[[alternative]]Permittivity of needle-punched nonwoven geotextiles under normal loads

碩士[[abstract]]探討現地環境下過濾系統(現地土壤-織布-排水層)在正向力作用下的相關研究甚少，本研究使用五種不同的針軋不織布，於織布上下游處放置鋼珠，以模擬土壤顆粒及排水層，並在上方施加正向應力，探討正向應力與鋼珠尺寸對織布透水特性之影響。先測定織布的基本性質如單位面積質量、厚度等，再使用正向載重下透水量測儀器，量測定水頭試驗與變水頭試驗下織布之透水量。最後利用拓印的方式量測不同尺寸鋼珠下針軋不織布與鋼珠的接觸面積。 使用達西定律或是Hufenus and Schrade經驗公式分析透水性結果顯示，針軋不織布在上下游鋼珠尺寸不變，僅改變正向應力時，隨著正向應力的增加，織布變緊繃，透水性會變小。當下游鋼珠尺寸不變，施加正向力也相同的情況下，隨著上游鋼珠由大至小，透水性也有越來越小的趨勢。另外單位面積質量較小、厚度較薄的織布(如NW1、NW2、NW3)透水性會受到下游鋼珠尺寸改變的影響；而單位面積質量較大且厚度較厚的織布(如NW4、NW5)透水性則幾乎不變，完全不受下游鋼珠尺寸的影響。在增加載重的過層中，低正向載重下是透水性減少最劇烈的區間，隨載重增加減少量逐漸趨緩。在鋼珠對針軋不織布接觸面積的量測中，低載重在織布上時，鋼珠的接觸面積增加的幅度也是最多，之後加載增加幅度也會趨於減少。 Giroud (1996)所提出預測透水性之經驗式與本研究試驗結果相互比較顯示，在有載重時厚度初始值為2.1 mm(NW2和NW4)時實驗值跟經驗式是非常接近的。在其他厚度時，當上游鋼珠尺寸越小時，其結果會越接近經驗式；上游鋼珠尺寸越大時，其結果會越遠離經驗式，並使用公式反推形狀因子發現如果使用Giroud (1996)提出的形狀因子延伸得到孔隙率0.8以下的結果是會低估的。最後給予實務工程上對針軋不織布放入系統後，可以使用的折減係數。[[abstract]]Five needle-punched nonwoven geotextiles were employed in this study to investigate the effect of normal stress on flow capability of needle-punched nonwoven geotextiles. Different sized steel beads were placed upstream and downstream of a geotextile specimen to simulate soil particles and drainage layer in a field drainage system application. Flow rate of the steel beads-geotextile-steel beads system under constant and falling head tests were measured and analyzed. Darcy''s law and Hufenus and Schrade empirical analysis were adopted to calculate permittivity of the geotextiles under tested. The results show that permittivity of the geotextiles decreases with the increase of normal stress, permittivity of the geotextiles decreases with the reduction of upstream steel bead size, the size of downstream steel bead has insignificant effect on the permittivity of the thicker and heavier geotextiles, most of the permittivity reduction occurs as low normal stress applied on the system. Giroud (1996) proposed the empirical formula of the present study show results compared with each other, There load in the thickness of the initial value of 2.1 mm (NW2 and NW4) when the experimental values with the empirical formula is very close. When the thickness of the other, when the upstream beads size is smaller, the result will be closer to the empirical formula; Upstream beads larger the size, the result will be farther away from the empirical formula. And a formula to strike a shape factor, It found that if Giroud (1996) presented the results obtained form factor extension of porosity of less than 0.8 will be underestimated.. The last reduction factor obtained by the study.[[tableofcontents]]目錄 表目錄 III 圖目錄 IV 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3 研究方法 2 1.4 論文組織與研究內容 3 第二章 文獻回顧 4 2.1層流與紊流 4 2.2地工織物之水力特性 6 2.3正向應力對不織布之影響 9 2.4正向應力對不織布透水特性之影響 14 第三章 研究計畫與實驗方法 18 3.1研究計畫 18 3.2實驗材料基本性質 18 3.3設備的尺寸跟功能 18 3.3.1正向載重下地工不織布滲透性測量試驗設備 18 3.3.2正向載重下鋼珠跟織物接觸面積測量設備 19 3.4實驗步驟與方法 20 3.4.1正向載重下地工不織布滲透性測量試驗步驟與方法 20 3.4.2正向載重下鋼珠跟織物接觸面積試驗步驟 22 第四章 實驗數據分析與討論 45 4.1層流與紊流 45 4.2依達西定律之數據分析與討論 45 4.2.1純織物之透水性 45 4.2.2正向載重下之織布透水性 46 4.2.3上游鋼珠直徑對織布透水的影響 50 4.2.4下游鋼珠直徑對織布透水性的影響 54 4.2.5織布在單層與多層2 mm直徑鋼珠之透水性比較 54 4.2.6正向載重下鋼珠對織布接觸面積的影響 54 4.2.7不同水頭高度時透水性之影響 56 4.2.8 定水頭試驗與變水頭試驗結果討論 58 4.3 以Hufenus and Schrade經驗公式分析與討論 59 4.3.1正向載重下之織布透水性 59 4.3.2上游鋼珠直徑對織布透水的影響 60 4.3.3下游鋼珠直徑對織布透水性的影響 61 4.3.4定水頭試驗與變水頭試驗結果討論 61 4.4試驗結果與Giroud經驗式之探討 62 4.4.1 Giroud經驗式與試驗結果比較 62 4.4.2形狀因子β 64 4.5折減係數 65 4.5.1針軋不織布放入系統中之折減係數 65 4.5.2系統施加正向應力後之折減係數 65 第五章 結論與建議 211 5.1結論 211 5.2建議 213 參考文獻 214 附錄 216 表目錄 表2.1織布基本性質(Palmeira et al., 2012) 9 表2.2織布基本性質(Palmeira and Gardoni, 2002) 14 表3.1 針軋不織布的基本性質 24 表3.2 7 mm 5 mm實驗時全斷面積數值 24 表4.1下游為10 mm鋼珠定水頭純織布至擺放鋼珠後透水性降低百分比 66 表4.2下游為5 mm鋼珠定水頭純織布至擺放鋼珠後透水性降低百分比 67 表4.3下游為2 mm鋼珠定水頭純織布至擺放鋼珠後透水性降低百分比 67 表4.4在水頭高度10 cm上游為2 mm，各個織布的透水性(1/S) 68 表4.5在水頭高度10 cm上游為2 mm，下游10 mm鋼珠和下游5mm鋼珠的差異百分比 68 表4.6 NW2 上游7 mm下游10 mm鋼珠；鋼珠與織布接觸面積之關係 68 表4.7 NW2 上游5mm下游10 mm鋼珠；鋼珠與織布接觸面積之關係 69 表4.8 NW4 上游7 mm下游10 mm鋼珠；鋼珠與織布接觸面積之關係 69 表4.9 NW4 上游5 mm下游10 mm鋼珠；鋼珠與織布接觸面積之關係 69 表4.10無加載至不同載重時鋼珠與織布接觸面積下降百分比 69 表4.11上游鋼珠直徑2 mm，織布至0 kPa之透水性減少百分比 70 表4.12上游鋼珠直徑2 mm，下游鋼珠直徑10 mm，0 kPa至50 kPa與800 kPa之透水性減少百分比 70 表4.13上游鋼珠直徑2 mm，下游鋼珠直徑5 mm，0 kPa至50 kPa與800 kPa之透水性減少百分比 70 表4.14上游鋼珠直徑2 mm，下游鋼珠直徑2 mm，0 kPa至50 kPa與800 kPa之透水性減少百分比 70 圖目錄 圖1.1現地土壤-織布-排水層系統示意圖(Wu et al., 2006) 1 圖1.2現地土壤-織布-排水層系統受到正向應力之示意圖(Palmeira et al., 2012) 2 圖2.1層流與紊流示意圖 (Gourc et al., 2012) 4 圖2.2水力梯度與流速之關係(Gourc et al., 2012) 5 圖2.3水力梯度與透水速率之關係(Gourc et al., 2012) 5 圖2.4溫度與水的特性關係圖(Lide, 2004) 8 圖2.5現地施工之現狀圖(Palmeira et al., 2012) 10 圖2.6載重下量測織布變形之儀器示意圖(Palmeira et al., 2012) 11 圖2.7排水層鋼珠與織布表面之尺寸關係圖(Palmeira et al., 2012) 12 圖2.8試驗完成時受正向應力1000kPa金屬片的變化情形(Palmeira et al., 2012) 12 圖2.9正向應力下織布跟鋼珠接觸面積(Palmeira et al., 2012) 13 圖2.10縱向透水性試驗儀器(Palmeira and Gardoni, 2002) 15 圖2.11橫向透水性試驗儀器(Palmeira and Gardoni, 2002) 15 圖2.12正向應力與織物厚度關係(Palmeira and Gardoni, 2002) 16 圖2.13正向應力與縱向織物透水率關係(Palmeira and Gardoni, 2002) 16 圖2.14正向應力與纖維密度關係(Palmeira and Gardoni, 2002) 17 圖2.15顯微鏡觀測地工織物纖維(Palmeira and Gardoni, 2002) 17 圖 3 1研究流程 25 圖3.2正向載重下透水量測儀器示意圖 26 圖3.3正向載重下透水量測儀器照片 26 圖3.4接觸面積測量儀器照片 27 圖3.5正向應力下透水性量測儀器組裝方式 33 圖3.6鋪滿直徑1mm鋼珠(75克) 34 圖3.7在外圍放置塑膠板 34 圖3.8壓克力外框(左下10 mm 中下7 mm 右下5 mm 左上3 mm 右上2mm) 35 圖3.9塑膠片外框(左下7 mm 右下5 mm 左上3 mm 右上2mm) 35 圖3.10直徑5 mm鋼珠排列方式 36 圖3.11直徑3 mm鋼珠排列方式 36 圖3.12單層直徑2 mm鋼珠排列方式 37 圖3.13多層直徑2 mm鋼珠排列方式(120克) 37 圖 3.2正向應力下鋼珠與織布接觸面積量測儀器組裝方式 41 圖3.15 ImageJ操作步驟(選擇要分析的圖檔) 42 圖3.16 ImageJ操作步驟(把圖檔變成黑白圖片) 42 圖3.17 ImageJ操作步驟(設定比例尺長度) 43 圖3.18 ImageJ操作步驟(把要分析一外的部分全部切除) 43 圖3.19將想分析部分調為紅色，此軟體會針對紅色部分進行面積的計算 44 圖4.1 NW2試驗中純織布流量和透水性與水頭高之關係圖 71 圖4.2 NW3試驗中純織布流量和透水性與水頭高之關係圖 71 圖4.3 NW4試驗中純織布流量和透水性與水頭高之關係圖 72 圖4.4 NW5試驗中純織布流量和透水性與水頭高之關係圖 72 圖4.5 NW1下游為直徑10 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 78 圖4.6 NW2下游為直徑10 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 84 圖4.7 NW3下游為直徑10 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 90 圖4.8 NW4下游為直徑10 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 96 圖4.9 NW5下游為直徑10 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 102 圖4.11 NW2不同載重下透水性下降百分比 103 圖4.12 NW3不同載重下透水性下降百分比 104 圖4.13 NW4不同載重下透水性下降百分比 104 圖4.14 NW5不同載重下透水性下降百分比 105 圖4.15 NW1下游為直徑5 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 107 圖4.16 NW2下游為直徑5 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 109 圖4.17 NW3下游為直徑5 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 111 圖4.18 NW4下游為直徑5 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 113 圖4.19 NW5下游為直徑5 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 115 圖4.20 NW1不同載重下透水性下降百分比 116 圖4.21 NW2不同載重下透水性下降百分比 116 圖4.22 NW3不同載重下透水性下降百分比 117 圖4.23 NW4不同載重下透水性下降百分比 117 圖4.24 NW5不同載重下透水性下降百分比 118 圖4.25 NW1下游為直徑2 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 120 圖4.26 NW2下游為直徑2 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 122 圖4.27 NW3下游為直徑2 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 124 圖4.28 NW4下游為直徑2 mm鋼珠之針軋軋不織布實驗數據圖 126 圖4.29 NW5下游為直徑2 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 128 圖4.30 NW1不同載重下透水性下降百分比 129 圖4.31 NW2不同載重下透水性下降百分比 129 圖4.32 NW3不同載重下透水性下降百分比 130 圖4.33 NW4不同載重下透水性下降百分比 130 圖4.34 NW5不同載重下透水性下降百分比 131 圖4.35下游為直徑10 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW1透水性之影響 132 圖4.36下游為直徑10 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW2透水性之影響(m代表多層) 133 圖4.37下游為直徑10 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW3透水性之影響(m代表多層) 134 圖4.38下游為直徑10 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW4透水性之影響(m代表多層) 135 圖4.39下游為直徑10 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW5透水性之影響(m代表多層) 136 圖4.40下游為直徑5 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW1透水性之影響 137 圖4.41下游為直徑5 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW2透水性之影響 138 圖4.42下游為直徑5 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW3透水性之影響 139 圖4.43下游為直徑5 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW4透水性之影響 140 圖4.44下游為直徑5 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW5透水性之影響 141 圖4.45下游為直徑2 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW1透水性之影響(m代表多層) 144 圖4.46下游為直徑2 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW2透水性之影響(m代表多層) 147 圖4.47下游為直徑2 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW3透水性之影響(m代表多層) 150 圖4.48下游為直徑2 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW4透水性之影響(m代表多層) 153 圖4.49下游為直徑2 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW5透水性之影響(m代表多層) 156 圖4.50上游為直徑2 mm鋼珠下游鋼珠直徑對針軋不織布NW1透水性之影響 157 圖4.51上游為直徑2 mm鋼珠下游鋼珠直徑對針軋不織布NW2透水性之影響 158 圖4.52上游為直徑2 mm鋼珠下游鋼珠直徑對針軋不織布NW3透水性之影響 159 圖4.53上游為直徑2 mm鋼珠下游鋼珠直徑對針軋不織布NW4透水性之影響 160 圖4.54上游為直徑2 mm鋼珠下游鋼珠直徑對針軋不織布NW5透水性之影響 161 圖4.55 NW1下游直徑10 mm鋼珠上游單層2 mm鋼珠與多層2 mm鋼珠在不同載重下透水性與水頭高之關係圖 162 圖4.56 NW2下游直徑10 mm鋼珠上游單層2 mm鋼珠與多層2 mm鋼珠在不同載重下透水性與水頭高之關係圖 163 圖4.57 NW3下游直徑10 mm鋼珠上游單層2 mm鋼珠與多層2 mm鋼珠在不同載重下透水性與水頭高之關係圖 164 圖4.58 NW4下游直徑10 mm鋼珠上游單層2 mm鋼珠與多層2 mm鋼珠在不同載重下透水性與水頭高之關係圖 165 圖4.59 NW5下游直徑10 mm鋼珠上游單層2 mm鋼珠與多層2 mm鋼珠在不同載重下透水性跟水頭高之關係圖 166 圖4.60透水性降低百分比與未接觸面積降低百分比之關係圖 167 圖4.61 NW1下游為直徑10 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 168 圖4.62 NW2下游為直徑10 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 168 圖4.63 NW3下游為直徑10 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 169 圖4.64 NW4下游為直徑10 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 169 圖4.65 NW5下游為直徑10 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 170 圖4.66 NW1不同載重下透水性下降百分比 170 圖4.67 NW2不同載重下透水性下降百分比 171 圖4.68 NW3不同載重下透水性下降百分比 171 圖4.69 NW4不同載重下透水性下降百分比 172 圖4.70 NW5不同載重下透水性下降百分比 172 圖4.71 NW1下游為直徑5 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 173 圖4.73 NW3下游為直徑5 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 174 圖4.74 NW4下游為直徑5 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 174 圖4.75 NW5下游為直徑5 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 175 圖4.76 NW1不同載重下透水性下降百分比 175 圖4.77 NW2不同載重下透水性下降百分比 176 圖4.78 NW3不同載重下透水性下降百分比 176 圖4.79 NW4不同載重下透水性下降百分比 177 圖4.80 NW5不同載重下透水性下降百分比 177 圖4.81 NW1下游為直徑2 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 178 圖4.82 NW2下游為直徑2 mm鋼珠之針軋不織布實驗數據圖 178 圖4.85 NW5下游為直徑2 mm鋼珠之透水性與正向應力關係圖 180 圖4.86 NW1不同載重下透水性下降百分比 180 圖4.87 NW2不同載重下透水性下降百分比 181 圖4.88 NW3不同載重下透水性下降百分比 181 圖4.89 NW4不同載重下透水性下降百分比 182 圖4.90 NW5不同載重下透水性下降百分比 182 圖4.91下游為直徑10 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW1透水性之影響(m代表多層) 183 圖4.92下游為直徑10 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW2透水性之影響(m代表多層) 183 圖4.93下游為直徑10 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW3透水性之影響(m代表多層) 184 圖4.94下游為直徑10 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW4透水性之影響(m代表多層) 184 圖4.95下游為直徑10 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW5透水性之影響(m代表多層) 185 圖4.96下游為直徑5 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW1透水性之影響(m代表多層) 185 圖4.97下游為直徑5 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW2透水性之影響(m代表多層) 186 圖4.98下游為直徑5 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW3透水性之影響(m代表多層) 186 圖4.99下游為直徑5 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW4透水性之影響 187 圖4.100下游為直徑5 mm鋼珠上游鋼珠直徑對針軋不織布NW5透水性之影響 187 圖4.101上游為直徑2 mm鋼珠下游鋼珠直徑對針軋不織布NW1透水性之影響 188 圖4.102上游為直徑2 mm鋼珠下游鋼珠直徑對針軋不織布NW2透水性之影響 188 圖4.103上游為直徑2 mm鋼珠下游鋼珠直徑對針軋不織布NW3透水性之影響 189 圖4.104上游為直徑2 mm鋼珠下游鋼珠直徑對針軋不織布NW4透水性之影響 189 圖4.105上游為直徑2 mm鋼珠下游鋼珠直徑對針軋不織布NW5透水性之影響 190 圖4.106針軋不織布厚度與正向應力之關係(賴建斌, 2015) 190 圖4.107針軋不織布孔隙率與正向應力之關係 191 圖4.108孔隙率與形狀因子之關係(Giroud, 1996) 191 圖4.109達西定律計算結果與Giroud經驗式NW1正向應力與透水性關係 192 圖4.110達西定律計算結果與Giroud經驗式NW2正向應力與透水性關係 193 圖4.111達西定律計算結果與Giroud經驗式NW3正向應力與透水性關係 194 圖4.112達西定律計算結果與Giroud經驗式NW4正向應力與透水性關係 195 圖4.113達西定律計算結果與Giroud經驗式NW5正向應力與透水性關係 196 圖4.114 Hufenus NW1之正向應力與透水性關係 197 圖4.115 Hufenus NW2之正向應力與透水性關係 197 圖4.116 Hufenus NW3之正向應力與透水性關係 198 圖4.117 Hufenus NW4之正向應力與透水性關係 198 圖4.118 Hufenus NW5之正向應力與透水性關係 199 圖4.119 上游鋼珠直徑7 mm，下游鋼珠直徑10 mm之形狀因子與孔隙率關係 199 圖4.120 上游鋼珠直徑5 mm，下游鋼珠直徑10 mm之形狀因子與孔隙率關係 200 圖4.121上游鋼珠直徑3 mm，下游鋼珠直徑10 mm之形狀因子與孔隙率關係 200 圖4.122上游鋼珠直徑2 mm，下游鋼珠直徑10 mm之形狀因子與孔隙率關係 201 圖4.123 上游鋼珠直徑5 mm，下游鋼珠直徑5 mm之形狀因子與孔隙率關係 201 圖4.124 上游鋼珠直徑2 mm，下游鋼珠直徑5 mm之形狀因子與孔隙率關係 202 圖4.125 上游鋼珠直徑2 mm，下游鋼珠直徑2 mm之形狀因子與孔隙率關係 202 圖4.126 上游鋼珠直徑7、5、3、2mm，下游鋼珠直徑10 mm之滲透係數與n3/(1-n)2關係 203 圖4.127 上游鋼珠直徑5、2mm，下游鋼珠直徑5 mm之滲透係數與 203 圖4.128 上游鋼珠直徑2 mm，下游鋼珠直徑2 mm實之滲透係數與 204 圖4.129 上游鋼珠直徑2 mm，下游鋼珠直徑10、5、2 mm實之滲透係數與 206 圖4.130 孔隙率與形狀因子關係圖 207 圖4.131 下層鋼珠直徑10 mm孔隙率與滲透係數關係圖 207 圖4.132 下層鋼珠直徑5 mm孔隙率與滲透係數關係圖 208 圖4.133下層鋼珠直徑2 mm孔隙率與滲透係數關係圖 208 圖4.134孔隙率與滲透係數關係圖 209 圖4.135 單位面積質量與折減係數之關係 209 圖4.136孔隙率與折減係數之關係 210[[note]]學號: 603380105, 學年度: 10