朝阳科技大学营建工程系硕士文

朝陽科技大學營建工程系碩士論文地工格網加勁土壤在邊坡穩定工程之應用研究TheEffectsofGeo-gridReinforcedEarthonSlopeStabilityAnalysis指導教授：張子修博士研究生：林佳儀中華民國97年7月30日朝陽科技大學營建工程系DepartmentofConstructionEngineeringChaoyangUniversityofTechnology碩士論文ThesisfortheDegreeofMaster地工格網加勁土壤在邊坡穩定工程之應用研究TheEffectsofGeo-gridReinforcedEarthonSlopeStabilityAnalysis指導教授：張子修博士（Dr.Tzyy-ShiouChang）研究生：林佳儀(Chia-YiLin)中華民國97年7月30日July30,2008I摘要本研究採用PET軟式地工格網與砂頁岩互層之崩積土壤，模擬不同降雨強度之土壤含水量進行地工格網與土壤介面直剪試驗，以及在大型傾斜儀剪力盒中分別將格網以與剪切面夾角為30°、60°、90°，模擬加勁複合土壤於破壞時的摩擦角，探討地工格網於不同含水量土壤中之力學行為，並且以穩定分析軟體STEDwin及MSEW分析其對邊坡穩定安全係數的影響。研究結果顯示，在大型傾斜儀試驗中，當格網與水平夾角為30°時其破壞角受含水量之影響較小，破壞角介於32°～42.5°，衰減率約5.5%～28.9%；在地工格網與土壤的介面直剪試驗中，乾土狀況下介面摩擦角δ約為39.5°，隨土壤含水量增至4%、7%及11%時，δ依序分別衰減為20.5°、23°及26.5°；以STEDwin作案例穩定分析，含水量對加勁邊坡安全係數之衰減率達6.1%～32.5%，以MSEW分析，加勁邊坡之水平滑動安全係數衰減率達37%～71.4%。關鍵字：加勁複合土壤,邊坡穩定,地工格網,大型直剪試驗IIAbstractTheresearchwasconductedtoinvestigatetheinteractivepropertiesbetweensoftPEgeo-gridmaterialandthealternativeshaledepositsunder3simulatedrainfallintensitieswhichincludew/c=4%(ordinarymoisturecondition),7%(averagerainfall)and11%(stormcondition),withcontrasttothedryconditionatw/c=0%.Alargescaleinclineddirectsheardevicewasusedwiththegeo-gridattheangleof30,60and90degreewithrespecttotheshearplanetoinvestigatetheinternalfrictionalangleatshearfailurewithinthereinforcedearthmassunderthe3selectedsimulatedrainfallintensities.Inaddition,atraditionaldirectsheardevicewasusedtodeterminetheinterfacefrictionalanglebetweenthesurfaceofthegeo-gridandthereinforcedearth.Withtheuseofthelaboratorytestresults,theslopestabilityanalysissoftwareSTEDwinandMSEWwereutilizedtostudytheeffectsof(1)theplacementsofgeo-gridatvariousangleswithinthesoilmass,and(2)thesimulatedrainfallintensities,onthesafetyfactorofstabilityofshaleslopeswhichmaybeoftenencounteredinTaiwan.Theresultsofthestudyrevealedthatthereinforcedearthwithgeo-gridat30degreehastheinternalfrictionalangleof32-42.5degreeatshearfailurewhichisleastinfluencedbythewatercontent.Theinternalfrictionalangleshaveareductionrateof5.5%-28.9%forthe3selectedrainfallintensitiescomparedwiththatofdrycondition.Inaddition,theinterfacefrictionalanglebetweenthegeo-gridandthesoilmassis39.5degreeatdryconditionandisdecreasedto20.5,23,and26.5degreeforw/c=4,7,and11%respectively.Forthestabilityanalysis,theresultsofareinforcedearthslopecasestudyrevealedthatincreaseofwatercontentfrom0%to11%assimulatedmayreducethesafetyfactoroftheslopestabilityfrom6.1%to32.5%usingtheSTEDwinsoftware,whilethesafetyfactoroflateralslidingforthereinforcedearthslopemaybereducedfrom37to71.4%.TheresultsofthestudyprovideusefulinformationforpracticalapplicationsincasethereinforcedearthwithPEgeo-gridisusedfortheslopes.Keywords:reinforcedearth,slopestability,geo-grid,largescaledirectsheartestIII誌謝本論文得以順利付梓，承蒙恩師張子修博士的悉心指導，多方啟迪；碩士在職專班的學生因工作的關係，難以全心全意精進於課業上，老師多所體諒，於論文撰寫期間不厭其煩的跟催進度，逐字詳加指正，潤飾文句，修改謬誤，老師的治學風範，對學生於研究、求學及待人處事上有著多方啟迪與助益，在此僅致上最高的敬意。期間感謝大地實驗室學弟哲翔、惠丞的協助，對論文實驗之規畫及實驗過程提供協助與建議；同事玄蕙、柏瑋、嘉文及瑞鴻提供分析程式上操作建議，使此研究能得以順利完成，在此致上由衷的感謝。最後感謝親愛的父母及愛妻秋香的全力支持，使我無後顧之憂，為自己的理想而努力，僅將本文呈獻給所有曾協助過我，照顧過我的人，共同分享這份喜悅。林佳儀謹誌中華民國97年7月IV目錄中文摘要………………………………………………………………….…………I英文摘要………………………………….……………………………………II誌謝……………………………………….…………………………………….III目錄……………………………………….……………………………………IV表目錄…………………………………….…………………………………..VIII圖目錄……………………………………….……………………………………X第一章緒論………………………………….…………………………………11.1前言………………………………………………………………………11.2研究動機與目的…………………………………………….……………11.3研究方法…………………………………………………………………31.4研究內容…………………………………………………………………31.5預期研究成果與實務應用………………………………………………4第二章文獻回顧…………………………………………………………………72.1.加勁土壤結構簡介………………………………………………………72.1.1加勁土壤結構基本理論……………………………………………72.1.2加勁土壤結構分析模式……………………………………………92.1.3加勁土壤結構破壞機制…………………………………………152.2.降雨對邊坡穩定之影響………………………………………………212.2.1降雨入滲之滲流機制……………………………………………222.2.2降雨入滲之影響範圍……………………………………………23V2.2.3降雨對邊坡不飽和土壤強度之影響……………………………252.3.地工合成材料之介紹……………………………………………………282.3.1地工格網之介……………………………………………………312.3.2地工格網之種類…………………………………………………312.3.3地工格網之應用…………………………………………………332.4土壤與地工格網之互制行為……………………………………………362.5直剪試驗之力學行為探討………………………………………………372.6地工合成材料直剪試驗相關研究……………………………………40第三章分析程式介紹…………………………………………………………443.1程式功能與限制…………………………………………………………443.1.1設計功能…………………………………………………………443.1.2分析功能…………………………………………………………443.2程式特性說明…………………………………………………………453.2.1幾何形狀與載重說明…………………………………………453.2.2土壤、地下水位與邊界說明……………………………………463.2.3加勁材料參數設定………………………………………………463.2.4地震荷重…………………………………………………………473.2.5整體滑動破壞……………………………………………………473.3程式使用說明……………………………………………………………473.3.1執行程式與設定設計者資料……………………………………47VI3.3.2分析功能選擇……………………………………………………503.3.3執行分析…………………………………………………………563.3.4分析成果檔輸出…………………………………………………603.4結語………………………………………………………………………60第四章試驗儀器設備與試驗方法……………………………………………614.1大型傾斜直剪試驗……………………………………………………614.1.1大型傾斜直剪儀之設計原理……………………………………614.1.2試驗儀器設備……………………………………………………644.1.3大型傾斜直剪試驗步驟操作說明……………………………674.2地工格網與土壤介面直剪試驗…………………………………………734.2.1試驗儀器設備……………………………………………………734.2.2試驗步驟操作說明………………………………………………74第五章試驗結果討論與邊坡穩定案例分析…………………………………775.1土壤試驗基本物理性質試驗結果……………………………………775.2地工格網基本物理性質試驗結果……………………………………785.3大型傾斜直剪試驗結果分析…………………………………………805.4地工格網與土壤介面直剪試驗結果分析………………………………835.5邊坡穩定分析案例探討…………………………………………………845.6結語…………………………………………………………