113 年 國立成功大學土木工程系碩士班乙組《基礎工程》

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第 1 題45 分

Fig. 1 shows a mat foundation. Please answer the following questions (45%)

Mat size: BxL = 8m x 8m
Q = 36,000 kN
Groundwater table at 5m depth.
Sand layer 1 (above groundwater table): thickness = 5m, γ=16 kN/m3\gamma = 16 \, \text{kN/m}^3, ϕ′=30∘\phi' = 30^\circ.
Sand layer 2 (below groundwater table): thickness = 6m, γ=18 kN/m3\gamma = 18 \, \text{kN/m}^3, ϕ′=30∘\phi' = 30^\circ.
Clay layer: thickness = 4m, e0=0.6e_0 = 0.6, σc′=200 kPa\sigma'_c = 200 \, \text{kPa}, γ=17 kN/m3\gamma = 17 \, \text{kN/m}^3.
Incompressible layer below clay.

Bearing capacity factors (for Terzaghi's theory)

ϕ′\phi'NcN_cNqN_qNγN_\gamma
2627.0914.219.84
2729.2415.9011.60
2831.6117.8113.70
2934.2419.9816.18
3037.1622.4619.13
3140.4125.2822.65
3244.0428.5226.87
3348.0932.2331.94
3452.6436.5038.04

Fig. 2: Contours of Δσ/q0\Delta\sigma / q_0 (Δσ\Delta\sigma: vertical stress increase) below the center line of a squared loaded area.

(1) Determine the average net pressure on soil caused by the mat foundation (5%).
(2) Use Terzaghi's bearing capacity theory (the factors given in the table below Fig. 1) to determine the net ultimate bearing capacity of this mat (only considering the contribution of sand layer; NOTE the groundwater table!) and also calculate the factor of safety based on the answer of (1) (15%).
(3) Assuming the mat can be regarded as a uniformly loaded squared area, suggest a minimum depth of boring based on Fig. 2 (the approximate depths corresponding to Δσ/q0\Delta\sigma/q_0 values of 0.05, 0.1, and 0.02 noted in Fig. 2 may be used) and also briefly explain the reason (5%).
(4) Again, regarding the mat as a uniformly loaded squared area, estimate the vertical stress increase caused by the mat foundation below its center at the middle of clay layer based on the Fig. 2 (5%).
(5) Following (4), estimate the consolidation settlement of the clay layer under the center of the mat (Cc=0.3C_c = 0.3 and Cs=0.1C_s = 0.1; using the stress increase at the middle of the clay layer as the average) (15%).

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核心觀念

本題考查:

  1. 基礎底面平均淨壓力。
  2. 考慮地下水位影響的 Terzaghi 方形基礎承載力。
  3. 方形均布荷載下,深度與應力增量比 Δσ/q0\Delta\sigma/q_0 的關係。
  4. 黏土層受壓後的固結沉陷,包括再壓縮段與正常壓密段。

由 Fig. 1,筏式基礎底面位於地表下 Df=3 mD_f=3\ \text{m},基礎尺寸為 8 m×8 m8\ \text{m}\times8\ \text{m}。


(1) 土壤所受平均淨壓力

筏基面積為

A=8×8=64 m2A=8\times8=64\ \text{m}^2

基礎平均接觸壓力為

q=QA=3600064=562.5 kPaq=\frac{Q}{A} =\frac{36000}{64} =562.5\ \text{kPa}

基礎開挖至深度 3 m3\ \text{m},被移除的上覆砂土壓力為

qs=γ1Df=16×3=48 kPaq_s=\gamma_1D_f =16\times3 =48\ \text{kPa}

因此平均淨壓力為

q0=q−qs=562.5−48=514.5 kPaq_0=q-q_s =562.5-48 =514.5\ \text{kPa}

(2) 淨極限承載力與安全係數

解題方法

基礎底面位於地下水位以上 2 m2\ \text{m},底面土為第一層砂土,採用 Terzaghi 方形基礎公式:

qult,net=q′(Nq−1)+0.4γeqBNγq_{ult,net} =q'(N_q-1)+0.4\gamma_{\text{eq}}BN_\gamma

其中:

  • q′=γ1Dfq'=\gamma_1D_f:基礎底面有效上 surcharge。
  • Nq=22.46N_q=22.46。
  • Nγ=19.13N_\gamma=19.13。
  • B=8 mB=8\ \text{m}。
  • γeq\gamma_{\text{eq}}:考慮地下水位後,基礎寬度範圍內的平均有效單位重。

地下水位修正

地下水位在基礎底面下:

zw=5−3=2 mz_w=5-3=2\ \text{m}

基礎寬度範圍內,水位以上有 2 m2\ \text{m} 砂土,水位以下有 6 m6\ \text{m} 砂土。

取 γw=9.81 kN/m3\gamma_w=9.81\ \text{kN/m}^3,水下砂土有效單位重為

γ2′=γ2−γw=18−9.81=8.19 kN/m3\gamma'_2=\gamma_2-\gamma_w =18-9.81 =8.19\ \text{kN/m}^3

平均有效單位重:

γeq=2(18)+6(8.19)8=10.64 kN/m3\gamma_{\text{eq}} =\frac{2(18)+6(8.19)}{8} =10.64\ \text{kN/m}^3

基礎底面有效 surcharge:

q′=γ1Df=16(3)=48 kPaq'=\gamma_1D_f=16(3)=48\ \text{kPa}

代入承載力公式:

qult,net=48(22.46−1)+0.4(10.64)(8)(19.13)q_{ult,net} =48(22.46-1)+0.4(10.64)(8)(19.13) qult,net=1030.08+651.5≈1682 kPaq_{ult,net} =1030.08+651.5 \approx1682\ \text{kPa}

安全係數以第 (1) 題的淨壓力計算:

FS=qult,netq0=1682514.5≈3.27FS=\frac{q_{ult,net}}{q_0} =\frac{1682}{514.5} \approx3.27

(3) 最小鑽探深度

解題方法

Fig. 2 顯示方形均布荷載中心線下方的應力增量比:

  • z≈1.5Bz\approx1.5B 時,Δσ/q0≈0.2\Delta\sigma/q_0\approx0.2
  • z≈2.0Bz\approx2.0B 時,Δσ/q0≈0.1\Delta\sigma/q_0\approx0.1
  • z≈3.0Bz\approx3.0B 時,Δσ/q0≈0.05\Delta\sigma/q_0\approx0.05

工程上通常鑽探至附加應力約降至基礎淨壓力的 10%10\%,作為主要壓縮變形影響範圍的下限。因此取

z=2B=2(8)=16 mz=2B=2(8)=16\ \text{m}

這是由基礎底面向下的深度。換算成由地表起算:

Dboring=Df+2B=3+16=19 mD_{\text{boring}}=D_f+2B =3+16 =19\ \text{m}

此深度可涵蓋主要應力影響區。若採較嚴格的 5%5\% 判定,則需鑽至基礎底面下 3B=24 m3B=24\ \text{m},即地表下約 27 m27\ \text{m}。


(4) 黏土層中點的垂直應力增加

黏土層頂面位於地表下

5+6=11 m5+6=11\ \text{m}
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第 2 題45 分

For the gravity retaining wall (concrete = 24 kN/m³) as shown in Fig 3, give the following data.
Wall dimensions: H = 5 m, D = 1 m, x1=x4=x5=0.5 mx_1 = x_4 = x_5 = 0.5 \, \text{m}, x2=x3=x6=1 mx_2 = x_3 = x_6 = 1 \, \text{m}.
Soil properties:
γ1=16 kN/m3\gamma_1 = 16 \, \text{kN/m}^3, ϕ1′=30∘\phi'_1 = 30^\circ, c1′=0c'_1 = 0.
γ2=17 kN/m3\gamma_2 = 17 \, \text{kN/m}^3, ϕ2′=20∘\phi'_2 = 20^\circ, c2′=30 kN/m2c'_2 = 30 \, \text{kN/m}^2.
At the interface of the soil and the base: friction angle δ′=(1/2)ϕ2′\delta' = (1/2)\phi'_2; adhesion ca′=(1/2)c2′c'_a = (1/2)c'_2.

Answer the following questions (45%).

(1) Calculate the Rankine active force per unit length of the wall (with the simplified assumption for design). (10%)
(2) Following (1), Calculate the corresponding overturning moment about the toe. (5%)
(3) Following (2), Calculate the factor of safety against overturning (neglect the passive force in front of the wall). (10%)
(4) Following (1), calculate the factor of safety against sliding (neglect the passive force in front of the wall). (10%)
(5) Is the wall safe (considering both overturning and sliding)? If not, give one suggestion for improvement. (10%).

Fig. 3
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核心觀念

本題考查重力式擋土牆的:

  1. Rankine 主動土壓力;
  2. 以牆趾為支點的傾覆力矩與抗傾覆力矩;
  3. 基礎底面摩擦力與黏著力所提供的抗滑力。

依圖,土 1 為牆後填土,土 2 為基礎底面土;牆後 heel 上方的填土重量亦列入垂直荷載。


幾何與垂直荷載

基礎底寬:

B=x4+x2+x1+x3+x5=0.5+1+0.5+1+0.5=3.5 mB=x_4+x_2+x_1+x_3+x_5 =0.5+1+0.5+1+0.5=3.5\ \text{m}

牆身底寬與頂寬分別為:

bb=x2+x1+x3=2.5 m,bt=x1=0.5 mb_b=x_2+x_1+x_3=2.5\ \text{m},\qquad b_t=x_1=0.5\ \text{m}

由於 x2=x3x_2=x_3 且 x4=x5x_4=x_5,混凝土牆身與基礎的重心均位於基礎中央:

xˉc=B2=1.75 m\bar{x}_c=\frac{B}{2}=1.75\ \text{m}

1. 牆身重量

牆身截面積:

Aw=bb+bt2H=2.5+0.52(5)=7.5 m2A_w=\frac{b_b+b_t}{2}H =\frac{2.5+0.5}{2}(5)=7.5\ \text{m}^2

因此:

Ww=24(7.5)=180 kN/mW_w=24(7.5)=180\ \text{kN/m}

2. 基礎重量

Wb=24(Bx6)=24(3.5)(1)=84 kN/mW_b=24(Bx_6)=24(3.5)(1)=84\ \text{kN/m}

3. heel 上方填土重量

Ws=γ1Hx5=16(5)(0.5)=40 kN/mW_s=\gamma_1 Hx_5 =16(5)(0.5)=40\ \text{kN/m}

填土重心距牆趾:

xs=B−x52=3.5−0.52=3.25 mx_s=B-\frac{x_5}{2} =3.5-\frac{0.5}{2}=3.25\ \text{m}

總垂直力:

N=Ww+Wb+Ws=180+84+40=304 kN/mN=W_w+W_b+W_s=180+84+40=304\ \text{kN/m}

(1) Rankine 主動土壓力

土 1 的 Rankine 主動土壓係數:

Ka=1−sin⁡ϕ1′1+sin⁡ϕ1′=1−sin⁡30∘1+sin⁡30∘=13K_a=\frac{1-\sin\phi'_1}{1+\sin\phi'_1} =\frac{1-\sin30^\circ}{1+\sin30^\circ} =\frac{1}{3}

因為 c1′=0c'_1=0,主動土壓呈三角形分布:

Pa=12Kaγ1H2P_a=\frac{1}{2}K_a\gamma_1H^2 Pa=12(13)(16)(52)=66.67 kN/mP_a=\frac{1}{2}\left(\frac{1}{3}\right)(16)(5^2) =66.67\ \text{kN/m}

主動土壓作用點位於牆底以上:

H3=53=1.667 m\frac{H}{3}=\frac{5}{3}=1.667\ \text{m}

(2) 對牆趾的傾覆力矩

牆趾取在基礎底部,因此主動土壓作用線至牆趾的垂直距離為:

za=H3+D=53+1=2.667 mz_a=\frac{H}{3}+D =\frac{5}{3}+1 =2.667\ \text{m}

故傾覆力矩:

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第 3 題10 分

Fig. 4 shows the axial force distribution with depth of a pile, which represents its load transfer mechanism. As its ultimate load-carrying capacity QuQ_u was reached by a vertical compression load test, the axial force distribution curve is curve (B). The diameter and length of the pile are 0.6 m and 20 m, respectively. Answer the following questions (10%).

(1) Determine the average unit friction resistance (per area) at the depth range of 0~10 m? (5%)
(2) If the factors of safety for the frictional resistance of the pile skin and the load-carrying capacity of the pile point are 2.5 and 4, respectively, determine the allowable load-carrying capacity of this pile. (5%)

Fig. 4
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本題考驗對樁之載重傳遞機制的理解,以及如何從軸力分佈圖推求摩擦阻力與容許承載力。

基本資訊:
樁徑 D=0.6 mD = 0.6 \, \text{m}
樁長 L=20 mL = 20 \, \text{m}
樁身橫截面積 Ap=πD24=π(0.6)24=0.36π4=0.09π m2≈0.2827 m2A_p = \frac{\pi D^2}{4} = \frac{\pi (0.6)^2}{4} = \frac{0.36 \pi}{4} = 0.09 \pi \, \text{m}^2 \approx 0.2827 \, \text{m}^2
樁身周長 Cp=πD=π(0.6)=0.6π m≈1.885 mC_p = \pi D = \pi (0.6) = 0.6 \pi \, \text{m} \approx 1.885 \, \text{m}

圖 4 顯示樁的軸力分佈。曲線 (B) 代表極限承載力 QuQ_u 已達到時的軸力分佈。
在樁頂 (z=0z=0),軸力為 Q(z=0)=1800 kNQ(z=0) = 1800 \, \text{kN}。
在樁底 (z=20 mz=20 \, \text{m}),軸力為 Q(z=20)=400 kNQ(z=20) = 400 \, \text{kN}。
這表示樁身從頂部傳遞下來的總負載為 1800 kN1800 \, \text{kN},但由於樁的極限承載力(包含摩擦阻力與樁尖阻力)作用,最終只有 400 kN400 \, \text{kN} 傳遞到樁尖。

(1)計算 0~10m 深度範圍內的平均單位摩擦阻力 (Average Unit Friction Resistance) (5%)

樁身從頂部傳遞下來的軸力 Q(z)Q(z) 隨深度 zz 變化,其變化量 ΔQ\Delta Q 是由該段深度範圍內的單位摩擦阻力 τf\tau_f 和樁身周長 CpC_p 所承受。
ΔQ=Q(z1)−Q(z2)=∫z1z2τf(z)Cp dz\Delta Q = Q(z_1) - Q(z_2) = \int_{z_1}^{z_2} \tau_f(z) C_p \, dz
若假設平均單位摩擦阻力 τf,avg\tau_{f,avg} 在某深度範圍內是均勻的,則:
ΔQ=τf,avg×Cp×Δz\Delta Q = \tau_{f,avg} \times C_p \times \Delta z
τf,avg=ΔQCp×Δz\tau_{f,avg} = \frac{\Delta Q}{C_p \times \Delta z}

我們需要計算 010m 深度範圍內的軸力變化量 ΔQ\Delta Q。
從圖 4 中讀取:
在 z=0 mz=0 \, \text{m} 時,Q(0)=1800 kNQ(0) = 1800 \, \text{kN}。
在 z=10 mz=10 \, \text{m} 時,Q(10)=1400 kNQ(10) = 1400 \, \text{kN}。
所以,在 0
10m 深度範圍內的軸力變化量 ΔQ=Q(0)−Q(10)=1800 kN−1400 kN=400 kN\Delta Q = Q(0) - Q(10) = 1800 \, \text{kN} - 1400 \, \text{kN} = 400 \, \text{kN}。

這個 ΔQ\Delta Q 是由 0~10m 深度範圍內的樁身摩擦阻力所承受。
ΔQ=400 kN\Delta Q = 400 \, \text{kN}。

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