[[alternative]]Preliminary study on behavior of a horizontal reinforced sand column under long-term loading condition

碩士[[abstract]] 本研究利用模型試驗探討水平加勁砂石樁，於全面且長期加載狀態下，軟弱黏土與砂樁之間應力轉化關係。研究方法以模型相似律之因次分析，選擇適當材料與尺寸進行模型試驗。試驗內容針對純黏土、未加勁砂樁及水平加勁砂樁進行試驗，且依據模型試驗所量測黏土應力範圍，規劃壓密試驗以求得相關壓密參數，並以理論分析進行模型試驗沉陷量預測與探討。 結果顯示相同時間與載重下，純黏土受載時沉陷量較未加勁砂樁大，所量測之中心應力較低。當軟弱黏土中加入未加勁砂樁或加勁砂樁結果顯示，於初期較小載重下，砂樁承受大部分應力；然而在加大至二、三階載重，未加勁砂樁因無法承受加載應力，導致黏土應力無法轉嫁砂樁承受。另，加勁砂樁初期由黏土承受大部分應力，隨著時間增加，於承載能力較高的加勁砂樁(GT3-10VD)，發現黏土受力於短時間逐漸轉嫁至加勁砂樁。於低載種下的壓密試驗方面，則是分別採用垂直與水平取樣，試驗結果發現水平取樣所獲得壓密參數為垂直取樣40至1000倍之間，亦即黏土顆粒排列直接影響相關壓密參數。同時利用理論模式預測沉陷量變化與試驗結果相當接近；因此，工程應用可藉由預測沉陷量曲線，進而推估砂樁與黏土間之受力狀態。[[abstract]]This study, the relationship between stress transformation behavior of weak clay and sand column under long-term bearing condition was studied by model test. The research method is to select the appropriate material and size to carry on the experiment. Tests were carried out on pure clay, un-reinforced sand column and horizontal laminated reinforced sand column, and the relevant consolidated parameters were obtained according to the stress range of the clay and the consolidation test, and the theoretical analysis was used to predict the settlement. Experimental results show that, under the same load and time, the settlement of the pure clay is larger than that of the un-reinforced sand column, and the measured stress is lower. However, when two or three-stage loads are applied, the un-reinforced sand column are unable to bear the loading stress, which leads to the decrease of the loading stress. The results show that the stress on clay can’t transferred to the sand column. The initial stress of the reinforced sand column is mostly carried by the clay. With the increase of the stress, the stress change of the strength reinforced sand column (GT3-10VD) is faster. Additional, Consolidation test is the vertical and horizontal sampling, from the test results found that the parameters are obtained by vertical sampling between 40 to 1000 times of horizontal one, it is estimated that the clay particle arrangement will directly affect the relevant consolidation parameters. Using the theoretical analysis, the consolidation parameters are substituted into the calculation and the settlement curve can be predicted. The stress state of sand column and clay can be estimated by predicting the settlement curve.[[tableofcontents]]目錄 I 圖目錄 III 表目錄 VIII 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究方法 3 1.3 研究流程 5 第二章 文獻回顧 6 2.1 砂石樁加勁方式 6 2.2 長期加載數值分析 6 2.3 軟弱黏土水平方向壓密行為 9 2.4 層狀加勁砂柱之模型試驗研究 10 2.5 文獻綜合概述 16 第三章 試驗儀器與試驗內容 17 3.1 試驗計畫 17 3.2 試驗儀器介紹 19 3.2.1 低載重壓密試驗儀 19 3.2.2 長期加載模型試驗儀 23 3.3 試驗內容與試驗方法 33 3.3.1 低載重下壓密試驗 33 3.4 長期加載加勁砂樁模型試驗 43 3.4.1 加勁砂樁設計 43 3.4.2 模型試驗步驟 45 第四章 試驗結果與分析 62 4.1 試驗砂土與黏土基本物理性質試驗結果 62 4.2 地工合成材試驗結果 65 4.3 低載重壓密試驗結果 70 4.4 模型試驗結果 78 4.4.1 模型試驗之模型相似律 78 4.4.2 模型試驗之沉陷量預測 81 4.4.3 模型試驗之基本參數 85 4.4.4 純黏土試驗結果 86 4.4.5 未加勁砂樁 88 4.4.6 GT2-10VD加勁砂樁 92 4.4.7 GT3-10VD加勁砂樁 95 4.5 理論模式之現地應用 98 第五章 結論與建議 99 5.1 結論 99 5.2 建議 100 參考文獻 101 圖1.1 砂樁之受力狀態與破壞示意圖 2 圖1.2 地工合成材於砂柱之加勁方式(Latha & Murthy，2007) 2 圖1.3 研究流程圖 4 圖2.1 數值分析與現地觀測結果Pulko&Janko (2014) 7 圖2.2 各不同滲透係數下所預測之沉陷量Pulko&Janko (2014) 8 圖2.3 全面加載應力分布變化Sudip Buddhima & Cholachat (2015) 8 圖2.4 水平取樣與垂直取樣之電子顯微鏡觀測 9 圖2.5 模型試驗示意圖(Kousik et al.，2010) 11 圖2.6 砂柱腫脹情況(Kousik et al.，2010) 11 圖2.7 外包與層狀加勁砂柱形式(Ali et al.，2012) 12 圖2.8 模型試驗步驟(Ali et al.，2012) 12 圖2.9 垂直應力與沉陷量關係圖(Ali et al.，2012) 13 圖2.10 砂柱試體變形照片(Ali et al.，2012) 13 圖2.11 擺設層數抑制腫脹變形圖(陳冠龍，2015) 14 圖2.12 同向與異向擺設之試驗結果(陳冠龍，2015) 15 圖3.1 試驗流程圖 18 圖3.2 低載重壓密示意圖 20 圖3.3 低載重壓密試驗儀 20 圖3.4 高分子承載桿 21 圖3.5 濾紙與壓密試驗儀 21 圖3.6 加壓支架 22 圖3.7 位移計(最小單位:0.001 mm) 22 圖3.8 萬能拉伸試驗機構造示意圖 25 圖3.9 萬能拉伸試驗機 25 圖3.10 模型試驗示意圖 26 圖3.11 長期加載模型架設完成 26 圖3.12 模型試驗用土壓計(D=24.5 mm，capacity 1000 kPa) 27 圖3.13 土壓計校正係數圖 27 圖3.14 模型試驗用土壓計(D=24.5 mm，capacity 500 kPa) 28 圖3.15 土壓計校正係數圖 28 圖3.16 數位式位移計(最小單位:0.001 mm) 29 圖3.17 計時器 29 圖3.18 資料擷取器 30 圖3.19 資料擷取畫面 30 圖3.20 模型試驗桶 31 圖3.21 壓克力套管 31 圖3.22 監視錄影器鏡頭 32 圖3.23 監控畫面 32 圖3.24 低載重壓密流程圖 34 圖3.25 低載重壓密取樣流程示意圖 35 圖3.26 黏土攪拌桶 36 圖3.27 放置黏土至模型試驗桶 37 圖3.28 將黏土擠實並抹平 37 圖3.29 黏土抹平完成 38 圖3.30 刮除多餘黏土 38 圖3.31 將試驗桶周遭整理乾淨 39 圖3.32 插入壓克力板 39 圖3.33 擇一區域挖除黏土 40 圖3.34 完成挖除狀態 40 圖3.35 抽出壓克力板 41 圖3.36 插入壓密環取樣 41 圖3.37 取樣完成並秤重 42 圖3.38 浸泡24小時候並進行加載 42 圖3.39 模型試驗使用之加勁材料 43 圖3.40 層狀加勁加勁材配置方式-十層加勁配置(單位:mm) 44 圖3.41 模型試驗流程圖 47 圖3.42 模型試驗流程示意圖 48 圖3.43 加勁材圓片(GT3) 49 圖3.44 乾燥黏土塊 49 圖3.45 攪拌機及拌合後黏土 50 圖3.46 壓克力套管與反力架連接 51 圖3.47 灌水使下承載板底部滿水位 51 圖3.48 壓力計周遭確認滿水位 52 圖3.49 外部聯通管確認滿水位 52 圖3.50 黏土分次填入 53 圖3.51 使用鏝刀工具碾壓及抹平黏土 53 圖3.52 黏土分次填入圓桶中並壓實 54 圖3.53 鋼尺沿桶壁邊抹平表面黏土高程 54 圖3.54 抹平表面黏土完成狀態 55 圖3.55 將試驗砂填入中空壓克力套管 55 圖3.56 利用萬能拉伸儀抬伸壓克力套管 56 圖3.57 利用搗桿搗實砂樁 56 圖3.58 利用搗桿安裝加勁材 57 圖3.59 放置水平儀確認砂層水平 57 圖3.60 加勁砂樁裝填完成 58 圖3.61 位移計、上承載板、計時器架設完成 58 圖3.62 砂樁固結方式與器材介紹 60 圖3.63 放置一天待砂樁固結 60 圖3.64 開挖砂樁周圍黏土 61 圖3.65 固結後砂樁試體(純砂) 61 圖4.1 試驗黏土粒徑分佈曲線圖 63 圖4.2 No.201 石英砂粒徑分佈曲線圖 64 圖4.3 砂土之圍壓與摩擦角關係圖(重繪，郭建明，2013) 64 圖4.4 地工合成材的方向性 66 圖4.5 雙向拉伸試驗結果(GT2)(簡嘉緯，2014) 68 圖4.6 雙向拉伸試驗結果(GT3)(簡嘉緯，2014) 68 圖4.7 地工合成物軸向均拉試驗結果(GT2) (陳冠龍，2015) 69 圖4.8 地工合成物軸向均拉試驗結果(GT3)(陳冠龍，2015) 69 圖4.9 0.21 kPa載重加載下之對數時間-沉陷量讀數曲線 71 圖4.10 0.42 kPa載重加載下之對數時間-沉陷量讀數曲線 72 圖4.11 0.84 kPa載重加載下之對數時間-沉陷量讀數曲線 73 圖4.12 1.69 kPa載重加載下之對數時間-沉陷量讀數曲線 74 圖4.13 3.36 kPa載重加載下之對數時間-沉陷量讀數曲線 75 圖4.14 壓密試驗之e-log p壓密曲線 76 圖4.15 排水砂樁配置圖 82 圖4.16 荷重加載方式 83 圖4.17 純黏土時間_壓力_位移關係圖 87 圖4.18 未加勁砂樁時間_壓力_位移關係圖 89 圖4.19 未加勁砂樁變形圖 91 圖4.20 未加勁砂樁腫脹變形圖 91 圖4.21 GT2-10VD加勁砂樁時間_壓力_位移關係圖 93 圖4.22 GT2-10VD加勁砂樁變形圖 94 圖4.23 GT2-10VD加勁砂樁腫脹變形圖 94 圖4.24 GT3-10VD加勁砂樁時間_壓力_位移關係圖 96 圖4.25 GT3-10VD加勁砂樁變形圖 97 圖4.26 GT3-10VD加勁砂樁腫脹變形圖 97 圖4.27 理論公式現地應用方式 98 表目錄 表3.1 模型試驗研究組合 44 表4.1 試驗黏土基本物理性質結果 62 表4.2 黏土主要成分 63 表4.3 砂土基本物理試驗結果 63 表4.4 加勁材基本物理性質(簡嘉緯，2014) 66 表4.5 地工合成材雙向拉伸試驗結果(簡嘉緯，2014) 66 表4.6 地工合成材軸向均拉試驗結果(陳冠龍，2015) 67 表4.7 各載重下之壓密參數 77 表4.8 原型與模型之無因次項比較表（余易昇，2013） 80 表4.9 模型試驗基本參數與試驗結果 85 表4.10 各試驗應力與沉陷量之變化(陳冠龍，2015) 90[[note]]學號: 602380437, 學年度: 10