翁作新臺灣大學：土木工程學研究所程漢瑋2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50205飽和砂土在地震中或地震後，土層內激發的超額孔隙水壓隨著時間消散而使飽和砂土層的體積減小，引致砂土層表面產生沈陷。本文利用國家地震工程研究中心之大型剪力盒在其振動台上進行大尺寸物理模型振動試驗，此試驗盒採用多層框架堆疊而成，試驗盒內框裝容試體尺寸為1.880 m x 1.880 m x 1.520 m。每層內外框與他層內外框設置線性滑軌而相互垂直獨立運動，使土壤試體能如現地水平土層隨地震波作用而變形，模擬實際地震剪力波在水平土層中傳遞的情形。 本文以飽和越南砂試體進行一系列振動台振動試驗，到目前為止已進行五次振動台試驗。振動台輸入振動模式為：加速度0.03 g至0.15 g，振動波型為均勻正弦波，其振動頻率為1 Hz、2 Hz與4 Hz，分別進行一維與二維之振動試驗，其振動延時為5秒、10秒及20秒。由試驗結果顯示飽和砂土受振動時不論有無發生液化現象皆有沈陷量之產生，且沈陷量皆隨振動延時增加亦有增加之趨勢。未發生液化之砂土層相對於液化土層所產生的沈陷量小很多。當飽和砂土受振時，振動加速度振幅增加則液化時產生之沈陷量愈大；而相同加速度振幅時，二維振動砂土液化時之沈陷量較一維振動砂土液化時之沈陷量大。由沈陷量計算液化土層之體積應變，發現液化土層液化後之體積應變與其相對密度有一定之關係，而不受加速度大小與單向或水平多向振動之影響。本研究之振動台試驗中液化土層之最大剪應變介於 0.5% ~ 3.5%間，所得液化土層液化後之體積應變與前人研究結果相近。During or after earthquake, the seismically induced excess pore water pressure in saturated sand layer would dissipate with time, and the volume of the sand layer decreases and settlement occurs. In this study, a biaxial laminar shear box on a shaking table at National Central Research of Earthquake Engineering (NCREE) was used to conduct the shaking tests of large-scale physics model. The dimension of the specimen is 1.88 m x 1.88 m x 1.52 m. The shear box is composed of 15 layers of inner and outer frames. For each layer, the frame motion (inner frame and outer frame) is independent from other layers. The soil sample deformed according to the shear waves induced from the shaking table motions. In this study we used the saturated sand from Vietnam. So far, five series of shaking table tests has been performed. The input motions for the shaking table are uniform sinusoidal wave shaking with acceleration amplitudes from 0.03 g to 0.15 g, frequence of 1 Hz, 2 Hz, and 4 Hz and duration of 5 sec, 10 sec, and 20 sec. One dimensional and two dimensional shaking tests were carried out. The results from these tests showed there are settlements in the saturated sand, being liquefied or not, and the settlement tends to increase with shaking duration. Beside, the settlement in non-liquefied sand layer is much smaller than that in liquefied one. The settlement during liquefaction increases with the acceleration amplitude. For the same acceleration amplitude, the settlement in 2D shaking is larger than that in 1D shaking. It is observed that the volumetric strain of the liquefied sand layer relates to its relative density, but not to either the acceleration or the direction of vibration (1D or 2D shaking). In this study the maximum shear strain in the liquefied sand layer is between 0.5% and 3.5%, and the volumetric strain after liquefaction of the sand layer is similar to prior researches by others.誌謝.....................................................Ⅰ ABSTRACT.................................................Ⅱ 摘要.....................................................Ⅲ 目錄.....................................................Ⅳ 表目錄...................................................Ⅵ 圖目錄...................................................Ⅶ 第一章 前言............................................. 1 1-1 研究動機........................................... 1 1-2 研究內容與方法..................................... 1 第二章 前人研究......................................... 3 2-1 飽和砂土受振後沈陷量發生之行為..................... 3 2-2 砂土受振沈陷之影響因素............................. 3 2-3 砂土受振沈陷之估算................................. 7 第三章 試驗設備與振動台試驗流程........................ 29 3-1 試驗設備.......................................... 29 3-1-1 雙軸向剪力試驗盒................................. 29 3-1-2 大型砂土霣落箱................................... 31 3-1-3 量測儀器......................................... 31 3-2 砂土試體基本性質................................ 32 3-3 振動台試驗步驟與流程............................ 34 3-3-1 事前準備工作..................................... 34 3-3-2 剪力盒內部量測儀器安裝與準備..................... 35 3-3-3 剪力盒之吊置與砂土霣降........................... 35 3-3-4 剪力盒外部量測儀器之安裝......................... 36 3-3-5 振動前之相關試驗................................. 36 3-3-6 振動試驗......................................... 37 3-3-7 砂試體表面及水面高程量測......................... 37 3-3-8 試驗完成後續工作................................. 38 第四章 振動台試驗結果.................................. 53 4-1 振動台試驗內容.................................... 53 4-2 振動台試驗之量測結果............................ 54 4-2-1 試體內部水壓計之量測.......................... 54 4-2-2 試體內部與框架加速度計之量測..................... 55 4-2-3 框架位移計之量測................................. 55 4-2-4 砂土試體表面沈陷之量測........................... 56 4-3 土層液化深度之判定................................ 57 4-4 土層受振剪應變之計算.............................. 58 第五章 砂土試體受振沈陷之分析.......................... 79 5-1 砂土試體受振動之沈陷歷時.......................... 79 5-1-1 試體內部水壓計之量測............................. 79 5-1-2 試體內部與框架加速度計之量測..................... 80 5-2 砂土試體受振動之沈陷量與體積應變................ 81 5-3 振動頻率與延時對砂土液化後沈陷量之影響............ 83 5-4 液化土層之最大剪應變............................ 84 5-5 與前人研究之比較................................ 84 第六章 結論與建議..................................... 101 6-1 結論........................................... 101 6-2 建議............................................. 102 參考文獻............................................... 103 表目錄 表2.1 砂土受震沈陷相關研究之試驗條件........................... 10 表3.1 國家地震工程研究中心振動台之規格與功能................... 39 表3.2 越南峴港砂基本物理性質................................... 39 表4.1 2002年8月第一次振動台試驗振動模式....................... 59 表4.2 2003年1月第二次振動台試驗振動模式....................... 59 表4.3 2003年4月第三次振動台試驗振動模式....................... 60 表4.4 2003年10月第四次振動台試驗振動模式...................... 61 表4.5 2004年4月第五次振動台試驗振動模式....................... 62 表4.6 第一次振動台振動試驗密度、沈陷及整體平均體積應變之變化.... 65 表4.7 第二次振動台振動試驗密度、沈陷及整體平均體積應變之變化.... 65 表4.8 第三次振動台振動試驗密度、沈陷及整體平均體積應變之變化.... 66 表4.9 第四次振動台振動試驗密度、沈陷及整體平均體積應變之變化.... 67 表4.10 第五次振動台振動試驗密度、沈陷及整體平均體積應變之變化.... 68 表5.1 加速度為0.05 g振動後砂土之沈陷量......................... 86 表5.2 加速度為0.075 g一維振動砂土液化後之沈陷量................ 86 表5.3 加速度為0.1 g一維振動砂土液化後之沈陷量.................. 86 表5.4 不同振動頻率對砂土受振之影響............................. 86 表5.5 各振動試驗發生液化時所得之最大剪應變值................... 87 表5.6 Tokimatsu and Seed(1987)【7】資料來源之各試驗條件........ 88 表5.7 Ishihara and Nagase(1988)【8】與本研究各試驗條件之比較... 88 圖目錄 圖2.1 孔隙水壓激發與沈陷發生機制【1】........................... 11 圖2.2 在不同相對密度與垂直應力下反覆剪應變與垂直應變之關係【2】..11 圖2.3 在反覆振動次數10下反覆剪應變與垂直應變之關係【2】.........12 圖2.4 砂土層振動台試驗與相對密度對沈陷之影響【3】................12 圖2.5 對於鬆緊砂量測和計算沈陷量之比較【3】.....................13 圖2.6 孔隙水壓激發與體積應變之關係【4】.........................13 圖2.7 相對密度對體積應變之影響【4】.............................14 圖2.8 圍壓對體積應變之影響【4】..................................14 圖2.9 相對密度與液化後體積應變之關係【4】........................15 圖2.10 顆粒尺寸對體積應變之影響【4】.............................15 圖2.11 動靜態激發孔隙水壓與體積應變之關係【4】...................16 圖2.12 振動台實際圖與尺寸圖【5】.................................16 圖2.13 單向振動下振動次數與沈陷量之關係【5】.....................17 圖2.14 單向振動與多向振動沈陷量之比較【5】.......................17 圖2.15 隨機振動模式不同相位之運動軌跡【5】.......................18 圖2.16 (a)單向與合成之隨機振動作用;(b)三向度與水平多向之振動作用沈陷量比較【5】.............................................18 圖2.17 中空扭剪試驗儀器剖面圖【6】...............................19 圖2.18 反覆載重下孔隙比與有效覆土應力關係圖【6】.................19 圖2.19 扭剪試驗試體隨時間之剪應力、剪應變及有效垂直應力比【6】...20 圖2.20 殘餘應力比與最大剪應變之關係【6】.........................20 圖2.21 (a)不同相對密度下沈陷量與最大剪應變；(b)沈陷指數與最大剪應 變之關係【6】..............................................21 圖2.22 體積應變與相對密度之關係【7】.............................21 圖2.23 反覆剪應力比、標準貫入N值與極限剪應變三者之關係【7】.....22 圖2.24 標準貫入N值與相對密度之關係【7】.........................22 圖2.25 反覆剪應力比、標準貫入N值與極限剪應變三者之關係【7】.....23 圖2.26 反覆剪應力比、標準貫入N值與體積應變三者之關係【7】.......23 圖2.27 多向單剪試驗儀示意圖【8】.................................24 圖2.28 單向度振動下殘留孔隙水壓比與體積應變之關係【8】............24 圖2.29 水平多向度振動下殘留孔隙水壓比與體積應變之關係【8】........25 圖2.30 不同相對密度下液化後體積應變與最大剪應變之關係【8】.......25 圖2.31 相對密度與液化後體積應變之關係【8】.......................26 圖2.32 抗液化安全係數與最大剪應變之關係【9】.....................26 圖2.33 抗液化安全係與液化後體積應變之關係【9】...................27 圖2.34 大型動力三軸試驗儀器剖面圖【10】..........................27 圖2.35 不同相對密度抗液化安全係與液化後體積應變之關係【10】......28 圖3.1 (a)半無限空間中土層；(b)實驗室中土壤試體..................40 圖3.2 多層剪力試驗盒運動型態示意................................40 圖3.3 雙軸向多層剪力試驗盒照片..................................41 圖3.4 雙軸向多層剪力試驗盒構造示意圖：(a)平面圖；(b)側面圖........41 圖3.5 大型霣落箱示意圖..........................................42 圖3.6 霣落箱砂土霣落於剪力盒內照片..............................42 圖3.7 位移計之照片..............................................43 圖3.8 加速度計之照片............................................43 圖3.9 「PCB」加速度計之照片.....................................44 圖3.10 內外框架量測儀器配置位置圖................................44 圖3.11 「Drucker」公司電阻式水壓計之照片.........................45 圖3.12 剪力盒試體內部量測儀器埋設之深度位置圖....................45 圖3.13 剪力盒試體內部量測儀器埋設之位置平面圖....................46 圖3.14 試體內部量測儀器綁設完成之照片............................46 圖3.15 量測砂面垂直向沈陷位移計之照片............................47 圖3.16 越南峴港砂之粒徑分佈曲線..................................47 圖3.17 以壓力波量測檢核飽和度之示意圖............................48 圖3.18 飽和度檢測之P波波速值....................................48 圖3.19 砂土試體薄管取樣之照片....................................49 圖3.20 剪力盒內薄管取樣平面圖....................................49 圖3.21 薄管砂土試體與整體剪力盒計算求得乾密度之結果..............50 圖3.22 試驗前剪力盒底部舖設之照片................................50 圖3.23 50噸天車懸吊剪力盒於振動台之照片..........................51 圖3.24 微貫入錐進行檢測之照片....................................51 圖3.25 鋼捲尺量測砂面高程之照片..................................52 圖3.26 振動試驗完成後薄管砂土之乾密度值......................... 52 圖4.1 振動台輸出加速度為0.1 g之反覆振動試驗................... 71 圖4.2 振動台輸出集集地震社頭測站(E-W向)地震歷時紀錄之振動試驗.. 71 圖4.3 第E17a試驗超額孔隙水壓激發與消散情形.................... 72 圖4.4 第D04試驗試體內部加速度歷時隨高度不同之變化情形.......... 73 圖4.5 第D04試驗未液化時同高程試體內部與框架上加速度歷時之比較.. 74 圖4.6 第D06b試驗有液化時同高程試體內部與框架上加速度歷時之比較. 74 圖4.7 第D06試驗有液化時外框架位移歷時隨高度不同之變化情形...... 75 圖4.8 第D07d試驗無液化時外框架位移歷時隨高度不同之變化情形..... 75 圖4.9 相同加速度0.05 g下一維振動與二維振動沈陷歷時之比較....... 76 圖4.10 相同加速度0.1g下一維振動與二維振動沈陷歷時之比較......... 76 圖4.11 第E17a試驗剪力盒外框在不同高程量測之加速度歷時........... 77 圖4.12 第D06b試驗在不同程計算求得之剪應變歷時.................. 78 圖5.1 加速度為0.05 g一維振動試驗無液化時不同振動延時之沈陷歷時.89 圖5.2 加速度為0.05 g二維振動試驗無液化時不同振動延時之沈陷歷時.89 圖5.3 未發生液化時振動延時與沈陷量之關係........................90 圖5.4 加速度為0.1 g一維振動試驗有液化時不同振動延時之沈陷歷時..90 圖5.5 第E30a試驗超額孔隙水壓激發與消散之情形.................. 91 圖5.6 第E31試驗超額孔隙水壓激發與消散之情形................... 91 圖5.7 加速度為0.1 g二維振動試驗有液化時不同振動延時之沈陷歷時.. 92 圖5.8 第E37試驗超額孔隙水壓激發與消散之情形.................... 92 圖5.9 第E38試驗超額孔隙水壓激發與消散之情形.................... 93 圖5.10 砂土相對密度與其受振後沈陷量之關係....................... 93 圖5.11 砂土相對密度與其受振後體積應變之關係..................... 94 圖5.12 不同加速度振動下砂土液化後沈陷量之變化................... 94 圖5.13 加速度0.05 g下一維與二維振動下砂土液化後之沈陷量........ 95 圖5.14 加速度0.075 g下一維與二維振動下砂土液化後之沈陷量....... 95 圖5.15 加速度0.1 g下一維與二維振動下砂土液化後之沈陷量......... 96 圖5.16 一維振動砂土液化後沈陷量隨加速度值之變化................. 96 圖5.17 二維振動砂土液化後沈陷量隨加速度值之變化................. 97 圖5.18 液化土層體積應變與相對密度之關係......................... 97 圖5.19 加速度為0.075 g 不同頻率時振動延時與液化後沈陷量之關係... 98 圖5.20 加速度為0.1 g 不同頻率時振動延時與液化後沈陷量之關係...... 98 圖5.21 第五次振動試驗振動延時10秒不同振動頻率下液化土層之體積應變....................................................... 99 圖5.22 液化土層體積應變與最大剪應變之關係....................... 99 圖5.23 本研究液化土層體積應變與相對密度之關係和Tokimatsu and Seed (1987)【7】之比較.......................................... 100 圖5.24 本研究液化土層體積應變與相對密度之關係和Nagase and Ishihara (1988)【8】之比較......................................... 100en-US振動台液化沈陷量shaking tableliquefactionsettletmentthesis