Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of 背拉式擋土止滑排樁之 力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 授課教授:宋國彰 教授 指導教授：林德貴 教授 碩士班學生：陳家棟

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 前言 文獻回顧 研究方法 結果與討論

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 前言 研究動機: 臺灣地區位於板塊擠壓處，地震頻繁，地質破碎，山地形勢陡峭，，倘若遭逢梅雨、颱風季節所帶來之集中性豪雨，常引發大規模之落石、土石流或地滑等邊坡崩坍災害，嚴重危害山區交通運輸及產業經濟之發展。山區邊坡之崩塌災害處置，不論是搶修或復建皆須在短時間內完成施工，且施工經費有限，所以最常用之工法為擋土排樁或背拉式擋土排樁，而目前國內外文獻已有針對排樁之抵抗力和彎矩、地錨施設尺寸與預力變化及邊坡穩定之效益進行數值分析。 研究目的: 數值分析上因條件限制而進行許多簡化之假設，且參數之設定亦不周詳，研究成果應用於現地邊坡仍有待改善。因此，本研究以背拉式擋土排樁應用於山區道路之邊坡穩定，建立三維數值模型並進行多組設計參數，以探討排樁及地錨與邊坡間之力學互制機制及邊坡穩定性之貢獻，期望做為日後山區邊坡之施工設計評估。 監測結果 背拉式 擋土排樁 三維有限元素 數值分析 宜專一線 地滑區

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 排樁之設計原則 (a)切排樁(tangent pile wall) (b)疊排樁(secant pile wall) (c)交錯排樁(staggered pile wall) (d)間隔排樁(spaced pile wall)

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 排樁之設計原則 樁徑 (1)國內常用場鑄樁之樁徑為0.6 m~1.2 m。(施工安全技術手冊，2000) (2) RC排樁樁徑至少要50 cm以上才符合安全考量。(倪至寬，2004) 打設長度 樁型式 普通樁長(m) 最大樁長(m) 鋼 15~60 沒有限制 預鑄混凝土 預鑄 10~15 30 預力 10~35 60 加套場鑄混凝土 5~15 15~40 未加套場鑄混凝土 30~40

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 排樁之設計原則 打設間距 排樁間距通常需介於2~4倍樁徑之水平間距才能發揮土拱效，有效阻止邊坡滑動。(Duncan and Wright, 2005) 樁型 限制條件 木樁 中心間距不得小於樁頭直徑之2倍，且不得小於60 cm。 預鑄混凝土樁 中心間距不得小於樁頭直徑之2.5 倍，且不得小於75 cm。 鋼樁 中心間距不得小於樁頭寬度或直徑之2 倍，且不得小於75 cm。若採用底部封閉式之鋼管樁，中心間距不得小於樁 徑之2.5 倍，且不得小於75 cm。 場鑄混凝土樁 中心間距不得小於樁頭直徑之2.5倍，且不得小於樁直徑加1 m。 擴座基樁 中心間距不得小於樁頭直徑之3.0 倍，且不得小於擴座寬度加1 m。

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 地錨之設計原則 (a)錨碇段:提供錨定力之部分。　 (b)自由段:抗張材受拉伸張及傳遞錨碇力至錨頭之部分。 (c)錨頭:承受鎖定抗張材及傳遞錨碇力至承壓結構之部分(鎖定器、承壓鈑及錨座)。

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 地錨之設計原則 地錨傾角:須在水平面±10º以外。 地錨施設尺寸 (1)自由段長度(Lf )之設計至少 > 4 m 。 (2)錨定段長度(Lg )之設計為 3~10 m 。(地錨設計與施工準則暨解說, 2001) 地錨間距 相關規範 最小間距建議值 FIP (1982) 4倍之錨碇段直徑，或一般不小於1.5 m BSI (1989) 4倍之錨碇段直徑以上，一般採用最小間距範圍為1.5~2 m PTI (1980) 6倍之錨碇段直徑以上，1.2 m AASHTO (1992) 4倍之錨碇段直徑以上，1.2 m DIN (1988) 工作荷重達70噸之地錨，其錨碇段中心距最小為1公尺；達130噸之地錨，其錨碇段中心距最小為1.5 m，否則須併用鄰近數支地錨，同時進行加載，並觀測之。

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 排樁及地錨與土壤互制力學行為 使用基樁增加邊坡穩定性，其主要原理係基樁藉由足夠的入岩深度及樁體本身之勁度，提供側向反力與抗剪力以抵抗邊坡滑動產生之下滑力。一般樁體依其受力情形可分為下列兩種型式：

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 排樁及地錨與土壤互制力學行為 排樁間之土拱效應 平臺中ab之間有一處活門(trap door)可向下移動。當ab逐漸的向下移動，則作用於ab上的壓力會逐漸減少。且ac及bd間之土壤產生了剪力阻抗，進而阻止向下滑動的趨勢。而原本作用於ab上的應力經由ac、bd面上的剪力傳遞到周圍之區域，其垂直應力分布如圖所示。此種應力傳遞現象稱之為拱效應(arching effect)。

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 排樁及地錨與土壤互制力學行為 排樁打設位置對邊坡穩定性之影響 使用有限元素法中之強度折減法，當排樁打設位置於邊坡中間時，其安全係數較高；而採用Bishop簡化法，當打設位置為中間靠坡頂處時，安全係數較高。(Cai and Ugai, 2000)

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 排樁及地錨與土壤互制力學行為 排樁打設間距對邊坡穩定性之影響 排樁間距在S/D=8條件下，隨著相鄰兩排樁間之滑動剖面遠離排樁而到樁間中點處，原本被排樁阻斷而形成兩滑動面會逐漸合而為一成原始潛勢滑動面。 (Wei and Cheng , 2009)

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 排樁及地錨與土壤互制力學行為 錨碇段長度對錨碇力之影響 增加地錨之錨碇段長度可提高地錨之錨碇力，但由許多試驗和分析成果顯示出，當地錨之錨碇長度超過一定值時，錨碇段周圍土壤之強度無法同時發揮，進而產生明顯之漸進式降伏行為，導致錨碇力無法隨著錨碇段長度之增加而有效的提升。

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 排樁及地錨與土壤互制力學行為 地錨傾角對錨碇力之影響 莊棓景(2004)在不同傾斜角度下，改變埋入深度、覆土深度及錨碇段長度時，其尖峰摩擦力下之側向土壓力Kf均小於被動土壓係數，但大於靜止土壓力係數，且Kf值隨傾斜角度的增加而減少

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 文獻回顧 數值分析程式 : PLAXIS 3D Plaxis為1987年由荷蘭Delft大學所開發之，最初目的是為了開發一個易於使用之2D有限元素程式，並用以分析荷蘭低海拔地區軟弱土層中建造河堤時之大地力學行為。荷蘭Delft大學於1993年成立Plaxis公司。而PLAXIS 3D為Plaxis 公司所發行的其中一套有限元素分析程式，用於大地工程相關之大地變形、穩定及地下水分析，並廣泛被運用在各類岩、土工程分析，如基礎開挖、堤防及隧道等工程。

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 研究區域

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 傾斜管編號C-B-A監測資料

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 研究執行流程圖

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 數值模型-幾何模式 孔號 (m) 深度範圍(m) 堆石填充 粘土築堤 風化粘土層 粘土層 BH-1 BH-2 0~8 8~9 9~18 BH-3-A 0~1.5 1.5~8 BH-4-A 0~1.75 1.75~8 BH-5-A 0~1.9 1.9~8 BH-6 BH-7 35.6m

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 數值模型-邊界條件 水平位移束制邊界 (滾輪邊界，roller boundary) 四周側面 位移完全束制邊界 (鉸接邊界，hinge boundary) 底面

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 數值模型-土壤材料參數 Soil Layer Model (Material Type) unsat (sat) (kN/m3)  c (kPa)   (°)  E kx . ky. kz (m/day) 堆石填充 Mohr-Coulomb (drained) 19 (22) 0.30 0.5 35 1.4104 3.499 Soil Layer Model (Material Type) unsat (sat) (kN/m3) λ* κ* c (kPa)   (°)  kx . ky. kz (m/day) 粘土築堤 Soft-soil (drained) 19 (21) 0.061 0.022 35 28 0.6238 風化粘土層 (22) 0.064 0.026 1 25 0.04752 粘土層 20 (23) 0.063 0.024 5 30 0.2478 E  =600(SPT-N)+6+2000 (kPa) , (for gravelly sand with SPT-N>15) (Bowles, 2001) E  colluvium=600(50)+6+2000=35600 。

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 數值模型-結構材料參數 擋土排樁材料特性 材料種類  樁徑D (m) 樁斷面積特性 As及Ac (m2) 混凝土強度fc' (kg/cm2) 楊氏模數E (kPa) 鋼筋 TYPE1 0.025 0.00051 - 2.00108 TYPE2 0.032 0.00082 混凝土 1.000 0.2825 280 2.46107  

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 數值模型-結構材料參數 選用 Embedded pile E (kPa)  (kN/m3) Pile type選用功能 Predefined pile type D (m) A (m2) I3 (m4) I2 Tmax (kN/m) Fmax (kN) 離散樁 上半部 (Type1) 2.49107 23.52 Predefined Massive cirular pile 0.6 0.283 0.006362 88.74 700 下半部 (Type1+Type2) 2.54107 93.41 E=楊氏模數；=單位體積重；D=樁徑; A=樁總斷面積；I3=3-軸(Y-軸)慣性矩= Iy；I2=2-軸(X-軸)慣性矩= Ix Es =鋼筋楊氏模數；Ec =混凝土揚氏模數; Epile =排樁楊氏模數= (EsAs+EcAc)/Apile Tmax=排樁之最大樁身摩擦力；Tmax 參考Das (2007)之建議 p=樁斷面之周長; f=任意深度z處之樁身單位摩擦力; Ko=1-sin =靜止土壓力係數; v =臨界垂直有效應力= D ;  =土-樁介面摩擦角=(0.5~0.8) Fmax=排樁之最大端點阻抗力

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 數值模型-數值模擬執行 phase Start from Calculation type Model description Initial phase Gravity loading - Phase 1 Plastic Piles installations Phase 2 Rockfill Phase 3 Consolidation 42 days Phase 4 Safety Phase 5 1345 days Phase 6

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 坡度級別 坡度()範圍() 一級坡 ≦2.86° 二級坡 2.86°＜≦8.53° 三級坡 8.53°＜≦16.70° 四級坡 16.70°＜≦21.80° 五級坡 21.80°＜≦28.81° 六級坡 28.81°＜≦45° 七級坡 ＞45° 研究方法 數值模型-幾何模式 坡高(m) 百分比(%) 0＜H≦15 44 15＜H≦25 25 35＜H≦45 13 45＜H 18 高崩塌潛勢路段 四周側面為水平位移束制邊界 (滾輪邊界，roller boundary) 。 底面為位移完全束制邊界 (鉸接邊界，hinge boundary)。

Predefined pile type選項 背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 數值模型-幾何模式 土壤材料參數 Soil Layer unsat (sat) (kN/m3)  c (kPa)   (°)  E kx.ky.kz (m/day) Rinter 崩積層 19 (21) 0.3 5 25 3.56104 3.499 0.75 結構材料參數 選用材料 E (kPa)  (kN/m3) Pile type選項 Predefined pile type選項 D (m) A (m2) I3 (m4) I2 Tmax (kN/m) Fmax (kN) Embedded pile 2.36107 23.52 選用Predefined 選用Massive circular pile 1 0.785 0.04909 235 700

Embedded pile (Grout body) 背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 數值模型-幾何模式 結構材料參數 選用元素 A (m2)  (kN/m3) E (kN/m2) I3 (m4) I2 Beam 1.3 78.5 3107 0.1083 0.1831 選用元素類型 E (kN/m2)  (kN/m3) D (m) A (m2) EA (kN) pre-stress force Ttop,max (kN/m) Tbot,max Fmax Node-to-node Anchor - 2.38105 588.6 Embedded pile (Grout body) 3107 24 0.14 0.01539 490.8

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 研究方法 數值模型-數值模擬執行 phase Start from Calculation type Model description Initial phase Gravity loading - Phase 1 Safety Phase 2 Plastic Piles installation Phase 3 Phase 4 Tied-Back Retaining Pile installation Phase 5

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 結果與討論 現地擋土排樁穩定邊坡之穩定性 FS=1.231 FS=1.339 FS=1.335

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 結果與討論 現地擋土排樁穩定邊坡之穩定性

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 結果與討論 地錨傾角 θ=10, FSp+a=1.117 θ=20, FSp+a=1.120 θ=30, FSp+a=1.281 θ=40, FSp+a=1.105

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 結果與討論 地錨預力 T=40t, FSp+a=1.267 T=50t, FSp+a=1.281 T=60t, FSp+a=1.266

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 結果與討論 排樁打設位置 Lx=0.3 Lx=0.4 Lx=0.5 FS=1.112 FS=1.117 FS=1.127 Lx=0.6 Lx=0.7 FS=1.137 FS=1.107

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 結果與討論 排樁打設長度 Lp=6, FSp=1.093 Lp=9, FSp=1.150 Lp=12, FSp=1.242 Lp=6, FSp+a=1.275 Lp=9, FSp+a=1.284 Lp=12, FSp+a=1.278

背拉式擋土止滑排樁之力學行為三維數值分析 Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Tied-Back Retaining Piles Stabilized Slope 結果與討論 (1)Hildenborough地滑區邊坡，與未整治者比對，擋土排樁穩定工整治後之潛在滑動面，將被侷限在很小的區域，且穩定性安全係數(FS值)，由FS=1.231提升為1.339。雖然FS值增加有限，但整治後之潛在滑動面，在臨界狀態時(FS=FSmin)之總位移增量較未整治者則大幅減小。 (2)當提高地錨預力Ta：405060 t時，預力對邊坡穩定性並無明顯影響(FS值較接近)。因此，藉由增加地錨預力來提升邊坡穩定性，其效果可能有限；另外，若地錨傾角θ=10~40(以10增量來改變)，則θ=30時之FS值最大。本研究分析結果推估其原因為：潛在滑動面與θ=30配置之地錨大致呈垂直。 (3)當排樁打設位置較接近坡面中央區域(Lx/L=0.5)時，穩定性安全係數將隨之提升；另外，在固定打設間距(S/D=6)條件下，若將排樁打設長度(Lp=6、9、12 m)加深，則FS值隨之增加，且與未施作地錨之情況相比較，施作地錨之效果在其能縮小潛在滑動面發展之範圍，進而可間接減緩擋土排樁承受之側向土壓力，並提高其抗滑能力。

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