Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11455/14882
標題: 管推進工程之物理模型試驗與數值分析
Physical Modelling and Numerical of PipeJacking
作者: 張芳維
Chang, Funwei
關鍵字: 管推進工程
Pipe Jacking Engineering
物理模型試驗
數值分析
Leca淺層隧道開挖面穩定理論
Horn破壞理論
Drucker-Prager土壤組成律
隆起
抽坍
Physical Modelling
Numerical Analysis
Leca Theory of Face Sability of Shallow Circular Tunnels
Horn Theory of Face Sability of Tunnels
Extended Drucker-Prager Models
Blow up
Collapse
出版社: 土木工程學系
摘要: 台灣地區由於都市人口活動密集、道路兩旁建物林立、舊有管線位置不確定性高,欲以明挖覆蓋工法(Cut and Cover Method)來進行地下管線埋設工作日益困難,在確保都市交通暢通、減少噪音與震動、解決施工用地取得及近鄰施工問題的考量下,非明挖之管推進工法(Pipe Jacking Method)與潛盾工法(Shield Tunneling Method)為都市地下管道施工兩大主流工法;其於台灣西部砂土層、粘土層及卵礫石層之沉積層地質區域上,皆有相當的工程實績與經驗。 本研究以物理模型試驗及三維數值分析兩種方法進行管推進工程研究,為探知推進行為對於地表穩定性的影響,試驗方面以「管推進工程物理模型試驗機」來模擬管推進工程之推進行為,並於推進過程中監測其對於地表變位影響及砂土中壓力變化;數值方面先以有限元素法程式ABAQUS模擬物理模型試驗之推進行為,將數值分析與模型試驗結果相互驗證,以檢討數值分析所依據的淺層隧道開挖面穩定理論及土壤組成律Extended Drucker-Prager Models。完成驗證分析後,進一步構建模擬現地管推進施工的數值分析模型,以探知周遭土層在推進行為下的鬆動機制,本研究主要發現如下所述。 於疏鬆或緊密砂土物理模型試驗,其推進面砂體皆先重置在臨界穩定狀態,再以此狀態以無出土方式藉由土壤栓塞效應使開挖面支撐力隨著推進距離逐漸增大,而疏鬆砂土產生土壤栓塞效應為20公分後(1.33倍管徑)、緊密砂土為10公分後(0.67倍管徑),將此現象進一步應用至現地施工上,對於砂性土層之推進工程開挖出土機制須分別控制在上述會發生土壤栓塞的範圍內,以避免推進前方發生過大隆起行為,且無須出土的範圍是增加砂土層前進面土體穩定最經濟最簡單的施工手段,此於工程實績上亦得到驗證。 當推進面之覆土深度足以讓土體產生拱效應的自持能力,則開挖面所須維持穩定的支撐壓力都相同,比較Leca理論第二破壞模式推算穩定支撐壓力的圖表,該圖表上限解穩定支撐係數( )亦反映出此行為,但下限解( )無考量,隨覆土深增加而增加所須支撐力。再由實際坍落中心位置與Leca理論第二破壞模式比較,可瞭解極限平衡推導使用的假設坍落錐是較實際鬆動範圍較小,也就是該理論推算之開挖面穩定支撐壓力較實際安全需求的值小,可由安全係數來解決,但須注意以不超出隆起支撐壓力門檻值為限。 依模型試驗中開挖面支撐壓力消失對地表造成抽坍形狀與Leca理論之第一及第二破壞模式比較發現,試驗結果之地表抽坍分佈形狀為橢圓形而理論第一破壞模式為橢圓形、第二破壞模式為橢圓形,將第一破壞模式之理論與試驗結果比較:Leca理論橢圓坍形的長軸與推進方向平行,模型試驗的長軸與推進方向垂直;第二破壞模式之理論與試驗結果比較:模型試驗無圓形分佈,模型試驗與理論的長軸方向正好相反差90度。細究造成理論模式與實際行為不相似的原因在於開挖面前之鬆動橢圓錐體的假設所造成。另外再比較開挖面支撐壓力過大之地表隆起形狀,第三破壞模式與試驗結果相同一致,說明理論鬆動橢圓錐體的假設在描述隆起行為上是合適可靠的。 由現地鏡面坍落行為之數值分析結果說明:當破鏡行為造成土體於開挖面上發生主動破壞機制,其塑性應變分佈為鏡面前方一倍管徑範圍,此代表前進面土體鬆動範圍,若將Horn破壞理論(Silo Theory):推進面前方存在一不穩定楔形滑動體的觀念導入,可知推進面前方鬆動區應為一倍管徑範圍,則該不穩定楔形體之滑動面 ,破壞面會延伸至地表,此與模型試驗地表抽坍現象一致。
URI: http://hdl.handle.net/11455/14882
Appears in Collections:土木工程學系所

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