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研究生: 陳建勝
Chien-Sheng Chen
論文名稱: 深開挖有限土體引致之土壓力分析與應用
Analysis and Application of Earth Pressure Induced by Deep Excavation of Finite Soil Body
指導教授: 林宏達
Horn-Da Lin
口試委員: 林永光
none
歐章煜
none
楊國鑫
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 92
中文關鍵詞: 有限土體深開挖土壓力
外文關鍵詞: Finite Soil Body, Deep Excavation, Earth Pres
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  • 都會區進行深開挖工程,既有建築物地下室與擋土壁之間,形成有限寬度的土體。國內外若干開挖經驗顯示,此種有限土體引致之土壓力較無限土體引致之土壓力為小。因此,本研究擬針對在有限土體條件下之土壓力分析和應用進行深入探討。有限土體包括非凝聚性及凝聚性土壤。本研究首先採用極限平衡法推導深開挖有限土體土壓力與距牆比(L/H)關係,接著採用有限元素法進行數值模擬分析,兩者皆呈現相同變化趨勢。目前研究結果顯示,於保守情況下不考慮牆摩擦影響,非凝聚性土壤<35°且距牆比(L/H)<0.5時有限土體對土壓力之影響相當顯著,分析時應加以考量。當距牆比(L/H)≧0.7,有限土體主動土壓力係數趨向定值,可視為一般土體。非凝聚性土壤可採用有限土體主動土壓力係數經正規化之折減值Rd來求得其土壓力。凝聚性土壤則建議採用等值有限土體主動土壓力係數來計算土壓力。經由兩個案例反算及模擬分析,結果顯示壁體變位分析值與量測值相當符合,誤差約為10%~20%。因此採用上述方法進行開挖評估分析應屬可行,可提供深開挖設計參考。


    In an urban region, the design of a deep excavation project commonly involves the existing of adjacent buildings. Former studies have indicated that the earth pressure induced by the finite soil body is smaller than that caused by infinite soil mass. Therefore, this study intends to analyze the earth pressure characteristics and discuss thoroughly its application in the condition of finite soil body. Both cohesive and cohesionless soils are considered in this study. By adopting the theory of limit equilibrium method, this study first develops the relationship between the earth pressure and L/H relationship (in which L is the free length of soil mass and H is the excavation depth). This development is then numerically verified by finite element method. It is observed that to be conservative, the influence of the wall friction need not be taken into account. Under this circumstance, for cohesionless soil with friction angle  < 350 and ratio L/H < 0.5, the earth pressures vary significantly at various L/H values and should be considered. On the other hand, when the ratio L/H  0.7 the earth pressure coefficient converges to that of infinite soil mass. For cohesionless soil, the lateral earth pressure of finite soil body can be determined by the normalized reduction factor Rd. For cohesive soil, the lateral earth pressure can be calculated using the equivalent coefficient of lateral earth pressure of finite soil mass. This study presents the analyses of two case histories to verify these foregoing findings. The results exhibit good agreement between the calculated and the measured values. The error is about 10to 20%. Thus, the methods developed in this study can be adopted for the design of deep excavation.

    目錄 論文摘要 I ABSTRACT II 誌謝 IV 目錄 V 表目錄 VIII 圖目錄 IX 第一章 前言 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究內容及流程 2 第二章 文獻回顧 6 2.1 主動土壓力理論 6 2.1.1 Rankine土壓力理論 6 2.1.2 Coulomb土壓力理論 9 2.2 設計用土壓力 11 2.2.1 非凝聚性土壤 11 2.2.2 凝聚性土壤 12 2.3 有限土體土壓力分析評估 13 2.3.1 開挖深度轉換法 13 2.3.2 庫倫土壓力轉換法 14 2.3.3 加勁擋土牆窄牆土壓力評估法 16 2.3.4 極限平衡法之有限土體土壓力推導 17 第三章 有限土體土壓力極限平衡法分析 21 3.1 分析模式之理念及架構 21 3.2 極限平衡法分析模式 23 3.2.1 非凝聚性土壤 23 3.2.1.1無考慮牆摩擦 23 3.2.1.2考慮牆摩擦 29 3.2.2 有限土體主動土壓力折減值 30 3.2.3 凝聚性土壤 32 3.2.4 Su適用範圍 35 第四章 有限土體土壓力數值分析 37 4.1 分析軟體說明 37 4.1.1 土壤模式說明 37 4.1.2 土壤彈塑性模式 38 4.1.3 莫爾-庫侖模式的基本參數 41 4.1.4 分析使用之元素 43 4.1.5 分析模擬之說明 44 4.1.6 土壤參數之決定 44 4.2 無凝聚性土壤 46 4.3 凝聚性土壤 54 第五章 案例分析 57 5.1 有限土體土壓力於深開挖模擬分析流程 57 5.2 RIDO程式簡介 60 5.3 開挖回饋分析案例一 63 5.3.1 工程概況 63 5.3.2 土層狀況與土壤參數之說明 65 5.3.3 結構物參數之說明 66 5.3.4 監測系統概述 66 5.3.5 RIDO分析施工步驟之模擬 67 5.3.6 分析結果之比較 68 5.4開挖回饋分析案例二 72 5.4.1 工程概況 72 5.4.2 土層狀況與土壤參數之說明 74 5.4.3 結構物參數之說明 74 5.4.4 監測系統概述 75 5.4.5 RIDO分析施工步驟 76 5.4.6 分析結果之比較 77 第六章 結論與建議 81 6.1 結論 81 6.2 建議 83 附錄A RIDO輸入參數 87 表目錄 表 2.1 側邊為相鄰構造物時擋土牆之變形量估算法 15 表 3.1 有限土體土壓力分析法比較 23 表 3.2 有限土體破壞角度與、L/H關係(無考慮牆摩擦) 27 表 4.1 無凝聚性土壤輸入參數表 47 表 4.2 凝聚性土壤輸入參數表 54 表 5.1 案例一簡化土層參數表 65 表 5.2 案例一結構元素參數表 66 表 5.3 案例一回饋分析輸入參數 69 表 5.4 案例一回饋分析結果 69 表 5.5 案例二簡化土層參數表 74 表 5.6 案例二結構元素參數表 75 表 5.7 案例二回饋分析輸入參數 77 表 5.8 案例二回饋分析結果 78 圖目錄 圖 1.1 大樓地下室擋土結構間有限土體之穩定性及引致之土壓力 3 圖 1.2 兩棟大樓同時開挖構築時,擋土結構及支撐系統互為影響 3 圖 1.3 有限土體引致之土壓力 4 圖 1.4 研究計畫流程 5 圖 2.1 摩爾圓與土壓力 8 圖 2.2 主動與被動Rankine土壓力 8 圖 2.3 飽和黏土受不排水剪力作用所產生的主動土壓力 9 圖 2.4 Coulomb主動土壓力 11 圖 2.5 有限土體主動土壓力評估 13 圖 2.6 鄰近接構造物擋土壁變形量評估分析 15 圖 2.7 加勁窄牆土壓力係數折減值Rd 17 圖 2.8 極限平衡法之有限土體土壓力 18 圖 2.9 有限土體受力分析圖 19 圖 2.10 滑裂土體作用多邊形及計算圖 20 圖 3.1 有限土體土壓力分析模式流程圖 23 圖 3.2 大樓地下室擋土結構間有限土體剖面圖 24 圖 3.3 有限土體主動土壓力分析剖面 25 圖 3.4 有限土體主動土壓力分析剖面(無考慮牆摩擦) 25 圖 3.5 有限土體破壞角度與、L/H關係(無考慮牆摩擦) 28 圖 3.6 主動土壓力係數與L/H關係 29 圖 3.7 有限土體主動土壓力分析剖面(考慮牆摩擦) 30 圖 3.8 K與L/H關係圖('=10°~40°) 31 圖 3.9 Rd與L/H關係圖('=10°~40°) 31 圖 3.10 有限土體主動土壓力分析剖面(凝聚性土壤考慮牆摩擦) 32 圖 3.11 凝聚性土壤K與L/H關係圖(不考慮牆摩擦) 36 圖 3.12 凝聚性土壤K與L/H關係圖(考慮牆摩擦) 36 圖 4.1 Mohr- Coulomb之彈性-完全塑性應力-應變關係 39 圖 4.2 無凝性土壤數值分析剖面 47 圖 4.3 有限元素分析網格 48 圖 4.4 土壤有效水平應力與合力 48 圖 4.5 凝聚性土壤K與界面元素R關係圖(數值分析)力 50 圖 4.6 無凝聚性土壤各深度有效水平應力(數值分析) 51 圖 4.7 無凝聚性土壤分析破壞塑性點(數值分析) 51 圖 4.8 無凝聚性土壤K與L/H關係圖(數值分析) 52 圖 4.9 無凝聚性土壤Rd與L/H關係圖(數值分析)Ka:Rankine 52 圖 4.10 無凝聚性土壤Rd與L/H關係圖(數值分析)Ka:Coulomb 53 圖 4.11 極限平衡法與有限元素法數值分析結果比較 53 圖 4.12 凝聚性土壤各深度有效水平應力圖(不計張力區) 55 圖 4.13 凝聚性土壤各深度有效水平應力圖(張力區計入) 55 圖 4.14 凝聚性土壤K與L/H關係圖(數值分析) 56 圖 4.15 凝聚性土壤K與L/H關係圖(數值分析) 56 圖 5.1 案例模擬分析流程圖 59 圖 5.2 RIDO模擬分析決定影響土層示意圖 60 圖 5.3 RIDO程式之荷重-變形關係 61 圖 5.4 基地位置圖 64 圖 5.5 案例一開挖剖面圖 64 圖 5.6 案例一SID2開挖變位圖 70 圖 5.7 案例一SID4開挖變位圖 71 圖 5.8 案例二平面圖 73 圖 5.9 案例二監測平面圖 73 圖 5.10 案例二開挖剖面圖 73 圖 5.11 案例二SID2開挖變位圖 80 圖 5.12 案例二SID8開挖變位圖 80

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