.1 直徑12mm、光滑土釘於間距44mm(3.67D)拉出力-位移曲線.........130 圖5.2 直徑12mm、光滑土釘於間距88mm(7.33D)拉出力-位移曲線.........130 圖5.3 直徑12mm、光滑土釘於間距132mm(11D)拉出力-位移曲線..........131 圖5.4 直徑12mm、光滑土釘於間距176mm(14.67D)拉出力-位移曲線......131 圖5.5 直徑12mm、光滑土釘於間距220mm(18.33D)拉出力-位移曲線.....132 圖5.6 直徑12mm、牙距0.5mm於間距44mm(3.67D)拉出力-位移曲線…132 圖5.7 直徑12mm、牙距0.5mm於間距88mm(7.33D)拉出力-位移曲線….133 圖5.8 直徑12mm、牙距0.5mm於間距132mm(11D)拉出力-位移曲線….133 圖5.9 直徑12mm、牙距0.5mm於間距176mm(14.67D)拉出力-位移曲線...134 圖5.10 直徑12mm、牙距0.5mm於間距220mm(18.33D)拉出力-位移曲線..134 圖5.11 直徑12mm、牙距0.5mm於間距242mm(20.17D)拉出力-位移曲線..135 圖5.12 直徑12mm、牙距0.75mm於間距44mm(3.67D)拉出力-位移曲線...135 圖5.13 直徑12mm、牙距0.75mm於間距132mm(11D)拉出力-位移曲線…136 圖5.14 直徑12mm、牙距0.75mm於間距176mm(14.67D)拉出力-位移曲線.136 圖5.15 直徑12mm、牙距0.75mm於間距220mm(18.33D)拉出力-位移曲線.137 圖5.16 直徑12mm、牙距0.75mm於間距242mm(20.17D)拉出力-位移曲線.137 圖5.17 直徑12mm、牙距0.75mm於間距264mm(22D)拉出力-位移曲線….138 圖5.18 直徑12mm、牙距0.75mm於間距308mm(25.67D)拉出力-位移曲線.138 圖5.19 直徑12mm、牙距1mm於間距44mm(3.67D)拉出力-位移曲線.........139 圖5.20 直徑12mm、牙距1mm於間距88mm(7.33D)拉出力-位移曲線.......139 圖5.21 直徑12mm、牙距1mm於間距132mm(11D)拉出力-位移曲線........140 圖5.22 直徑12mm、牙距1mm於間距176mm(14.67D)拉出力-位移曲線...140 圖5.23 直徑12mm、牙距1mm於間距220mm(18.33D)拉出力-位移曲線...141 圖5.24 直徑12mm、牙距1mm於間距264mm(22D)拉出力-位移曲線........141 圖5.25 直徑12mm、牙距1mm於間距308mm(25.67D)拉出力-位移曲線...142 圖5.26 直徑12mm、牙距1mm於間距352mm(29.33D)拉出力-位移曲線...142 圖5.27 直徑16mm、光滑土釘於間距60mm(3.75D)拉出力-位移曲線…….143 圖5.28 直徑16mm、光滑土釘於間距120mm(7.5D)拉出力-位移曲線…….143 圖5.29 直徑16mm、光滑土釘於間距180mm(11.25D)拉出力-位移曲線…..144 圖5.30 直徑16mm、光滑土釘於間距210mm(13.13D)拉出力-位移曲線….144 圖5.31 直徑16mm、光滑土釘於間距240mm(15D)拉出力-位移曲線……..145 圖5.32 直徑16mm、牙距0.5mm於間距60mm(3.75D)拉出力-位移曲線….145 圖5.33 直徑16mm、牙距0.5mm於間距120mm(7.5D)拉出力-位移曲線….146 圖5.34 直徑16mm、牙距0.5mm於間距180mm(11.25D)拉出力-位移曲線..146 圖5.35 直徑16mm、牙距0.5mm於間距240mm(15D)拉出力-位移曲線….147 圖5.36 直徑16mm、牙距0.5mm於間距270mm(16.88D)拉出力-位移曲線..147 圖5.37 直徑16mm、牙距0.75mm於間距60mm(3.75D)拉出力-位移曲線..148 圖5.38 直徑16mm、牙距0.75mm於間距120mm(7.5D)拉出力-位移曲線..148 圖5.39 直徑16mm、牙距0.75mm於間距180mm(11.25D)拉出力-位移曲…149 圖5.40 直徑16mm、牙距0.75mm於間距240mm(15D)拉出力-位移曲線…149 圖5.41 直徑16mm、牙距0.75mm於間距270mm(16.88D)拉出力-位移曲線.150 圖5.42 直徑16mm、牙距0.75mm於間距300mm(18.75D)拉出力-位移曲線.150 圖5.43 直徑16mm、牙距1mm於間距60mm(3.75D)拉出力-位移曲線......151 圖5.44 直徑16mm、牙距1mm於間距120mm(7.5D)拉出力-位移曲線......151 圖5.45 直徑16mm、牙距1mm於間距180mm(11.25D)拉出力-位移曲線...152 圖5.46 直徑16mm、牙距1mm於間距240mm(15D)拉出力-位移曲線........152 圖5.47 直徑16mm、牙距1mm於間距300mm(18.75D)拉出力-位移曲線...153 圖5.48 直徑16mm、牙距1mm於間距360mm(22.5D)拉出力-位移曲線….153 圖5.49 直徑9mm、光滑土釘不同埋設間距之尖峰拉出力-位移曲線(Hong等人，2003b)……………………………………………………………..154 圖5.50 直徑9mm、牙距0.5mm土釘不同埋設間距之尖峰拉出力-位移曲線(Hong等人，2003b)…………………………………………………...154 圖5.51 直徑9mm、牙距0.75mm土釘不同埋設間距之尖峰拉出力-位移曲線(Hong等人，2003b)…………………………………………………...155 圖5.52 直徑9mm、牙距1mm土釘不同埋設間距之尖峰拉出力-位移曲線(Hong等人，2003b)……………………………………………………155 圖5.53 直徑12mm、光滑土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線….………156 圖5.54 直徑12mm、光滑土釘不同埋設間距與拉出力之關係……………..156 圖5.55 直徑12mm、牙距0.5mm土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線…157 圖5.56 直徑12mm、牙距0.5mm土釘不同埋設間距與拉出力之關係…….157 圖5.57 直徑12mm、牙距0.75mm土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線…158 圖5.58 直徑12mm、牙距0.75mm土釘不同埋設間距與拉出力之關係……158 圖5.59 直徑12mm、牙距1mm土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線…….159 圖5.60 直徑12mm、牙距1mm土釘不同埋設間距與拉出力之關係………..159 圖5.61 直徑16mm、光滑土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線………….160 圖5.62 直徑16mm、光滑土釘不同埋設間距與拉出力之關係…………..…160 圖5.63 直徑16mm、牙距0.5mm土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線…161 圖5.64 直徑16mm、牙距0.5mm土釘不同埋設間距與拉出力之關係……..161 圖5.65 直徑16mm、牙距0.75mm土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線…162 圖5.66 直徑16mm、牙距0.75mm土釘不同埋設間距與拉出力之關係……162 圖5.67 直徑16mm、牙距1mm土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線…….163 圖5.68 直徑16mm、牙距1mm土釘不同埋設間距與拉出力之關係..……..163 圖5.69 直徑9mm、不同粗糙因子下埋設間距與群釘效率之關係(Hong等人，2003b)……..............................................................................................164 圖5.70 直徑12mm、不同粗糙因子下埋設間距與群釘效率之關係………...165 圖5.71 直徑16mm、不同粗糙因子下埋設間距與群釘效率之關係………...165 圖5.72 光滑土釘、不同直徑下埋設間距與群釘效率之關係……….............166 圖5.73 牙距0.5mm、不同直徑下埋設間距與群釘效率之關係……….........166 圖5.74 牙距0.75mm、不同直徑下埋設間距與群釘效率之關係……….........167 圖5.75 牙距1mm、不同直徑下埋設間距與群釘效率之關係..…..................167 圖5.76 雙釘達100%群釘效率所需間距S/D試驗結果....................................168 圖5.77 雙釘預測式與實驗值對照圖….............................................................169 圖5.78 Hong等人(2003b)定義之粗糙因子下雙釘達100%群釘效率所需間距…………………………………………………………………….…170 圖5.79 以Hong等人(2003b)定義之粗糙因子下雙釘預測式與實驗值對照圖………………………………………………………………….........171 圖5.80 直徑19mm、光滑土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線………….172 圖5.81 直徑19mm、光滑土釘不同埋設間距與拉出力之關係…………..…172 圖5.82 直徑19mm、牙距0.5mm土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線…173 圖5.83 直徑19mm、牙距0.5mm土釘不同埋設間距與拉出力之關係……..173 圖5.84 直徑19mm、牙距0.75mm土釘不同埋設間距之拉出力-位移曲線…174 圖5.85 直徑19mm、牙距0.75mm土釘不同埋設間距與拉出力之關係……174 圖5.86 雙釘預測式與實驗值對照圖(含直徑19 mm驗證試驗)……………..175[[note]]學號: 692310179, 學年度: 9