背拉式地錨及擋土止滑排樁穩定邊坡之 力學行為三維數值分析

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1 背拉式地錨及擋土止滑排樁穩定邊坡之 力學行為三維數值分析
Three-Dimensional Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of Back Pull-Anchors and Retaining Shear Piles Stabilized Slope 授課老師 : 陳文福 教授 指導老師 : 林德貴 教授 簡報學生 : 林韋君 簡報日期 : 2013/4/12

2 簡報大綱 2 第一章 前言 第二章 文獻回顧 第三章 研究方法

3 3 前言

4 前言 4 災害 治理 設計 評估

5 5 文獻回顧

6 文獻回顧(1/9) 擋土止滑排樁之實務運用 6 6 排樁運用類型
(a)互切排樁(tangent pile wall) (b)互疊排樁(secant pile wall) (c)交錯排樁(staggered pile wall) (d)間隔排樁(spaced pile wall) 排樁之設計原則(樁徑、打設長度、打設間距) (a) 國內常用預壘樁樁徑為30 cm~60 cm。(施工安全技術手冊，2000) (b) RC排樁樁徑至少要50 cm以上才符合安全考量。(倪至寬，2004) (1)樁徑 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 (2)打設長度 (DAS, 2007) 排樁間距通常需介於2~4倍樁徑之水平間距才能發揮 土拱效應，有效阻止邊坡滑動。(Duncan and Wright, 2005) (3)打設間距 6

7 文獻回顧(2/9) 擋土止滑排樁與土壤互制力學行為 7 排樁之受力行為 主動樁(active pile) 被動樁(passive pile)
排樁間之土拱效應 活門(trap door)可向下移動。當ab向下移動，原本作用於ab上的應力經由ac、bd面上的剪力傳遞到周圍的區域。這種應力傳遞現象稱之為拱效應(arching)。 (Terzaghi, 1967)

8 文獻回顧(3/9) 1.樁徑 0.8~1.2m 2.樁長 5~30m 3.典型邊坡模型 擋土止滑排樁數值模擬
排樁尺寸及排樁穩定邊坡之幾何模型 1.樁徑 0.8~1.2m 2.樁長 5~30m 3.典型邊坡模型 8

9 文獻回顧(4/9) 擋土止滑排樁數值模擬 9 排樁打設位置對邊坡穩定性之影響 排樁在邊坡中點處有最高安全係數
(Cai and Ugai, 2000) (Jeong et al., 2003) (Won et al., 2005) Wei and Cheng (2009)則認為排樁最佳位置應介於斜坡中點與無樁臨界滑動面中點 Ashour et al. (2012)認為在邊坡中點處到坡址之間有最高安全係數。 (Ashour et al., 2012)

10 文獻回顧(5/9) 擋土止滑排樁數值模擬 10 排樁打設間距對邊坡穩定性之影響 安全係數隨著排樁打設間距變大而減少
(Won et al. , 2005) (Ashour et al. , 2012) (Poulous et al. ,1995) (Cai and Ugai , 2000) (Jeong et al. , 2003) Wei and Cheng (2009)觀測排樁間不同剖面下之滑動面。發現當排樁間距夠大，隨著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。

11 文獻回顧(6/9) 地錨之實務運用 1.邊坡之穩定 5.防止隧道之崩塌 2.擋土牆之支撐 6.增加重力壩之穩定 3.橋墩基礎之穩定
11 地錨之實務運用 地錨運用類型 1.邊坡之穩定 5.防止隧道之崩塌 2.擋土牆之支撐 6.增加重力壩之穩定 3.橋墩基礎之穩定 7.基樁載重試驗之錨定裝置 4.抵抗建築物基礎之上揚力 8.深開挖之背拉式支撐 地錨之設計原則(錨碇段、自由段、錨頭) 錨碇段 : 提供錨碇力之部分。 自由段 : 抗張材受拉伸張及傳遞錨碇力至錨頭之部分。 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)。

12 文獻回顧(7/9) 地錨與土壤互制力學行為 (a) 摩擦阻抗型 (b) 承載阻抗型 (c) 複合 (摩擦+承載) 型 12
地錨之錨碇行為機制 (a) 摩擦阻抗型 (b) 承載阻抗型 (c) 複合 (摩擦+承載) 型

13 文獻回顧(8/9) 地錨與土壤互制力學行為 13 地錨間之群錨效應
　　當地錨設置間距太接近時，因其周圍土壤破壞區域重疊，造成其行為與單錨不同，而使其整體錨碇力有減少的現象，稱之為群錨效應。 　　陳珍貴(1991)，「砂土中地錨間距對錨碇行為影響之模型研究」中，以改變水平間距及垂直間距之方式來探討雙錨之互制效應。試驗結果發現當水平間距及垂直間距愈大時，地錨間之應力重疊影響愈小。 　　王少濂(2003)，「砂土中擴座地錨互制行為之研究」中，對淺層地錨及深層地錨於不同水平間距下進行數值分析。研究結果顯示，淺層地錨之拉拔力及摩擦力在在水平間距為 7 倍地錨直徑、面承力在 10 倍地錨直徑時不受群錨效應之影響；深層地錨之拉拔力和摩擦力則於在 Sh=6D 後之群錨效應係數之變化較不明顯。

14 文獻回顧(9/9) 地錨力學行為數值模擬 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1.5m
14 地錨力學行為數值模擬 地錨之設計 地錨傾角須在水平面±10º以外。 地錨間距 自由段長度之設計 (至少 > 4m) 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1.5m BSI (1989) 4倍之錨碇段直徑以上，一般採用最小間距範圍為1.5~2m PTI (1980) 6倍之錨碇段直徑以上，1.2m AASHTO (1992) 4倍之錨碇段直徑以上，1.2m DIN (1988) 工作荷重達70噸(700 kN)之地錨，其錨碇段中心距最小為1公尺；達130噸(1300 kN)之地錨，其錨碇段中心距最小為1.5公尺，否則須併用鄰近數支地錨，同時進行加載，並觀測之。

15 15 研究方法

16 研究方法(1/5) 背拉式地錨排樁穩定邊坡監測案例 濕單位重(kN/m3) 飽和單位重 (kN/m3) 凝聚力 (kPa) 摩擦角 (度)
16 背拉式地錨排樁穩定邊坡監測案例 宜專一線地滑區 　　宜專一線10.8K工區為地滑潛勢區，其地滑跡象極為顯著，林務局羅東林區管理處已於民國100年4月辦理宜專10.8K工區地滑整治工程，採用抗滑樁與預力地錨改善地滑潛勢，並完成抗滑樁施工與地錨施加預力。然而，此區於蘇拉颱風後發生明顯的地層變位情形，故有分析此工區邊坡穩定安全性之必要。 　　參考10.8K工區之前期地質鑽探結果，知其地層可分為以下三類 : 邊坡穩定分析材料參數 濕單位重(kN/m3) 飽和單位重 (kN/m3) 凝聚力 (kPa) 摩擦角 (度) 崩積層 19 22 27 嚴重至 重度破碎岩層 20 23 25 26 輕度破碎至 完整岩層 24 100 36

17 埋入樁元素 (Embedded pile之局部座標軸)
研究方法(2/5) 17 數值分析程式 : PLAXIS 3D (2010) 理論背景 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。 元素型式 土壤元素 (Element) 埋入樁元素 (Embedded pile之局部座標軸)

18 研究方法(3/5) 土壤材料模式 莫爾-庫倫(M-C)準則 :
18 土壤材料模式 莫爾-庫倫模式 (Mohr-Coulomb model) 莫爾-庫倫(M-C)準則 : 假設土壤為一理想彈-塑性材料，於到達破壞降伏點前，材料之應力-應變曲線呈線性關系。 M-C準則之主要土壤材料參數為： (1) E：楊氏模數 (Young’s modulus)； (2) ：柏松比 (Poisson’s ratio)； (3) c：凝聚力 (Cohesion)； (4) ：內摩擦角 (Friction angle)； (5) ：膨脹角 (Dilatancy angle) 理想彈-塑性材料模式之 應力~應變曲線

19 研究方法(4/5) 19 邊坡穩定分析 有限元素c- 折減穩定分析法 有限元法於分析應用時，無需預設內力條件及滑裂面形狀，c-強度折減即在理想彈塑性有限元計算中，將邊坡岩土體抗剪切強度參數逐漸降低直到其達到破壞狀態為止，Plaxis可自動依據計算結果而得到邊坡破壞滑動面。在程式中將 ΣMsf (total multiplier)用來定義土壤強度參數分析階段的模擬值，其值在材料還未折減之開始計算階段設定為1.0。 於c-強度折減計算其坡面安全係數，安全係數SF為邊坡達破壞狀態時，以c-強度折減穩定分析法所計算出之ΣMsf值。

20 研究方法(5/5) 20 研究流程

21 Thanks for your listening!
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