以數值模擬岩石節理面之剪力行為

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許凱翔(Kae-shyang Sheu) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

以數值模擬岩石節理面之剪力行為

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摘要(中)

本文利用PFC2D模擬岩石節理面承受直接剪力下之力學行為，節理面之幾何型態包括：不同粗糙角之規則節理面及Barton JRC不規則節理面；探討變因包括：不同正向應力、尺寸、微觀參數；觀察的項目包括：剪力阻抗與剪位移之關係、剪力強度參數、裂縫發展及破壞模態。在分析方面，本文之模擬結果分別與Patton (1966)及張文城(1988)之規則節理面模式及Barton (1977)不規則節理面模式進行比較。結果顯示：在高、低正向應力時，模擬結果符合Patton (1966)雙線性剪力強度模式及張文城(1988)剪力強度模式。在臨界正向應力時，張文城(1988)剪力強度模式與本文模擬結果相符。破壞模態之分布上，模式I破壞發生在低正向應力；模式III破壞發生在臨界正向應力；模式IV破壞發生在高正向應力。不規則節理面分析上使用Barton (1977)提出之剪力強度模式，在正向應力3MPa前，數值模擬結果與Barton (1977)預測值相當吻合；在高正向應力時(3MPa以上)，此模式會高估節理面之剪力強度。不規則節理面的剪力強度並不隨著節理面尺寸增加而改變，與Ueng et al. (2010)、鄒岳展(2002)實驗觀察相似。

摘要(英)

This paper used Particle Flow Code in 2 dimension (PFC2D) to simulate shear behaviors of rock joints under direct shear tests. Geometry of joints include (1) regular joints in different roughness angles and (2) irregular joints of Barton’s JRC profiles. Controlled variables involves different normal stresses, specimen sizes, and micro parameters. Shear resistance-shear displacement relation, shear strength parameters, crack propagation, and failure modes were observed in this paper. For regular joint models, the simulation results compared well with Patton (1966) and Chang (1988) shear strength models in higher and lower normal stresses, but only compared well with Chang (1988) in critical normal stresses. For irregular joint models, simulation results compared well with Barton (1977) estimation in low normal stresses (< 3MPa). In higher normal stresses (≧3MPa), Barton (1977) will overestimate this paper simulations. Three failure modes were observed in this paper, (1) Mode I, failure occurs in lower normal stress; (2) Mode III, failure occurs in critical normal stress; (3) Mode IV, failure occurs in higher normal stress. Scale effects were not be observed in this paper, as same as Ueng et al. (2010) and Zou (2002) experimental tests.

關鍵字(中)

★ PFC2D
★ 岩石節理面
★ 直接剪力試驗
★ 破壞模式

關鍵字(英)

★ PFC2D
★ rock joint
★ direct shear test
★ failure mode

論文目次

摘要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
符號說明 XIII
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法與目的 2
1.3 研究架構 3
第二章文獻回顧 4
2.1 岩石節理面之定義 4
2.2 節理面之剪力強度模式 5
2.3 節理面之破壞模式 9
2.4 節理面之粗糙度與尺寸效應 21
2.5直接剪力試驗數值模型 28
第三章數值模型建立 36
3.1顆粒流程式PFC2D軟體介紹 36
3.1.1 PFC2D軟體簡介 36
3.1.2 PFC2D運算原理 37
3.1.3 顆粒接觸模式 37
3.2 岩石節理面模型建置步驟 42
3.3. 模型參數設定 47
3.4. Patton(1966)與張文城(1988)剪力模式之應用 48
第四章數值模擬結果與探討 50
4.1岩石材料之模擬與分析 50
4.1.1岩石材料基本力學試驗 50
4.1.2模擬材料之力學性質相似性分析 53
4.2直接剪力試驗之參數研究 56
4.2.1摩擦係數之影響 56
4.2.2位移速率之影響 59
4.2.3顆粒粒徑之影響 61
4.3規則岩石節理面 63
4.3.1 剪力阻抗與剪位移之關係 63
4.3.2裂縫發展 74
4.3.3破壞模式 80
4.3.4破壞粗糙角 84
4.3.5 與Patton(1966)、張文城(1988)剪力強度模式比較 89
4.3.6不對稱鋸齒模型 98
4.4不規則岩石節理面 102
4.4.1剪力阻抗與剪位移之關係 102
4.4.2不規則岩石節理面之尺寸效應 113
4.4.3不規則岩石節理面破壞過程 117
第五章結論與建議 119
5.1 結論 119
5.2 建議 122
參考文獻 123
附錄A 規則節理面尺寸效應 127
附錄B 論文口試委員提問與回覆對照表 131

參考文獻

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指導教授

田永銘(Yong-ming Tien)

審核日期

2014-7-30

推文