交通大學土木工程系所學位論文
國立交通大學,正常發行
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根據過去學者對台灣西南沿海粉土細砂之一的麥寮砂（MLS）研究，麥寮砂有部分類黏土行為以及部分類砂土行為，本文針對此議題進行研究，探討麥寮砂因細料含量、過壓密比（OCR）、試體製作方式改變而產生類黏土與類砂土行為之變化。首先，本文以適用於黏土之SHANSEP（Stress History and Normalized Soil Engineering Property）理論討論麥寮砂應力應變之類黏土特性，在相同過壓密條件、不同有效圍壓下之麥寮砂靜態三軸試驗中，將試驗所得之軸差應力、超額孔隙水壓除以有效圍壓，此步驟稱為正常化處理。在麥寮砂軸差應力與超額孔隙水壓經過正常化處理後，發現麥寮砂正常化行為有類似黏土正常化之重合關係。另外，本文以砂土之臨界狀態來探討麥寮砂之類砂土特性，所謂臨界狀態是砂土進行不排水剪力試驗時軸差應力與孔隙水壓趨於穩定而應變卻持續增加的狀況，從麥寮砂不同細料含量、不同過壓密比試驗中所繪製出的臨界狀態曲線（CSL）發現，該曲線隨著細料含量增加而有降低的趨勢，試體之過壓密比僅會影響試體之緊密程度，並不會影響臨界狀態曲線。
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台灣豐、枯水期之水量變化非常大，造成河道的不穩定，也使得河床上之跨河結構物因沖刷而破壞，岩床沖蝕問題對於台灣來說是個不可忽視的問題。當岩床或岩岸屬於地質年代較為年輕之軟弱岩層時，岩石河床沖蝕尤其更為嚴重。數值模擬方法可任意控制變因、可大量進行分析，耗時較短之優點，又不受試體取樣與準備不易之困擾，本研究因而嘗試以數值模擬方法為工具，將數值模擬視為「虛擬沖蝕試驗」，代替實體試驗。本研究建立磨蝕沖蝕機制及顆粒彈跳撞擊兩種岩床沖蝕機制模型，進行虛擬岩床沖蝕試驗，以便透過模擬結果探討影響沖蝕機制與行為之重要因子，並探討沖蝕過程中材料中之消散能量變化與鍵結破壞狀況。 就岩床沖蝕模擬而言，當床面剪應力增加時（遭磨蝕）破壞顆粒數也會增加。岩床磨蝕試驗結果顯示對應新鮮岩盤材料的磨蝕啟動剪應力遠高於一般河道可能出現之床面剪應力尺度，顯示現地之岩床若未經乾溼循環或風化等因素強度大幅弱化，清水所造成之床面剪應力可能甚難以造成岩床之顯著磨蝕。 由顆粒彈跳撞擊之模擬結果，可發現（遭彈跳撞擊）破壞顆粒數會隨撞擊顆粒速度、角度及尺寸等撞擊因子增加而隨之增加。此外，就材料力學性質之影響而言，當楊氏係數增加時破壞顆粒數也增加，而試體張力強度增加時破壞顆粒數則降低。此外，比較破壞顆粒數與累積消散能量，可發現兩者間呈良好之相關性。
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台灣蓄水庫最常見之壩體型態為土石壩。依國外土石壩壩體破壞案例所累積之經驗，除壩頂溢流潰決破壞外，壩體滲漏亦為造成管湧破壞主要原因之一。管湧會造成壩體突然、全面之破壞，後果非常嚴重，日常需要透過滲漏量與水壓監測等數據來研判安全性。監測數據若有異常、有必要透過壩體內部問題診斷來尋求真正原因。本研究旨在透過啟發式最佳化反算分析，以土石壩滲流相關問題為例，期運用監測數據，配合數值模擬分析，找出對應異常監測數據之可能原因，目標在建構壩體異常問題診斷與詮釋之方法。本研究最佳化演算法採用和弦搜尋法，反算分析中以MATLAB作為和弦搜尋最佳化流程之主控伺服，常用之地工分析軟體FLAC則扮演計算引擎之角色。藉由相通介面資料傳遞至外部檔案方式進行兩種不同軟體間之溝通，可達到整體最佳化搜尋過程自動化之優點。本研究先藉兩座型態迥異之土石壩案例進行驗證分析，再以新山壩實際案例擬定兩種問題型態之情境，以評估本研究所研擬之和弦搜尋演算法應用於土石壩滲流問題診斷之功效，以說明此方法之可行性與有效性。
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西部麓山帶為台灣主要發展區域，在民生需求下興建攔河堰，但攔河堰的興建使河道坡度改變，上游的礫石無法穿越攔河堰至下游形成護甲層，使得下游岩盤出露，岩盤直接暴露在水流的衝擊下，迅速的被沖刷。大部分的攔河堰並沒有施做深基礎，在沖刷坑持續發展的情況下，容易造成堰體基礎的淘刷，進而造成堰體的不穩定；另外還會造成下游河道的深槽化，並危及下游橋樑及取水工，影響下游人民生命與財產的安全。 本研究藉由了解軟岩在承受衝擊後的發展，掌握攔河堰下游軟岩的沖刷機制及建立評估沖刷坑深度的方式，以供現有攔河堰估算最大沖刷坑深度、形狀與未來設計攔河堰時參考之用。 本論文旨在將Annandale (2006)所提出計算水面流功的方式，再加上Bollaert(2003)所提出計算尾水消能的方式，以及Melo(2006)所提出的動態水壓衰減曲線，加以整合之後，提出評估攔河堰下游軟弱岩石沖刷坑形狀與深度的分析方法，並以實際案例進行試算，結果顯示本方法可有效計算出已知流量下的沖刷坑形狀及極限沖刷坑深度；接著由Kh與ke之間的轉換結果帶入Liu(2005)所提出的公式中計算沖刷坑深度，並與上述三位學者整合之方式所計算出的沖刷坑深度結果進行比較，比較結果顯示兩者的差異不大，皆可用以估計極限沖刷坑深度。
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科技廠房結構耐震設計考量不周，乃震害問題之主要來源，尤以疊層式廠房為甚。疊層式廠房內含兩層(甚至三層)無塵室，軟弱層導致側向位移過大，二次應力效應則使問題更為惡化，並放大上層無塵室的振動反應，不僅威脅廠房結構安全，亦增加設備受損風險。現行建築物耐震設計規範乃基於「大震不倒」的設計理念所發展，惟科技廠房在中、小地震衝擊下損失不貲，顯示現行耐震設計無法確保科技廠房在中、小地震﹙震度三~五級﹚下免於設備受損、生產中斷的性能要求，須加以補強。有鑑於科技廠房有其特殊性，非習用之結構耐震補強技術與工法所能克服，因此本研究提出科技廠房之性能設計目標及創新之補強工法，並以一座典型三重疊層式面板廠為對象進行分析與驗證。無論由極限層剪力、層間變位角…等指標去檢核，分析結果均顯示廠房結構現況之耐震能力不足。本研究提出以雙向各六跨之空間桁架外覆於結構的補強方案，則能有效提升結構之勁度與極限強度，在設計地震下均能滿足各項耐震評估指標，惟中、小地震下之動態歷時分析結果仍顯示廠房補強後未能滿足樓板振動加速度小於160 gal之性能設計目標。本研究考慮在加勁補強為前提之下，以速度相依型阻尼器作為輔助，證明可有效提升結構之耐震表現，確保科技廠房在中、小地震下免於設備受損之性能設計目標。
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近年來，石門水庫存在著洪水挾帶大量泥砂與流木進入庫區之問題。因此，增設防洪防淤隧道，提升水庫排洪與防淤功能為當下最重要之課題。現今國內研究輸砂之風氣雖然興盛，但並無專門探討管道、隧道相關之輸砂研究。本研究欲探討在不同的管徑及不同的流速之下，其泥砂輸送行為對固體邊界造成之影響與差異。 本研究先以迪聖凡南(de Saint Venant)方程式建立起一維水理模式，然後加入泥砂傳輸方程式，合併為一維水砂方程式。數值方法採用顯式有限體積法並結合WENO增加數值解之穩定性。本研究以Banasiak and Verhoeven (2008)試驗案例以及Creaco and Bertrand - Krajewski (2009)模擬法國里昂(Lyon)拉卡薩涅(Lacassagne)地下水道之現場案例進行模式之檢定與驗證。最後，模式以艾利颱洪事件對石門水庫防洪防淤隧道進行模擬，並由結果得知在高速流況下，隧道不會產生淤積，並且有可能造成固體邊界磨損，因此，加入了Bitter磨損理論以探討固體邊界磨損之問題。
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本研究藉由清潔特性的觀點，以問卷與重要表現程度分析法（IPA）探討與分析辦公大樓室內地板之改善重點。研究中將地板清潔上的特性分為物理特性、化學特性、一般特性等三大構面及11個子構面，並以一般辦公室、個人辦公室、會議室、門廳大廳、走廊、樓梯及樓梯間、電梯及梯廳、廁所八項主要空間做為調查範圍。 IPA結果中顯示，三大構面中電梯及梯廳之物理、化學及一般特性皆屬改善重點，在調查的全部空間中表現最為不滿意，其次為大廳門廳。在子構面部分，其中「液體滲入」在電梯及梯廳；「受酸鹼性侵蝕」在大廳門廳、個人辦公室；「受油污污染」在大廳門廳；「積水腐壞」在廁所、電梯及梯廳；「孳生蚊蟲」在廁所；「濕滑」在電梯及梯廳，同為改善重點。
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磁電耦合效應擁有電場與磁場兩個物理場之間相互轉換的功能，在記憶體、感測器方面有很大的運用潛力，但在單相材料中的磁電耦合效應微弱，故本文針對三相壓電壓磁複合材料之磁電耦合效應進行研究。其結構為圓球狀內含物外面包覆一層殼層分佈於母材中，藉由不同壓電壓磁材料的相互搭配以及改變材料係數以尋找出最佳的磁電耦合效應。除了利用三相壓電壓磁材料之外，另外在雙相壓電與壓磁材料之間加入功能性漸變材料，預期能夠有效降低界面材料破損的問題以及獲得磁電耦合效應的提升。 本文利用微觀力學模型─Mori-Tanaka模式以及雙層法(Two-level recursive scheme)進行等效性質與磁電耦合效應的模擬；另外亦使用有限元素軟體COMSOL Multiphysics來驗證理論結果。研究成果顯示，在現有常用的材料中，三相複合材料最佳的配置為LiNbO3/CoFe2O4/Terfenol-D，其磁電電壓係數為-38V/cmOe，其磁電耦合效應比起對應的雙相複合材料(LiNbO3/Terfenol-D)最多能提升至4.2倍。此外亦發現，降低材料的介電係數以及母材的彈性係數對於磁電耦合效應有大幅度的提升。並且發現彈性係數與磁電耦合效應具有相關性：在同時擁有兩相壓磁材料的情況下，較高的磁導率以及較低的壓磁係數需搭配較高的彈性係數；較低的磁導率以及較高的壓磁係數則需搭配較低的彈性係數。此外在彈性係數較高的情況下去改變材料的介電係數與磁導率，對於磁電耦合效應影響較顯著。
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本研究主要分析在彈性基礎上的高樓結構中，加入耦合剪力牆後，當受側向外力時，求得剪力牆承受的軸力、側向變位、彎矩、剪力…等力學性質，並探討耦合剪力牆對側向變位之抑制效果，及當各項參數改變時其相對應之關係。 研究的方法是以繫樑的中心點為基準，建立變形的諧和條件式及力-位移的關係式，再求解聯立方程式，即可求得耦合剪力牆之解析解，再套入基本參數去做數值分析。
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中文摘要 本 文利用美國陸軍工程師團所開發的水文地貌法 （Hydrogeomorphic Approach ,HGM）做為修改基礎，將其內容依照 台灣海岸棲地之特性進行修改。於模式內容修改期間，本研究聘請一 組相關領域之生態專家學者，憑藉著專家學者之知識與經驗，判斷模 式在內容修改方面之合適性。建立完成之模式主要由10項棲地影響因 子與4項棲地評價功能指標組成，並更名為”海岸水文地貌棲地評估模 式”。 本文於台灣海岸棲地中挑選兩處做為水文地貌模式應用區域，分 別為屏東海岸與桃竹苗海岸。利用水文地貌模式對海岸樣區進行評估， 同時邀請生態學專家，以面對面開會討論以及觀看現地影像資料之方 式，對海岸樣區直接評價其生態價值。將模式評估結果與專家評估結 果進行相關性分析，可得知於屏東海岸整體棲地生態評價皮爾森相關 係數(R)為0.90；桃竹苗海岸整體棲地生態評價之皮爾森相關係數(R) 為0.81，顯示此模式具有相當高的可信度。此海岸水文地貌模式的建 立，有利於不熟悉生態價值的工程人員在施工前進行生態棲地評估。