陳正興臺灣大學：土木工程學研究所簡郁珊2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50130摘 要 從施工振動引致鄰房損害、到晶圓設廠的微振控制，地表振動的問題常成為被關心的研究重點。由於現場全尺度振動量測資料稀少珍貴，而仙渡電廠又有一系列完整的基樁試驗量測資料，其中包含大尺寸基樁之靜動載重試驗與重錘落擊試驗。本研究於兩試驗時，於地表面上裝設一系列速度計量測地表振動歷時，並利用頻譜分析原理，將時間域訊號轉為頻率域以進行分析，並得到地盤振動隨距離衰減的關係。 在數值模擬分析部分，本研究選取ABAQUS 有限元素分析軟體，採二維軸對稱分析模式。所採用的土壤模式包含四種分析模式：1.無介面彈性土壤。2.無介面彈塑性土壤。3.有介面彈性土壤。4.有介面彈塑性土壤模式；再各別與試驗記錄作比較，並討論樁頭荷載-位移曲線、樁身應力、土壤塑性區、介面滑動情況與地表振動反應等內容。 兩試驗的數值模擬分析結果以有介面彈性土壤或彈塑性土壤模式與試驗結果最為接近。靜動載重試驗數值模擬於樁頭荷載-位移曲線部分，當樁頭達最大荷重前的沉陷量皆可與試驗值有相當程度之契合，但在後半段樁體因慣性力繼續沉陷的部分，此模式與試驗結果仍有一段差距；兩試驗在樁體應力歷時數值模擬部分已有不錯的分析結果；另外，檢視地盤振動的1/3倍頻頻譜，靜動載重試驗模式四的分析中，於低頻部分模擬結果較高頻部分佳，中間頻率5~16Hz部分數值分析會有高估的現象；而重錘落擊試驗反而是在低頻部分有高估的現象，但大體上來說，數值分析所得的趨勢與試驗結果類似。Abstract This study aims at investigating the ground vibrations induced by dynamic pile tests. The cases selected for studying are the Statnamic and drop-hammer tests conducted at the Shian-Du Extreme-highly Voltage Substation located at the western tip of the Guan-Du Plain of Taipei Basin. The Statnamic test of maximum load 2000ton was conducted on a bored-pile of diameter 1.1m and length 52m and the drop-hammer tests of weight 16.7ton and falling-heights of 0.5m, 1.0m and 1.5m, respectively, were conducted on the same pile. During the tests, a series of velocity sensors were deployed along a line to a distance of 100m from the pile center to measure the ground vibrations induced. Data collected were analyzed to deduce the 1/3-octave-band vibration amplitude spectrum and the coefficients of ground vibration attenuation with distance were also deduced. In addition, numerical simulations for both tests are performed in this study by using the computer program ABAQUS. Axisymmetric analyses with 4-node soil and pile elements were adopted. Four types of model were selected for parameter studies. They are: (1) Linear soil elements without pile/soil interface elements; (2) Elasto-plastic soil elements without pile/soil interface elements; (3) Linear soil elements with pile/soil interface elements; and (4) Elasto-plastic soil elements with pile/soil interface elements. Both the piles responses and the ground responses obtained from numerical analyses are compared with the results in-situ of tests. Based on the comparison studies, it is found that both the models with pile/soil interface elements (i.e., model 3 and 4) are acceptable to simulate the behavior of dynamic pile tests. The responses of pile obtained are quite close to the test results. However, the responses of ground vibrations obtained are not so satisfactory due to the complexity and uncertainties in the in-situ conditions.　　　　　　　　　　　　目 錄 誌謝　　　　　　　I 中文摘要　　　　　II　 英文摘要　　　　　III 目錄　　　　　　　V 表目錄　　　　　　IX 圖目錄　　　　　　X 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與目的 1 1.2 研究方法 2 1.3 研究內容 2 1.4 研究流程 3 第二章 理論背景與文獻回顧 4 2.1基樁靜動載重試驗 4 2.2 基樁重錘落擊試驗 6 2.3 動力打樁與基樁振動引致之地盤振動 7 2.4地盤振動傳遞之衰減關係 10 2.5地盤振動之表示方法 15 第三章 試驗內容 27 3.1 試驗場址 27 3.2 試驗基樁 27 3.3 試驗設備 28 3.4 測線配置與量測計劃 29 3.4.1 靜動載重試驗　 29 3.4.2 重錘落擊試驗　 30 第四章 試驗結果 　　　　 38 4.1 靜動載重試驗 　 38 4.1.1 資料處理流程 38 4.1.2 地表速度歷時記錄 40 4.1.3 地表振動幅值 40 4.1.4 地盤振動衰減係數 41 4.2 重錘落擊試驗 42 4.2.1 資料處理流程 42 4.2.2 地表速度歷時記錄 44 4.2.3 地表振動幅值 44 4.2.4 地盤振動衰減係數 45 4.3 樁身鋼筋計 47 4.3.1 資料處理流程 47 4.3.2 試驗結果 47 第五章 靜動載重試驗數值模擬分析 71 5.1分析程式 71 5.2 基本模式 71 5.2.1邊界條件與元素網格 72 5.2.2 材料參數 73 5.2.3 基樁與土壤阻尼 74 5.2.4 介面性質 75 5.2.5 靜止土壓力係數Ko 76 5.2.6 樁頂作用力之模擬 77 5.3 無介面土壤彈性模式分析結果 77 5.3.1 樁頭荷載~位移曲線 77 5.3.2 樁身應力值 78 5.3.3 地表面速度歷時反應 79 5.4無介面土壤彈塑性模式分析結果 80 5.4.1 樁頭荷載~位移曲線 80 5.4.2 樁身應力值 80 5.4.3 土壤塑性區 80 5.4.4 地表面速度歷時反應 81 5.5有介面土壤彈性模式分析結果 82 5.5.1 樁頭荷載~位移曲線 82 5.5.2 樁身應力值 82 5.5.3 地表面速度歷時反應 83 5.5.4 樁底有軟層模式 84 5.6 有介面彈塑性土壤模式分析結果 85 5.6.1 樁頭荷載~位移曲線 85 5.6.2 樁身應力值 85 5.6.3 土壤塑性區 86 5.6.4 介面滑動情況 86 5.6.5 地表面速度歷時反應 87 5.6.6 1/3倍頻均方根速度(dB) 87 5.7 討論 88 第六章 重錘落擊試驗數值模擬分析 148 6.1 基本模式 148 6.2 無介面彈性土壤模式分析結果 149 6.2.1 樁身應力值 149 6.2.2 地表面速度歷時反應 149 6.3 無介面土壤彈塑性模式分析結果 150 6.3.1 樁身應力值 150 6.3.2 土壤塑性區 151 6.3.3 地表面速度歷時反應 151 6.4 有介面土壤彈性模式分析結果 152 6.4.1 樁身應力值 152 6.4.2 地表面速度歷時反應 152 6.5 有介面彈塑性土壤模式分析結果 153 6.5.1 樁身應力值 153 6.5.2 土壤塑性區 153 6.5.3 介面滑動情況 154 6.5.4 地表面速度歷時反應 154 6.5.5 1/3倍頻均方根速度(dB) 154 6.6 討論 155 第七章 結論與建議 201 7.1 結論 201 7.2 建議 204 參考文獻 205 表 目 錄 表2.1 1/3倍頻帶之上下限頻率與中心頻率 17 表5.1 數值模擬之土壤參數表 91 表5.2 靜動載重試驗數值模擬之阻尼係數 91 表6.1 重錘落擊試驗數值模擬之阻尼係數 158 圖 目 錄 圖2.1 靜動載重試驗儀器示意圖 18 圖2.2 燃料室填充固體燃料 18 圖2.3 活塞、汽缸及排氣閥門裝置 19 圖2.4 遠距參考源點與雷射監測設備裝置 19 圖2.5 排氣管及反力塊吊裝 20 圖2.6 反力塊裝置完成 20 圖2.7 礫石倉架設完成 21 圖2.8 靜動載重試驗情況 21 圖2.9 靜動載重試驗樁頭載重、沉陷及速度監測紀錄 22 圖2.10 典型靜動載重試驗曲線 22 圖2.11 重錘落擊試驗示意圖 23 圖2.12 安裝加速度計及應變計 23 圖2.13 動力試樁儀器配置圖 24 圖2.14 打樁振動之波傳示意圖 24 圖2.15 曾駿杰之單樁振動分析模型 25 圖2.16 莊淳堯之單樁振動分析模型 25 圖2.17 圓形基礎受垂直向動態載重下之應力波場 26 圖3.1 基地位置圖 31 圖3.2 基地配置圖 31 圖3.3 基地地層分區 32 圖3.4 試驗基樁與量測儀器配置圖 33 圖3.5 靜動載重試驗系統空間示意圖 34 圖3.6 16.7噸重錘 34 圖3.7 VSE-15A速度型感應器 35 圖3.8 SPC-51集錄系統 35 圖3.9 靜動載重試驗測點配置圖 36 圖3.10重錘落擊試驗測點配置圖 37 圖4.1 靜動載重試驗中擷取速度歷時記錄有效延時 之示意圖 49 圖4.2 靜動載重試驗之水平徑向(Y)速度歷時記錄 50 圖4.3 靜動載重試驗之鉛垂向(Z)速度歷時記錄 51 圖4.4 1/3倍頻均方根速度頻譜(靜動載重試驗) 52 圖4.5 靜動載重試驗中水平徑向均方根速度隨距離之衰減情形 53 圖4.6 靜動載重試驗中鉛垂向均方根速度隨距離之衰減情形 54 圖4.7 靜動載重試驗之地盤振動衰減係數 55 圖4.8 重錘落擊試驗中擷取速度歷時記錄有效延時 之示意圖 56 圖4.9 重錘落擊試驗之水平徑向(Y)速度歷時記錄(落距1.5m) 57 圖4.10重錘落擊試驗之鉛垂向(Z)速度歷時記錄(落距1.5m) 58 圖4.11 1/3倍頻均方根速度頻譜(1.5m第一次試驗) 59 圖4.12 重錘落擊試驗水平徑向均方根速度隨距離之衰減情形(12.5Hz) 60 圖4.13 重錘落擊試驗水平徑向均方根速度隨距離之衰減情形(40Hz) 61 圖4.14 重錘落擊試驗水平徑向均方根速度隨距離之衰減情形(50Hz) 62 圖4.15 重錘落擊試驗水平徑向均方根速度隨距離之衰減情形(63Hz) 63 圖4.16 重錘落擊試驗鉛垂向均方根速度隨距離之衰減情形(5Hz) 64 圖4.17 重錘落擊試驗鉛垂向均方根速度隨距離之衰減情形(8Hz) 65 圖4.18 重錘落擊試驗鉛垂向均方根速度隨距離之衰減情形(10Hz) 66 圖4.19 重錘落擊試驗鉛垂向均方根速度隨距離之衰減情形(12.5Hz) 67 圖4.20 重錘落擊試驗之地盤振動衰減係數(落距1.5m) 68 圖4.21 靜動載重試驗之鋼筋應力歷時記錄 69 圖4.22 靜動載重試驗樁身最大軸力隨深度分佈圖 69 圖4.23 重錘落擊試驗之鋼筋應力歷時記錄(落距1.5m) 70 圖4.24 重錘落擊試驗樁身最大軸力隨深度分佈圖 70 圖5.1 數值模型元素網格 92 圖5.2 近基樁網格示意圖 92 圖5.3 孔號AH-2 波速量測記錄 93 圖5.4 雷利波阻尼比與頻率的關係圖 94 圖5.5 樁與土間之介面示意圖 94 圖5.6 摩擦係數與樁身最大應力關係圖 95 圖5.7 靜力土壓力係數與樁身最大應力關係圖 95 圖5.8 靜動載重試驗-模式一之樁頭荷載與位移曲線 96 圖5.9 靜動載重試驗-模式一之樁身應力記錄(1.5m) 96 圖5.10 靜動載重試驗-模式一之樁身應力記錄(6.6m、20m、30m) 97 圖5.11 靜動載重試驗-模式一之樁身應力記錄(41.8m、47.2m、51m) 98 圖5.12 靜動載重試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(10m) 99 圖5.13 靜動載重試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(20m) 100 圖5.14 靜動載重試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(30m) 101 圖5.15 靜動載重試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(50m) 102 圖5.16 靜動載重試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(70m) 103 圖5.17 靜動載重試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(100m) 104 圖5.18 靜動載重試驗-模式二之樁頂荷載與位移曲線 105 圖5.19 靜動載重試驗-模式二之樁身應力記錄(1.5m) 105 圖5.20 靜動載重試驗-模式二之樁身應力記錄(6.6m、20m、30m) 106 圖5.21 靜動載重試驗-模式二之樁身應力記錄(41.8m、47.2m、51m) 107 圖5.22 靜動載重試驗-模式二之塑性應變圖 108 圖5.23 靜動載重試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(10m) 109 圖5.24 靜動載重試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(20m) 110 圖5.25 靜動載重試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(30m) 111 圖5.26 靜動載重試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(50m) 112 圖5.27 靜動載重試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(70m) 113 圖5.28 靜動載重試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(100m) 114 圖5.29 靜動載重試驗-模式三之樁頂荷載與位移曲線 115 圖5.30 靜動載重試驗-模式三之樁身應力記錄(1.5m) 115 圖5.31 靜動載重試驗-模式三之樁身應力記錄(6.6m、20m、30m) 116 圖5.32 靜動載重試驗-模式三之樁身應力記錄(41.8m、47.2m、51m) 117 圖5.33 樁頭作用力結束後之網格變形圖 118 圖5.34 靜動載重試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(10m) 119 圖5.35 靜動載重試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(20m) 120 圖5.36 靜動載重試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(30m) 121 圖5.37 靜動載重試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(50m) 122 圖5.38 靜動載重試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(70m) 123 圖5.39 靜動載重試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(100m) 124 圖5.40 靜動載重試驗-模式三樁底有軟層之樁頂荷載與位移曲線 125 圖5.41 樁底位移曲線圖 125 圖5.42 樁底有軟層模式之樁身應力歷時記錄 (1.5m、30m、51m) 126 圖5.43 樁底有軟層地表面速度歷時記錄(10m) 127 圖5.44 靜動載重試驗-模式四之樁頂荷載與位移曲線 128 圖5.45 靜動載重試驗-模式四之樁身應力記錄(1.5m) 128 圖5.46 靜動載重試驗-模式四之樁身應力記錄(6.6m、20m、30m) 129 圖5.47 靜動載重試驗-模式四之樁身應力記錄(41.8m、47.2m、51m) 130 圖5.48 靜動載重試驗-模式四之塑性應變圖 131 圖5.49 靜動載重試驗-摩擦係數與深度關係圖 132 圖5.50 靜動載重試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(10m) 133 圖5.51 靜動載重試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(20m) 134 圖5.52 靜動載重試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(30m) 135 圖5.53 靜動載重試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(50m) 136 圖5.54 靜動載重試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(70m) 137 圖5.55 靜動載重試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(100m) 138 圖5.56 靜動載重試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表10m處) 139 圖5.57 靜動載重試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表20m處) 140 圖5.58 靜動載重試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表30m處) 141 圖5.59 靜動載重試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表50m處) 142 圖5.60 靜動載重試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表70m處) 143 圖5.61 靜動載重試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表100m處) 144 圖5.62 各模式之樁頂荷載與位移曲線比較 145 圖5.63 靜動載重試驗-各模式之樁身最大應力值比較 145 圖5.64 靜動載重試驗-各模式之地表速度歷時記錄(10m_V) 146 圖5.65 靜動載重試驗-各模式之地表速度歷時記錄(100m_V) 147 圖6.1 試樁周圍所挖之槽溝 159 圖6.2 重錘落擊試驗數值模擬槽溝的部分 159 圖6.3 重錘落擊試驗-模式一之樁身應力記錄(1.5m、6.6m、20m) 160 圖6.4 重錘落擊試驗-模式一之樁身應力記錄(30m、41.8m) 161 圖6.5 重錘落擊試驗-模式一之地表面速度歷時記錄 (10m) 162 圖6.6 重錘落擊試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(20m) 163 圖6.7 重錘落擊試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(30m) 164 圖6.8 重錘落擊試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(50m) 165 圖6.9 重錘落擊試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(70m) 166 圖6.10 重錘落擊試驗-模式一之地表面速度歷時記錄(100m) 167 圖6.11 重錘落擊試驗-模式二之樁身應力記錄(1.5m、6.6m、20m) 168 圖6.12 重錘落擊試驗-模式二之樁身應力記錄(30m、41.8m) 169 圖6.13 重錘落擊試驗-模式二之塑性應變圖 169 圖6.14 重錘落擊試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(10m) 170 圖6.15 重錘落擊試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(20m) 171 圖6.16 重錘落擊試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(30m) 172 圖6.17 重錘落擊試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(50m) 173 圖6.18 重錘落擊試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(70m) 174 圖6.19 重錘落擊試驗-模式二之地表面速度歷時記錄(100m) 175 圖6.20 重錘落擊試驗-模式三之樁身應力記錄(1.5m、6.6m、20m) 176 圖6.21 重錘落擊試驗-模式三之樁身應力記錄(30m、41.8m) 177 圖6.22 重錘落擊試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(10m) 178 圖6.23 重錘落擊試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(20m) 179 圖6.24 重錘落擊試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(30m) 180 圖6.25 重錘落擊試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(50m) 181 圖6.26 重錘落擊試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(70m) 182 圖6.27 重錘落擊試驗-模式三之地表面速度歷時記錄(100m) 183 圖6.28 重錘落擊試驗-模式四之樁身應力記錄(1.5m、6.6m、20m) 184 圖6.29 重錘落擊試驗-模式四之樁身應力記錄(30m、41.8m) 185 圖6.30 重錘落擊試驗-模式四之塑性應變圖 186 圖6.31 重錘落擊試驗-摩擦係數與深度關係圖 186 圖6.32 重錘落擊試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(10m) 187 圖6.33 重錘落擊試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(20m) 188 圖6.34 重錘落擊試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(30m) 189 圖6.35 重錘落擊試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(50m) 190 圖6.36 重錘落擊試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(70m) 191 圖6.37 重錘落擊試驗-模式四之地表面速度歷時記錄(100m) 192 圖6.38 重錘落擊試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表10m處) 193 圖6.39 重錘落擊試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表20m處) 194 圖6.40 重錘落擊試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表30m處) 195 圖6.41 重錘落擊試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表50m處) 196 圖6.42 重錘落擊試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表70m處) 197 圖6.43 重錘落擊試驗之1/3倍頻頻譜圖(地表100m處) 198 圖6.44 重錘落擊試驗-各模式之樁身最大應力值比較 198 圖6.45 重錘落擊試驗-各模式之地表速度歷時記錄(10m_V) 199 圖6.46 重錘落擊試驗-各模式之地表速度歷時記錄(70m_V) 20010565422 bytesapplication/pdfen-US基樁靜動載重試驗重錘落擊試驗數值模擬pileStatnamicdrop-hammer 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