The Study of Relevant Mechanical Behavior for Retaining Wall Reinforcing with Bottom Transverse Beam

摘要 台灣位於環太平洋地震帶上，受到菲律賓海板塊不斷的擠壓歐亞大陸板塊，因此每年都有地震發生，使得山區土層普遍鬆動，再加上山地多於平地的地理環境特性近年受到極端氣候的影響，颱風、豪雨雨勢急促，自然邊坡常處於不穩定的狀態，為防止道路邊坡崩塌、路基滑移等災害擴大，使用擋土設施增加穩定性就顯得尤為重要。 擋土牆在實務上有部分設計以橫梁加勁以增加其安全性，但其研究不常見，本論文進行進一步的探討，期能提供做為往後工程單位在施工與設計上之參考。 本本論文針對擋土牆不同橫梁加勁方式的研究範例，利用一般工程設計計算及有限元素PLAXIS 2D程式進行研究分析。由分析結果得知: (1).以一般工程計算方法分析，擋土牆底板前全面橫梁加勁，常態時抗傾倒能力之安全係數分別為間距5m橫梁加勁與未加勁之1.52與1.73倍，於地震時分別為1.51與1.70倍。至於抗滑能力部分，其安全係數，常態時分別為1.11與1.12倍，地震時則為1.06與1.08倍。顯然擋土牆底部全面橫梁加勁對抗滑能力成效似乎較為有限。(2).以一般工程計算方法分析，間距5m橫梁部分加勁抗傾倒能力之安全係數常態與地震時分別為未加勁之1.14與1.13倍，抗滑能力則為1.12與1.08倍，顯然擋土牆底部間距5m橫梁部分加勁對擋土牆之穩定助益不大。(3).利用PLAXIS 2D程式分析結果，擋土牆底板前全面橫梁加勁時，牆頂最大水平變位為1.09mm，底板前間距5m橫梁部分加勁時牆頂最大水平變位為0.89mm，均向牆背後移動，相較於未加勁之牆頂最大水平變位為4.4mm且向牆前位移，較為穩定。(4).利用PLAXIS 2D程式分析結果，底板趾部下方土壓力分別為47.0、48.0與85.2 kPa，以及牆背部水平應力之最大值分別為32.27、32.01與40.71 kPa，顯然底板前全面橫梁加勁與間距5m橫梁部分加勁均有其良好之成效。ABSTRACT Taiwan is located in Pacific earthquake loop zone which is collided by Philippine Sea Plate to Eurasian Plate. Therefore, the earthquake occurs every year and causes the slope soil is loosening. Moreover, the characteristics of mountainous area more over flat plane and extreme climate in recent years such as typhoon, torrential rain and rapid flood bring about the natural slope unstable. For preventing the collapse of road slope and the footing sliding, it is very important to stabilize the slope using retaining facility. In reality, the study about design of transverse beam to reinforce the retaining wall is very scarce. This thesis will research further in order to provide the references in the later design and construction of engineering agencies. This study aims at the researched examples of different types of transverse beam in the base plate to reinforce the retaining wall using STABL general engineering method and Plaxis 2D finite element program. From the analyzed results, it indicates that: (1).using general engineering method to carry out analysis, the safety factor in the resistance of overturning for full transverse beam in normal condition is respectively 1.52 and 1.73 times those of transverse beam in 5 m interval and without any reinforcement. It becomes 1.51 and 1.70 times in earthquake condition. As for the safety factor in the sliding resistance, it is 1.11 and 1.12 times in normal condition and 1.06 and 1.08 times in earthquake condition. Apparently, the efficiency is little in the sliding resistance for full transverse beam. (2). using general engineering method to carry out analysis, the safety factor in the resistance of overturning for transverse beam in 5 m interval is 1.14 and 1.13 times respectively in normal condition and earthquake condition comparing with that without any reinforcement. It becomes 1.12 and 1.08 times in the sliding resistance. The increased stability of retaining wall is found too little for reinforcing using transverse beam in 5 m interval. (3).through Plaxis 2D finite element analysis, the maximum horizontal displacement at the top of retaining wall is 1.09mm for full transverse beam, 0.89mm for transverse beam in 5 m interval. Both are moving back to the wall. However, it is 4.4mm and moving outwards. Therefore, the full or partial reinforcement is more stable for the retaining wall. (4) through Plaxis 2D finite element analysis, the soil pressures beneath the toe of base plate are respectively 47.0, 48.0 and 85.2 kPa, and the maximum horizontal pressures in the back of retaining wall are respectively 32.27, 32.01 and 40.71 kPa for full, partial reinforcement and with any reinforcement. It is implied that good effectiveness is found in the improvement of stability for full, partial reinforcement of transverse beam in the front of base plate.目次 誌謝 i 摘要 ii ABSTRACT iv 表目錄 x 圖目錄 xii 符號表 xv 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機與目的 1 1.3 研究方法 2 1.4 研究內容 2 第二章 文獻回顧 3 2.1 擋土牆介紹 3 2.2 擋土牆種類 4 2.3 擋土護坡種類及適用性 5 2.4 擋土牆之側向土壓力 7 2.5 莫爾-庫倫破壞準則(Mohr-Coulomb failure criteria) 17 2.6 擋土牆牆體穩定性 19 2.7 其他相關研究 25 2.7.1 剪力榫對擋土牆穩定性之影響 25 2.7.2 扶臂式擋土牆力學行為之探討 25 第三章 數值分析方法 26 3.1 PLAXIS 2D有限元素程式 26 3.2 PLAXIS 2D程式基本架構 29 3.3 土壤模式 32 3.4 莫爾-庫倫破壞準則 34 第四章 研究範例一般工程方法分析 36 4.1 研究範例一 36 4.1.1 設計參數 37 4.1.2 擋土牆牆身作用力分析 39 4.1.3 土壤斷面作用力分析 40 4.1.4 土壓力係數分析 41 4.1.5 擋土牆穩定分析及土壤承載力檢核 43 4.2 研究範例二 51 4.2.1 設計參數 51 4.2.2 擋土牆牆身作用力分析 52 4.2.3 土壤斷面作用力分析 53 4.2.4 土壓力係數分析 54 4.2.5 擋土牆穩定分析及土壤承載力檢核 56 4.3 研究範例三 64 4.3.1 設計參數 64 4.3.2 擋土牆牆身作用力分析 65 4.3.3 土壤斷面作用力分析 66 4.3.4 土壓力係數分析 67 4.3.5 擋土牆穩定分析及土壤承載力檢核 69 4.4 研究範例分析結果總結 77 第五章 研究範例PLAXIS 2D有限元素程式分析 78 5.1 前言 78 5.2 分析步驟 79 5.3 研究範例分析 79 5.3.1研究範例一 79 5.3.2研究範例二 88 5.3.3研究範例三 97 5.4 研究範例分析結果總表 105 第六章 結論與建議 107 6.1結論 107 6.2建議 108 參考書目 110 表目錄 表2-1 各項穩定性分析之安全係數 19 表2-2 土壤種類與內摩擦角ϕ之關係 24 表4-1 研究範例一混凝土斷面作用力分析結果 39 表4-2 研究範例一土壤斷面作用力分析結果 40 表4-3 研究範例一常時狀態作用力分析結果 44 表4-4 研究範例一地震狀態作用力分析統計結果 48 表4-5 研究範例二混凝土斷面作用力分析結果 52 表4-6 研究範例二土壤斷面作用力分析結果 53 表4-7 研究範例二常時狀態作用力分析結果 57 表4-8 研究範例二地震狀態作用力分析統計結果 61 表4-9 研究範例三混凝土斷面作用力分析結果 65 表4-10 研究範例三土壤斷面作用力分析結果 66 表4-11 研究範例三常時狀態作用力分析結果 70 表4-12 研究範例三地震狀態作用力分析統計結果 74 表4-13 研究範例一般工程方法分析結果彙整表 77 表5-1 研究範例統計表 78 表5-2 材料參數表 78 表5-3 研究範例分析結果 106 圖目錄 圖2-1 坡面保護工之種類及適用性 5 圖2-2 擋土牆種類及適用性 6 圖2-3 靜止土壓力圖 8 圖2-4 Rankine主動壓力 10 圖2-5 Rankine被動土壓力分佈圖 11 圖2-6 Coulomb主動土壓力示意圖 12 圖2-7 Mononobe-Okabe地震土壓力示意圖 14 圖2-8 地震時主動土壓力 15 圖2-9 地震時被動土壓力 17 圖2-10 擋土牆抗滑動分析示意圖 20 圖2-11 擋土牆抗傾倒分析示意圖 21 圖2-12 擋土牆偏心距分析示意圖 22 圖2-13 擋土牆接觸應力分析示意圖 23 圖3-1 PLAXIS 2D分析流程圖 28 圖3-2 平面應變和軸對稱問題示意圖 30 圖3-3 節點位置和土單元應力點 32 圖4-1 擋土牆研究範例一 36 圖4-2 研究範例一平時受力狀態示意圖 43 圖4-3 研究範例一地震狀況受力示意圖 47 圖4-4 擋土牆研究範例二 51 圖4-5 研究範例二平時受力狀態示意圖 56 圖4-6 研究範例一地震狀況受力示意圖 60 圖4-7 擋土牆研究範例三 64 圖4-8 研究範例三平時受力狀態示意圖 69 圖4-9 研究範例三地震狀況受力示意圖 73 圖5-1 範例一整體變位圖 81 圖5-2 範例一整體變位向量圖 82 圖5-3 範例一水平變位圖 83 圖5-4 範例一水平變位向量圖 84 圖5-5 範例一鄰近擋土牆底板主應力方向圖 85 圖5-6 範例一鄰近擋土牆底板強身水平應力圖 86 圖5-7 範例一牆背水平應力分布圖 87 圖5-8 範例二整體變位圖 89 圖5-9 範例二整體變位向量圖 90 圖5-10 範例二水平變位圖 91 圖5-11 範例二水平變位向量圖 92 圖5-12 範例二鄰近擋土牆底板主應力方向圖 93 圖5-13 範例二鄰近擋土牆底板強身水平應力圖 95 圖5-14 範例二牆背水平應力 96 圖5-15 範例三整體變位圖 98 圖5-16 範例三整體變位向量圖 99 圖5-17 範例三水平變位圖 100 圖5-18 範例三水平變位向量圖 101 圖5-19 範例三鄰近擋土牆底板主應力方向圖 102 圖5-20 範例三鄰近擋土牆底板強身水平應力圖 103 圖5-21 範例三牆背水平應力圖 10