中央大學土木工程學系學位論文
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筒倉試驗常用於探討顆粒體的流動特性，包含速度、壓力、流量等，不同之筒倉幾何參數及顆粒材料參數會呈現不同的流動型態。本研究係用PFC 3D軟體並以實驗室內筒倉之幾何參數及顆粒材料參數進行數值模擬，並分析顆粒於筒倉內流動之型態、速度、流量、流動路徑軌跡，以及顆粒流出筒倉後落入下方矩形渠槽之堆積分佈。本模擬將筒倉內顆粒依垂直高度分為五種不同之顏色，依流動型態分析本模擬之結果類似於漏斗狀流動(funnel flow)，顆粒流動時流量峰值與低值會有週期性之變化；經單顆粒追蹤結果發現越靠近筒倉上方之顆粒，在流動時會有往中間集中之現象；顆粒從筒倉落入下方矩形渠槽後堆積之分佈與原本筒倉內顆粒之分佈差異很大。
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全球氣候變遷影響下，極端的氣候事件增加，高強度降雨所造成之災情變的更加嚴重且頻繁，土石流與洪流事件也隨之增加。台灣山麓沖積扇經常成為各村莊、部落的聚集地。若產生土石流災害，對人民生命安全及財產的損失將造成嚴重的威脅。本實驗利用小尺度的三維渠槽，搭配雷射光與相機進行研究，並於流量率定時探討桶倉(silo)內粒流動之情形，再藉由改變水砂比(n)以及積水深度對沖積扇(alluvial fans)型態之縱剖面、橫剖面、扇緣堆積形態以及頂積層(topset)與前積層(foreset)角度進行分析及探討。 本實驗主要控制參數為顆粒粒徑、水砂比(n)、積水深度，其水砂比為水流量(Qw)與顆粒出流量(Qs)之比值(Qw/Qs)。研究結果顯示桶倉開口大小與顆粒粒徑是主要影響流量的因子，流動情況與流出開口之順序與顆粒是否在不動區內有極大之關係。縱剖面堆積高度與積水高度和顆粒粒徑有關，且積水深淺時，縱剖面呈現一凹向上之曲線形態。橫剖面型態則為一凸向上之剖面，並隨著縱方向越來越大而更加明顯，並於積水深度較深時，幾乎趨於凸向上之剖面甚至呈直線，而形態也越趨於一致。沖積扇堆積範圍與水砂比大小有關，但積水深越深，因受水體阻擋而使得堆積形態趨於相似。頂積層角度於水砂比越大或積水深越深而變小；前積層角度則於積水深變深時略增。
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本研究針對淡水河口沙嘴的風吹砂及水下沙丘進行現地監測與分析，並探討其形態及輸砂特性。風吹砂效應之研究乃分析風速及影像資料，以了解風場對淡水河口沙丘及灘線的影響，並以α值代表風場均勻之狀態。水下沙丘之型態則以Van Rijn(1984)方法進行分析，並估算沙丘運移距離。風吹砂研究結果顯示以主要風向及各風向均勻度，可判斷出控制沙丘運移之主要風向，於冬季時，風場最為均勻，沙丘運移距離也最大；本研究分析之沙丘運移結果，顯示淡水河口之風吹砂效應是向西南方運移，與灘線之變化趨勢不一致，因此，灘線變遷與風吹砂效應的關聯性不明顯。淡水河底床型態分析結果，顯示底床型態分類屬於沙丘。本研究分別於河口外(A)、河口內(B)兩段進行水下沙丘之測量，A段於8月7日至10月20日平均約向下游運移94公尺，B段於8月7日至10月20日平均約向下游運移65公尺。懸浮載的輸送量大於底床載，且在沙丘波峰處兩者都有較大值出現。
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土石流是台灣山區最常致災的坡地災害之一，為降低災害損害，除了由事件發生前的降雨量提出預報，也能利用現地傳感器偵測土石流的流動高度、地表震動變化，以得知其發生強度與時間，進而進行相應對策與預警。本研究分別利用室內實驗與現地監測之地聲、超聲波與影像系統，將顆粒流與土石流之流動特性與地聲訊號相互比較驗證，以分析兩者之相關性。本文主要探討 2015/5/28 梅雨期間的鋒面降雨所引起之火炎山土石流事件。 在室內實驗中，由監測資料顯示顆粒流動特徵頻率約300 Hz，且其強度與流動高度有明顯的正相關性。在現地監測中，礫石型土石流主頻分佈比泥流型濃度土石流頻譜高；本次事件礫石型頻譜特性介於30 ~ 45Hz，泥流型土石流頻譜特性則在 20 ~ 30Hz 間。藉由影像系統驗證地聲與超聲波系統，得知地聲儀測得地聲數據特性與流動高度之間的相關性，以作為土石流預警系統之闕值訂定依據。
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潛盾機在大卵礫石層之掘進中，因大卵礫石切削不易、出碴困難及開挖面土艙壓力控制不易處理，致使潛盾機在卵礫石層之潛盾隧道施工中，常發生受困及阻礙影響。 本文針對卵礫石層中之潛盾隧道施工案例，並參考各工程案例與潛盾隧道施工相關的工程參數，如地下水位、卵礫石含量、卵礫石最大粒徑等地質條件，以及潛盾機外徑、覆土深度等工程基本資料，藉以瞭解潛盾之施作方法，並針對潛盾機於卵礫石層中之掘進過程，由於卵礫石地層之不確定性，造成潛盾機遭遇障礙以致潛盾機前進受困停滯影響，並以實際施工案例，探討潛盾工法於卵礫石層之施工困難點，及現場困難問題之解決對策等。所得之心得期能提供後續設計與施工之參考。
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利用水泥來進行土壤改良，透過少量的水泥添加，可提升回填土壤之工作性及適用性。在過去已有相關之動力三軸、靜力三軸及抗分散劑之添加等的研究與成果。然而，在受剪時間效應部分之探討卻仍顯得不足。本研究針對此一部分，進行相關之試驗分析與探討。 在靜力三軸壓密不排水試驗方面，結果顯示添加水泥後，砂土產生改良作用，使得剪力強度提升。以靜力三軸壓密不排水潛變試驗，來瞭解水泥改良土之超額孔隙水壓隨時間之變化，試驗結果顯示添加水泥能降低超額孔隙水壓隨時間的增量。將試驗數據繪製成圖形並加以分析，求得一組不同水泥配比的剪脹係數與時間之關係式，經由此關係式可計算砂質水泥改良土受長時間軸向加載之超額孔隙水壓增量。以靜力三軸壓密不排水分階加載試驗來模擬，比較試驗結果與關係式之計算值是否相近，結果兩者十分一致，顯示本研究所得之關係式，具有一定之準確性，可用來作為實務上推估超額孔隙水壓隨時間之增量。最後，進行動力三軸試驗，探討其超額孔隙水壓之變化，結果發現與靜力試驗結果不同，快速加載有產生負值超額孔隙水壓之趨勢。
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本研究分析的方式採用向量式有限元素(VFIFE);在時間增量 非常小且所有變位增量均很小的情況下，使用勁度矩陣改變原先VFIFE以剛體平移、逆向剛體轉動計算構件內力的方式，且當與剛域相連接的柔性構件產生塑鉸時，本研究以改變勁度矩陣的方式計算構件內力。 對於VFIFE中以一有限長度剛性桿件模擬剛域導致數值不收斂的情況，本研究提出一套平面構架之構件考慮剛域的分析流程，以三個平面構架算例，探討平面構架之構件考慮剛域與否對於整體結構物的影響。同時，在不考慮偏心的情況下，提出平面構架結合軸向彈簧近似模擬空間雙對稱構架受單向震波的結構動力模式，以兩個空間構架算例，探討空間構架之構件考慮剛域與否對於整體結構物的影響。 此外，本研究在VFIFE中平面構架之構件考慮剛隔版的分析流程，以三個平面構架算例，探討平面構架之構件考慮剛隔版與否對於整體結構物的影響。並重新探討剛隔版質心自由度的考量，以三個平面構架算例，分別考慮一個自由度、兩個自由度、三個自由度對於整體構架的影響。
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含微孔圓球受均佈或三軸拉力的力學問題，與材料損傷研究有關。過去三十年，相關的研究不少，有數值的分析，也有解析解。 本文旨在指出目前仍被忽略的兩個細節。其一是，有限元素法計算圓球受均佈拉力之問題時，在微孔快速擴張的臨界邊界值之計算，與精確解所描述者相當接近，會讓人以為數值解值得信賴，但是，數值解其實並不滿足材料組成律！！其二是，圓球受三軸拉力而變形，可由Hou – Abeyaratne Field 來描述，此近似的解析解推測圓形微孔會變成橢球狀。此與數值計算結果一致，故一般認為此解析解在定性上表現不錯，但本文發現此解析解在定性上與數值解之結果其實相差頗多。
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有鑑於台灣地區天然資源有限，政府遂於民國八十五年推動再生瀝青混擬土利用。但依行政院公共工程委員會所頒布的施工綱要規範，再生瀝青混凝土的瀝青刨除料添加量最高上限為百分之四十，而額外的百分之六十瀝青刨除料將無法使用於瀝青鋪面中。此外，各縣市政府近年來大力推動的路平專案，也使得瀝青鋪面經養護後所產生的瀝青刨除料持續增加，進而造成環境汙染。 透過國外發泡瀝青技術做為穩定方式，本研究將瀝青刨除料應用於道路底層以評估回收刨除料輔以發泡技術之本土適用性。實驗結果顯示，瀝青刨除料經發泡瀝青穩定技術處理後不僅符合國內相關規範，且卵石當量值也優於天然碎石級配和瀝青處理底層。 在生產過程中，熱拌工法的消耗能源碳排放量是生產冷拌的109.91倍，且每公噸熱拌瀝青的消耗能源成本也高達生產冷拌的55.32倍；從生產材料角度來看，熱拌工法使用材料的碳排放量相當於冷拌工法的1.26倍，且每公噸的材料成本也相當於冷拌工法的2.04倍。 經實驗室所進行的成效試驗及效益試算，研究發現發泡瀝青穩定處理底層可應用於道路底層中，除可降低成本更可達碳足跡減量之效益。
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從十九世紀工業革命時代開始，人為所製造的空氣汙染與溫室氣體排放量不斷攀升，加速了全球暖化與各地氣候異常變化，對環境造成巨大的衝擊與變遷。全球環境已逐漸異常變化，而暖化已成為現今最重視的熱門話題，而對於最貼近人民的土木工程而言，臺灣道路遍布各個地區，且不透水性鋪面容易造成熱島效應產生。 故本研究針對混凝土製品其範圍主要限定應用於透水性鋪面之工程，包含底層使用透水混凝土及傳統級配；面層使用多孔隙瀝青混凝土與一般瀝青混凝土作比較。依循該項混凝土製品之產品類別規則(Product-Category Rules, PCR)設定其計算邊界，從搖籃到大門(Cradle to gate)為評估混凝土製品範圍，並建立透水性鋪面碳足跡計算方式，利用電腦系統方式建立透水性鋪面碳足跡之評估系統。 研究結果指出混凝土製品各階段之碳排放量計算影響最大因素為配合設計結果之原料比例；生產一噸多孔隙瀝青混凝土製品，從原料階段到瀝青混凝土廠生產階段共產生186.38 kg CO2-e/T。本研究建置透水性鋪面碳足跡系統係為精簡化計算程序，亦可計算不同類型鋪面之二氧化碳排放量。 透水性鋪面體感舒適性指標之結果顯示，四種斷面以酷熱指數於高溫與透水性鋪面不含水之狀態下，其酷熱指數並無顯著差異；含水之狀態下，傳統級配斷面之酷熱指數>透水混凝土斷面之酷熱指數(Heat Index, HI)。 透水性鋪面節能減碳之效益評估分析結果顯示，假設當月以最高溫37.9度作簡化換算碳排放量得知，三種斷面與傳統級配之碳排放量差以斷面三(C-40碎石級配)之差距最大(122.71 kg CO2-e/月)。