 |
|
|
 |
[ 開啟全部內容 ]
[ 隱藏全部內容 ]
|
|
|
|
|
|
|
人類探究自然的奧祕，通常必須經由現象觀察、累積經驗及歸納分析的過程。而利用相似模擬，利用縮尺的物理模型(Physical model)來研究各種物理現象，藉以幫助解決理論與設計問題是科學或工程上常用的方法。對應該物理模型所代表的原系統，稱之為原型(Prototype)，原型不一定與實際的工程問題完全相符。物理模型與原型各物理量間必須有強烈的關連性，物理模型試驗的成果才有意義。土木工程物理模型試驗，針對不同試驗條件的需求，試驗可以在1g重力場或高g重力場狀態下進行。常見的物理模型試驗包括：(1)水工模型試驗；(2)風洞試驗；(3)結構構件或縮尺結構的模型試驗；(4) 1 g地工物理模型試驗；(5)地工離心模型試驗(Geotechnical centrifuge model test)等。值得注意的是執行任何物理模型試驗時，針對研究問題的重要特徵（變數），需妥善考慮縮尺模型與原型的相似性(similitude)。不考慮兩者相似性的物理模型試驗，試驗成果無法有效推廣至其他不同尺度的模型或原型，也無法具備工程上的應用性。
縮尺模型與原型的相似性必須包括幾何相似性（Geometrical similarity，模型幾何形狀及邊界形狀與原型相似）、運動相似性（Kinematic similarity，模型與原型位移量相似）及動力相似性（Dynamic similarity，模型內力和外部作用力均與原型相似）。目前雖然仍有許多工程問題，模型與原型仍無法全部考量所有物理量的相似性，但是選擇重要物理變數，建立兩者之間的相似性，如此模型試驗的試驗成果才能正確代表原型重要的力學行為，也才能推廣至工程應用的層次。因此進行地工物理模型試驗的試驗設計時，必須依據縮尺律(Scaling law)，適當考量模型與原型的相似性，特別應該考慮模型所使用土壤或結構體的力學行為、荷載、環境及施工過程與原型的相似性。
地工結構通常規模大、地層複雜，也不容易利用全尺度的現場試驗來觀察破壞機制，而簡化的地工物理模型可以提供具重複性且相對低成本的試驗，讓研究者可以觀察不同試驗條件下的地工結構的破壞機制。地工物理模型（Geotechnical physical model）是具備代表某一特定邊界值問題特徵的簡化縮尺物理模型（代表某一類型的大地工程問題），可以在1g或高g的情況下進行縮尺物理模型試驗。相較於傳統室內元素試驗（Element tests，例如三軸剪力試驗、直接剪力試驗等）僅能模擬單一土壤元素的應力路徑，且各種元素試驗所能夠模擬的應力路徑也有限；而物理模型試驗可以同時模擬符合邊界條件(Boundary conditions)下，模型內不同土壤元素的應力路徑，這是物理模型試驗的優點。日本PWRI(Public Works Research Institute)開發上部結構(Superstructures)與下部基礎(Soil-foundation)混合動態即時振動試驗系統與數值模擬技術，利用數值分析評估上部結構的動態反應（力或位移），並即時輸入下部基礎，進行地工物理模型試驗。這種模型試驗的新技術，必須整合不同專長領域的人參與研究，如此一來也更能正確模擬包括上－下部結構與土壤互制情況下，模型內不同位置的土壤元素的應力路徑，也更能掌握原型的受振反應。
大地工程的研究者及設計者，通常將複雜的問題，利用簡化的數值模擬或理論來進行分析，並進行施工過程及完工以後之現場觀測，期望由目前簡化的模擬結果與現場直接觀測值進行比對，作為將來類似工程設計之借鏡。如果沒有經過適宜之模擬，設計趨於保守，造成不經濟，但也有可能因忽略，導致設計錯誤，而造成工程失敗的案例。地工物理模型可以觀察破壞的機制，雖然可以考慮物理模型與原型的相似性，但物理模型有尺寸效應(scale effect)、試驗箱的邊界效應(Boundary effect of container)、試驗的重複性(Repeatability)、邊界條件(Boundary condition)等與原型不盡相同；另外使用不同土壤進行試驗，也導致材料性質不同。數值模擬或其他理論分析，雖然沒有尺寸效應，但由於地工材料的組成律及數值邊界的處裡相當複雜，目前的知識尚無法全盤掌握，因此也有其限制。而利用全尺寸的現場試驗來觀察，雖然沒有尺寸效應，也沒有簡化分析法所造成的問題，但是由於工程浩大，成本太高，土層複雜並且無法全盤掌握，一般也無法觀察大變形，甚至破壞時或破壞以後的行為及機制。上述各種分析模型的比較，每一種都各有其優缺點。利用上述三種方法一齊來研究工程問題是有其必要，基本上數值或理論模擬與地工物理模型模擬，乃是相輔相成不可偏廢。圖1說明此三種研究手法相輔相成，經過互相檢核、印證及評估，才可以驗證新理論及新觀念的正確性，最後也才可以進行安全又合理的地工構造物的設計。
地工物理模型除了上述的功用外，對工程教育也有舉足輕重的貢獻。土木地工結構物的特徵通常是客製化、大型、具獨特及唯一性，且構築完成後不容許有破壞的機率，不像其他領域的產品體積小，且具有量產的特性，量產前可以進行產品的破壞試驗來驗證產品的可靠性。因此土木工程教育無法進行實體的破壞或耐久試驗來觀察破壞行為、驗證設計理論與成品的可靠性，特別是破壞機制的了解。利用地工物理模型試驗，並錄製教學錄影資訊或製作動畫，是一個相當有效展示破壞機制的教學方法，不但可以加深修習學生對該主題的了解，對可能破壞的情況有一較全盤性的概念。地工物理模型試驗配合相關原理的介紹，可提供學習者各種大地構造物的破壞現象與書本知識的結合，對土木科系大地工程領域的學習將有極大的直接效益。
1 g 地工物理模型試驗和離心模型試驗各有其優缺點。離心模型試驗在高g情況下進行試驗，可以確保模型與原型對應點有相同的應力及應變，相似性高。但是由於試驗機具容量的限制，通常試體體積較小，感測器(Transducer)的體積相對於試體體積顯得較大，對試驗成果有較大的影響。另外探討土壤與結構互制問題時，結構模型與土壤顆粒大小有尺寸效應，必須仔細評估。相反的1g物理模型試驗，無法模擬與原型相同的應力條件下進行試驗，也就無法考慮土壤強度及勁度對試驗結果的影響；但相對於離心模型而言，試體體積較大，顆粒尺寸效應的影響較小，感測器的存在，對試驗成果的影響也較小。近年來，拜科技進步之賜，迷你感測器的開發及試驗機具硬體容量的提升（例如日本E-Defense大型1g振動台及大型地工離心機的建置），不論是1g模型試體或離心模型試體的尺寸規模均大幅提高，上述的1g物理模型及離心模型的限制也逐漸減少中。而電腦自動控制設備（機械手臂）也大幅引入模型試驗中，增加施工過程模擬的能力，也更能貼近工程實際受力狀況。大容量電腦和即時資料擷取系統的軟硬體開發，允許使用數百頻道的感測器同時擷取不同的物理量，更能掌握地工物理模型的受力行為。
地工物理模型試驗機具容量的提昇、其他輔助試驗的軟硬體設備建置及管理維護成本相當高昂，因此世界各國都成立重點試驗室，全力加強既有設備更新及全力支援重點創新設備的建置。基本試驗設備配合建置無遠弗屆的網路軟硬體系統以及可以進行遠距分散式混合動態試驗(Distributed hybrid dynamic testing)的軟硬體設備，整合不同專長（包括結構、大地、物理模型試驗及數值分析）的研究者共同參與研究，提供方便友善的試驗支援，達到增加試驗設備的利用率及鼓勵更多研究者參與合作研究的目的（例如美國的NEES，Network for Earthquake Engineering Simulation是最典型的成功例子，同樣英國的UK-NEES及歐盟也有類似的合作研究計畫）。甚至藉由試驗設備本身的獨特及唯一性，進行跨國的合作研究來分擔大型試驗設備高昂的建置及維護成本（例如日本E-Defense大型1g振動台的建置）。
本期「地工物理模型試驗與應用」專輯共收錄十篇內容豐富的文章。依據試驗時重力場的不同來區分，1 g 物理模型試驗共六篇，其中一篇則在現地土壤進行物理模型試驗；離心模型試驗則有四篇。就論文內容來區分，以邊坡穩定及擋土牆相關研究佔六篇，與目前工程界所關心的熱門議題一致，三篇液化相關研究及一篇樁載重行為的研究論文。由陳榮河及紀伯全（模型邊坡試驗之因次分析）、王國隆及林美聆（1-g條件下之大型邊坡模型受震行為）、黃景川（地工合成物加勁邊坡模型試驗－動態與擬靜態行為之比較）、李崇正等人（以離心模型振動台試驗模擬砂土層液化行為）所撰寫的文章，都對各自所進行的物理模型與原型的相似性，針對不同的考量重點，做相當詳盡的介紹。讀者可經由這些內容，推導自己所擬進行不同種類物理模型試驗的因次律。
無論是現場或實驗室進行土壓力的量測，通常由於土壓計周圍土壤發生拱化現象 (Soil arching)，不容易準確量測，陳滄江及方永壽（以大型擋土牆模型量測靜止土壓力）利用大型擋土牆模型系統量測靜止土壓力，對靜止土壓力的估計提出具體建議。陳家漢及翁作新（可能液化地盤中模型樁振動台試驗）詳細介紹近年來國內外所進行之液化土壤中樁基礎動態物理模型試驗，也介紹了國震中心利用獨特的大型雙軸向剪力盒，所進行之模型樁振動台試驗的最新成果。張文忠（現地土壤液化模型試驗之發展與應用）利用以大型震盪車作為地表震源，進行現地土壤的液化試驗，經由預先裝置於地層中的加速度計及孔隙水壓計進行砂土液化觀測。這種試驗手法，由於較試驗室內物理模型試驗的規模大，最近也逐漸的被應用於大地地震工程相關的研究。吳明淏及Hoe-I Ling（地工離心機於邊坡穩定研究之模擬與應用）發展可以在離心飛行產生降雨的環境控制試驗箱，進行不同降雨強度下的邊坡穩定試驗。洪汶宜等人（柔性包覆式雙階加勁擋土牆斷裂破壞行為之離心模型模擬）探討不同退階距離及加勁材料配置方式，對柔性包覆式雙階加勁擋土牆破壞行為的影響，試驗成果可作為設計的參考。黃俊鴻等人（以離心模型試驗模擬基樁抗壓及抗拔行為）利用計測模型樁在80g情況下，進行極限承載及極限拉拔試驗，探討承載樁及拉拔樁荷重傳遞機制的異同。
本期「地工物理模型試驗與應用」專輯的十篇文章，依據論文產出的單位來區分，九篇由學術及研究機構發表，只有一篇由學界及業界合作產出。這與以往地工技術其他專輯文章的產出分布，產、官界在論文質與量均佔有過半的貢獻有很大的不同，這顯現在台灣地工物理模型試驗仍然停留在學界的象牙塔，工程界對於物理模型試驗成果的應用著力較少。學界與業界合作進行物理模型試驗研究的過程中，學界可以了解業界關心的問題點，增加可以回饋工程設計的研究主題；而工程界可以將學界的學術研究成果，反映於工程設計或施工過程中，增加工程的安全性及減少工程成本。學界與工程界的合作研究具有互補的功能，編者希望由本專輯的出刊，能有效促進學界與產、官界的合作研究，這對台灣大地工程技術的提升將有極大的助益。 |
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
承地工技術之邀，希望於本期「地工物理模型試驗與應用」專輯中撰寫贈言，深感榮幸。在我個人學術訓練的過程中，有一段時日曾經以標度槽為工具，圓錐貫入試驗為研究主題，尋找圓錐貫入阻抗與砂質土壤液態化特性的關係。在這一段研究過程中，我看到透過模型試驗的操作，從土壤材料性質出發，可合理驗證力學理論與工程設計方法的關係。在過去30年來，隨著大型離心機、振動台的技術發展，越來越多大地工程課題，是透過物理模型試驗進行研究，對於設計理論之精進，獲得許多重要的成果。在本期專輯中，有多位相關領域的先進們提出其研究成果，與地工的讀者分享。然而，我也希望利用本期贈言有限的篇幅，就大地工程理論與實務應用的關係，提出個人淺見，就教於地工界先進。
大地工程處理的主要對象是土壤、岩石、地下水等自然材料，其材料性質必須要以試驗定之；如何作好試驗，以獲得可靠的材料性質常常被視為大地工程的重要工作。因此，試驗的方法從小試體室內試驗，演化出大型試體的室內試驗；其目的在於降低試體的尺寸效應。而後，更發展出各式各樣的現地試驗，希望能進一步澈底消除試驗過程的邊界條件。相信以現今的大地工程技術能力，我們對於特定位置的土壤、岩石、地下水的性質，如果給予足夠的時間與經費，應可透過完備的調查與試驗合理掌握。另一方面，我們對於常見的大地工程設計課題，諸如樁基礎、邊坡穩定、深開挖等，也已發展出成套的設計程序與規範；對於訓練完備的大地工程師而言，只要賦予清楚的計畫需求及條件，相信能獲得可靠的設計成果。
然而經過這些年的實務歷練，對於以上的說法，我會建議工程師們，可能需要保持一點警戒及懷疑。
近數年來，由於全球氣候變遷的影響，環境條件極端化已是一個值得大地工程師省思的課題。雖然土壤與岩石的性質可以用試驗決定，惟仍應謹記無論調查計畫如何的完整，殘餘的不確定度必然存在，尤其是現地條件(如地下水位、鄰地地貌等)是否可能隨時間改變，工程師必須反覆思考；加上這些考量後，我們對於材料性質的選訂，也許會有不同的判斷標準。
我並不主張放棄現有的技術規範體系，但必須思考大地工程(或許可說是與環境條件相關的所有工程領域)的設計內容，不該只侷限於為發包施工的作業準備，而要將工程設計的內容延伸至完工使用階段；有人稱之為「生命週期」設計。其具體內容至少應包括有：(1)完工營運階段有能力監測環境條件的變化，(2)環境條件變遷超過原設計標準，應有調整應變機置。如此在完工後的使用階段，一旦環境條發生顯著差異時，才能維持工程應有的功能。
在國內，由於公共設施的建置與營運，常分屬不同單位負責，要實現這樣的改變也許並非容易。仍惟冀望以上不成熟的淺見，能引起工程界的注意，進而尋求合理的作法，使得我們的設計除了理論上精準外，更能進一步照顧到實務上全生命週期的功能周全。
|
|
|
| |
|
| Dimensional Analysis of Model Tests on Slopes |
|
| 陳榮河、紀柏全 |
|
| 邊坡、模型試驗、因次分析 |
|
| 邊坡模型試驗之目的在於利用縮小尺寸之物理模型，配合分析參數的簡化，由試驗結果推估原型邊坡之力學行為；因模型試驗之相似性對試驗之可行性與結果之可靠性影響很大，故須進行因次分析，以確保符合相似性。本文首先概述因次分析之原理及步驟，而後針對模型邊坡試驗常見之因次分析及重要參數進行說明，並對邊坡受地震力、水之影響、及加勁邊坡等情況分別介紹 |
|
| The purpose of conducting model tests on slopes is to understand the mechanical behavior of prototype slopes from the test results on small scale physical models with reduced number of variables of the problem. Dimensional analysis plays an important role in the models test, for it assures the feasibility and reliability of test results. In this article, the principle and procedures of dimensional analysis are introduced at first. Then the use of dimensional analysis on important variables as well as different types of model tests subject to seismic forces, reinforcements, and water are discussed accordingly. |
| |
|
| Measurement of Earth Pressure at-rest with Large-Scale Model Retaining Wall |
|
| 陳滄江、方永壽 |
|
| 靜止土壓力、模型試驗、土壓力計、擋土牆、砂 |
|
| 為了探討擋土結構物所承受的靜止土壓力，國立交通大學土木系設計並建造完整的大型擋土牆模型系統。此系統使用高勁度鋼板製作模型擋土牆及側牆，並採多支縱向鋼柱及橫向鋼樑加勁，以降低牆體可能的變形。側向土壓力的量測係藉由裝設於模型牆中央的16個土壓力計達成，每個土壓力計於試驗前都經過仔細的校正。為模擬平面應變狀況，土槽側牆鋪設膠膜式潤滑層以降低側牆摩擦力。試驗結果顯示，採霣降法所備置的氣乾渥太華砂試體，其均勻性良好。水平靜止土壓力隨覆土深度的增加呈線性增加，與Jaky公式的推估結果相符，此大型擋土牆模型可成為用來驗證以理論或數值方法求出之靜止土壓力的良好且可靠的研究工具。 |
|
| To investigate the earth pressure at-rest against retaining structures, an instrumented model retaining wall facility was developed at National Chiao Tung University. To achieve an at-rest condition, a stiff 1.6 m-high model wall and soil bin were made, so that the lateral wall deformation could be minimized. Sixteen soil-pressure transducers were attached to the center zone of the model wall to investigate the distribution of earth pressure at-rest. Air-dry Ottawa sand was used as backfill for the model wall experiments. Based on the experimental data, the following conclusions can be drawn about the build-up of horizontal stress with the filling of a loose cohesionless backfill. The distribution of earth pressure at-rest induced by the 1.5 m-thick loose backfill were approximately linear and in good agreement with Jaky’s theoretical solution. For the pluviated fill, the measured coefficient of earth pressure at-rest Ko would be independent of the thickness of backfill H. It is hoped that the NCTU non-yielding retaining-wall facility would provide a powerful tool to examine and justify the results obtained from theoretical and numerical studies based of many different assumptions. |
| |
|
| Seismic Behavior of Large Scale Model Slope in Shaking Table Test under 1-g Condition |
|
| 王國隆、林美聆 |
|
| 振動台試驗、相似律、放大效應、土壤動態性質 |
|
邊坡受震反應模型試驗一般以離心機試驗及振動台試驗為主，離心機以離心加速度作為模擬原型邊坡之準則，振動台試驗則在相同之重力條件下，以相似律來模擬原型邊坡之受震行為，本研究中則以振動台進行邊坡受震模型試驗。
在本研究中使用振動台模型試驗進行邊坡試體的試驗，試驗前亦針對材料的各項性質及模型邊界效應等逐一進行檢驗與分析，由試驗結果顯示，當模型邊坡受到低於0.4g之加速度時，坡體仍處於彈性狀態，加速度放大效應呈現等比例的增加，當加速度達到0.6g時，坡體則迅速進入塑性狀態並產生破壞。由Hardin&Drnevich(1972)的經驗式所求得之土壤動態性質，可以模擬試體彈性範圍時之受震反應，當試體應變增加時則必須考量模數衰減及非線性改變等影響。 |
|
The seismic slope model test is usually performed by using centrifuge modeling and shaking table test. Centrifuge model uses centrifuge acceleration as principal simulation law for prototype slope. The shaking table test under 1-g gravity force is based on the law of similarity to perform the test of the prototype slope. The shaking table model tests were used in this research.
Shaking table test for sandy slope specimen was performed. The material properties and boundary effects of the model were evaluated and verified before test. Results of shaking table test show that the slope remains in the state of elasticity when input acceleration is smaller than 0.4g, and the amplification effect increases with the input acceleration. However, slope behaves plastically when the input acceleration reaches 0.6g and the slope failure initiates. Dynamic soil properties obtained from the proposed method of Hardin and Drnevich (1972) can properly simulate seismic slope behavior under elastic mode. The effect of modul-us degradation and non-linear behavior should be taken into account when strain increased in slope specimens. |
| |
|
| Shaking Table Tests on Model Pile in Liquefiable Ground |
|
| 陳家漢、翁作新 |
|
| 振動台、基樁、土壤液化、物理模型試驗 |
|
| 本文簡要介紹可能液化地盤中模型樁振動台試驗，包括液化土層中樁基礎受震行為與破壞機制以及近年來國內外所進行之液化土壤中樁基礎動態物理模型試驗，最後介紹在國家地震工程研究中心大型雙軸向剪力盒中所進行之模型樁振動台試驗、初步成果以及未來實驗規劃。根據此試驗結果顯示樁基礎受振反應及樁土互制作用，主要受土層與基樁之顯著頻率、上部結構慣性力及地震力之頻率內含的影響。 |
|
| This paper presents briefly shaking table tests on model pile foundations in a liquefiable ground. It discusses the seismic behavior and failure mechanisms of pile foundations in liquefied sand and the recent dynamic physical model tests on pile foundation in liquefiable ground. The test setup, preliminary results and future plan of the physical model tests using a large biaxial laminar shear box (1.880 m×1.880 m×1.520 m) on the shaking table at the National Center for Research on Earthquake Engineering (NCREE) were also presented in this paper. It was found that the behavior of the model piles under shaking was affected by the soil specimen density, the dynamic characteristics of the piles and the surrounding soil, frequency content of earthquake shakings and the mass of the superstructure. |
| |
|
| Centrifuge Modeling and Applications on Slope Stability Investigation |
|
| 吳明淏、Hoe - I Ling |
|
| 邊坡穩定、地工離心機模型、極限平衡法、降雨強度、崩塌 |
|
| 為克服小模型因應力規模不足而無法反應真實土體結構物之應力應變行為，本研究使用地工離心機模擬不同邊坡模型之破壞行為，以確立地工離心機於邊坡穩定研究上之適用性。邊坡模型材料選用純砂及砂與15%及30%重量比之細粒料混合而成，並夯實至最佳含水狀態。以不同的坡高、傾角及土壤成份來構築邊坡模型進行試驗。另外，針對構築模型之土壤材料進行三軸及平面應變試驗，並以延伸的摩爾-庫倫破壞準則詮釋不飽和壓密土壤之土壤內摩擦角及視凝聚力。結合Bishop的圓弧形破壞理論與延伸的摩爾庫倫破壞準則，可有效的模擬邊坡的破壞行為。在應用上，本研究採砂混合15%細粒料之土樣及傾角60°之邊坡模型於離心機中進行不同強度降雨下之邊坡破壞實驗。實驗結果發現，由降雨所誘發之崩塌行為，可視為一種視凝聚力值降低的表現。藉由地工離心機進行之降雨模型試驗可提供不同邊坡崩塌之降雨門檻值與相應之強度延時臨界曲線，作為邊坡穩定研究之應用。 |
|
| In order to overcome the difficulty for simulation of stress-strain behavior of real soil structures due to stress level limitations, this research use a geotechnical centrifuge modeling technique in studying slope stability. The slope models were prepared from sand, and sand mixed with 15 and 30% fines by weight, compacted at optimum water content. The validity of the modeling technique was confirmed using slope models of different heights, inclinations, and soil types. The soil behavior was studied through triaxial and plane strain tests, and the extended Mohr-Coulomb failure criterion was found relevant for expressing the strength of unsaturated compacted soil based on the angle of internal friction and apparent cohesion. The Bishop’s circular failure mechanism, together with the extended Mohr-Coulomb failure criterion, was able to simulate the slope failure reasonably well. The rainfall of different intensities was then induced on the 60 deg stable slopes of sand with 15% fines. It was found that the failure of slope under rainfall may be interpreted as a reduction in apparent cohesion. The centrifuge tests also allowed the accumulated rainfall threshold and the rainfall intensity-duration threshold curve to be generated for the test slopes, which is a successful application on slope stability investigation. |
| |
|
| Geosynthetic-Reinforced Slope Model Test ～ Comparisons of Dynamic and Pseudo-Static Behavior
|
|
| 黃景川 |
|
| 地工合成物加勁邊坡、模型試驗、傾斜試驗、震動台試驗 |
|
| 本研究以高度為480 mm，坡角為60之地工合成物加勁邊坡(Geosynthetic-reinforced slope)模型進行擬靜態之傾斜試驗(Tilting test)及震動台試驗(Shaking table test)，探討動態加載時輸入波頻率及振幅大小對坡頂加速度增幅(Amplification)之影響。本研究同時探討加勁邊坡在擬靜態慣性力及動態之地震力作用下，其位移反應之相關性。本研究發現，加勁邊坡在正弦波之動態力作用下，坡頂之水平加速度增幅狀況隨著邊坡內部滑動面之有無(或邊坡之最大水平變位Dmax與坡高Ht之比值)而有顯著的不同。坡頂之加速度振幅比(Amplitude ratio, Am)隨輸入尖峰地表加速度HPGA值(或Dmax/Ht值)之增大而減小。從邊坡內部滑動面之發展過程可以發現，Am值隨著邊坡內部主要滑動面之發生，從Am > 1之加速度增幅反應逐漸轉變為Am < 1之加速度減幅狀態。因此，地工合成物加勁邊坡之耐震設計中，由於邊坡設計考量變位程度之不同，所需考慮的坡頂加速度增幅狀態亦有所不同。根據不同加載頻率(f = 3Hz, 6Hz, 15Hz)之Am vs. HPGA曲線，將Am = 1.0之HPGA值定義為邊坡從彈性(或完整)狀態進入塑性(或分割)狀態之臨界點，可發現臨界HPGA值隨正弦波頻率之減小(或週期之增大)而減小。當f = 3Hz時，臨界HPGA值約略等於擬靜態載重下之降伏慣性力khcg。此一結果初步証實Huang et al. (2008)之假說，認為擬靜態試驗中之側向慣性力施加方式近似於以週期相當大之動態加載所施加之慣性力。 |
|
| Four identical geosynthetic-reinforced slopes with a height of Ht = 480 mm, and a slope angle of = 60 were established and loaded to ultimate failure conditions via tilting box and shaking table test facilities. These reinforced slopes simulate idealized 2-D, round particle backfill, by using 150 mm-long, 1.96 mm-diameter stainless steel rods. Extensible non-woven geotextile reinforcement was used in conjunction with a 2 mm-thick aluminum facing plate which simulates a 51 mm-thick concrete facing for a 2 m-high reinforced soil slope. Shaking table tests were conducted under a uni-axial shaking condition, using sinusoidal single-cycle waves with frequencies of f = 3Hz, 6Hz, and 15Hz. For each series of tests with a specific wave frequency, input horizontal peak ground accelerations (HPGA) were step-wise intensified until the ultimate displacement state of the slope. It was found that the acceleration amplitude ratio (Am) at the crest of the slope is a function of HPGA (or Dmax/Ht), and wave frequency (f). They generally increase with the increase of f, while they decrease with the increase of HPGA (or Dmax/Ht). It was also found that a transition from an amplification state (Am > 1) into a de-amplification state (Am < 1) occurs when major sliding planes were extensively mobilized within the backfill. Test results generally support a hypothesis made earlier that the pseudo-static tilting load is a special case of dynamic seismic load with a significantly large period (or small frequency). |
| |
|
| Development and Implementation of In Situ Model Liquefaction Tests |
|
| 張文忠 |
|
| 土壤液化、物理模型試驗、超額孔隙水壓力、剪應變 |
|
| 現有土壤液化室內實驗，因受限於試體尺寸、土壤擾動及應力狀態等影響，其應用多所受限，而實務上利用現地指標試驗與半經驗公式評估液化潛能之方法亦具有相當之不確定性，解決之道為進行現地土壤液化監測與發展現地土壤液化試驗。本文介紹以重型震盪車為表面震源，以產生之應力波通過可量測土壤震動與孔隙水壓變化耦合反應之潛在液化區，對土層進行反覆剪動，並以剪應變取代剪應力作為擾動指標，發展可於現地進行之液化試驗，並應用此一技術量化評估垂直排水樁之抗液化效益，結果顯示僅考慮排水效應可顯著降低超額孔隙水壓比及震後沉陷。 |
|
| Implementations of laboratory testing results to practical projects are restricted due to small specimen size, sample disturbance, and representation of the state of stresses. Empirical correlations that correlated the cyclic stress resistance with in situ testing parameters are unreliable around the boundaries due to the assumptions and data used to develop the correlations. One of the alternative approaches is to develop an in situ soil liquefaction testing technique that measures the coupled shear strain-pore pressure responses in the field. This paper presents the development of an in situ liquefaction model test that cyclically shears the soil from the propagating of shallow stress waves induced from Vibroseis truck. Instrumentation techniques that can evaluate the induced shear strains and process the generated excess pore pressures are developed and deployed in liquefiable soil stratum. Cyclic strain approach that uses the shear strain amplitude as the key variable to describe the soil disturbance and the liquefaction resistance is adopted in data interpretations. The developed technique is used to quantitatively assess the effectiveness of vertical drains as a liquefaction countermeasure. The testing results show that the drainage provided by vertical drains can significantly reduce the generated excess pore pressure and associated settlement. |
| |
|
| Centrifuge Modeling on Compressive and Tensile Bearing Behaviors of A Single Pile |
|
| 黃俊鴻、李崇正、郭致均、周廷韋 |
|
| 壓力樁、拉力樁、離心模型試驗、摩擦力 |
|
| 本試驗以離心模擬試驗對模型樁進行樁載重試驗，探討在不同長徑比下基樁受壓與受拉時承載力與摩擦力之差異。利用三種不同樁徑比但長度相同(L/D=8.6, 14.3, 19)之模型基樁分別在乾砂中進行極限承壓與極限拔拉試驗。試驗過程中，先以1g環境條件下進行貫樁，之後再施加80g人造重力場條件下進行極限承壓與極限拉拔試驗，以模擬現地狀態下原型尺寸基樁之行為。試驗結果顯示，承壓樁的摩擦阻抗在極限破壞下明顯大於拉拔樁的摩擦阻抗。 |
|
| This study conducted a series of centrifuge model test to investigate bearing behaviors of a pile subjected to compressive and tensile loadings. Three different slender ratios of piles with the same embedded length were designed in the test. During the test, the model pile was first driven into the dry sand at 1g condition, and then an artificial gravity of 80g was applied to the model in the centrifuge to simulate a full-scale prototype situation. From the results, the smaller the slender ratio, the pile skin friction in compressive condition is significantly larger than the one in tensile condition. |
| |
|
| Centrifuge Modeling on Breaking Failure Behavior of Superimposed Geosynthetic Reinforced Earth Wall |
|
| 洪汶宜、李崇正、陳慧慈 |
|
| 離心模型模擬、雙階加勁擋土牆、退階距離 |
|
| 過去針對柔性包覆式雙階加勁擋土牆的研究中，鮮少利用大尺寸或物理模型試驗的方式驗證其破壞機制，在美國聯邦高速公路管理局的設計規定中亦多為經驗上的建議。因此，本研究以離心模型模擬的方法，探討不同退階距離及加勁材料配置方式對柔性包覆式雙階加勁擋土牆破壞行為的影響。試驗結果顯示(1)當退階距離小於(H1+H2)/6.8時，牆體應以單階加勁擋土牆作設計，加勁長度至少需要0.7(H1+H2)。(2)夾角為 的理論平面破壞面即可完整包絡破壞區域；(3)加勁擋土牆的內部側向土壓力會隨著加勁層數增加而減少，亦隨著牆體等值傾角的降低而減少。 |
|
| Rare full scale or small scale experiments were performed to investigate the failure mechanism of superimposed geosynthetic reinforced earth wall (SGREW). Several empirical design rules were suggested in FHWA-NHI-00-043. The objective of this study is to investigate the effects of offset distance and reinforcement arrangement on the failure behavior of SGREWs. From the test results, several conclusions can be drawn. (1) If the offset distance is smaller than (H1+H2)/6.8, the SGREW should be designed as a single wall with reinforcement length of 0.7(H1+H2). (2) The failure wedges can be included by the plane failure surface with angle of . (3) If the reinforcement layers are between 8 and 16, the lateral earth pressure decreases with increasing reinforcement layers and decreasing equivalent wall inclination. |
| |
|
| Liquefaction of Sand Deposits Modeled in 1-D Centrifuge Shaker |
|
| 李崇正、陳慧慈、魏雨辰、鄺伯軒、連紘震、洪汶宜、何泰源、吳文隆 |
|
| 離心模型試驗振動台試驗、液化、動畫模擬 |
|
| 本文先介紹離心模型試驗原理及離心模型試驗的因次律。然後利用1-D離心模型振動台試驗，模擬飽和砂地盤及含薄沉泥夾層的飽和砂地盤，受到一維水平振動的地盤反應及超額孔隙水壓的激發及消散過程。試驗結果顯示，利用1-D剪力梁理論，可以掌握地盤液化過程中，剪力模數的衰減情形。不同深度處的薄沉泥夾層，會造成地盤受振反應及超額孔隙水壓激發及消散顯著的不同。將動態試驗的成果利用電腦動畫來模擬，可以有效表現試驗成果，增加研究者對地盤液化時受振反應的了解。 |
|
| The principle of geotechnical centrifuge modeling and the scaling laws used in the modeling are introduced. A series of 1-D centrifuge shaking table test was conducted to investigate the seismic responses for the saturated sand deposits without or with a thin layer of silt at different depths. A 1-D shear beam theory was adopted to construct the shear stress-shear strain relation for the sand deposits during shaking. Visualization of the seismic response on the liquefied sand deposit is demonstrated as well. |
| |
|
|
|
|
|
|
|