混成岩模型試體製作與體積比量測

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劉哲明(Che-Ming Liu) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

混成岩模型試體製作與體積比量測
(Methods of Preparing Artificoal Melange Model and Volumetric Proportion Measurement)

相關論文

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摘要(中)

混成岩為泥質填充物夾著許多外來岩塊或岩屑所組成，其力學性質受到異質性和異向性之影響，由於混成岩取樣不易，且很難自現地取得數量足夠之試體進行試驗。本研究採用水泥和高嶺土等材料調配不同之配比，製作出人造混成岩試體，以供日後研究之所需。
本研究初步以FLAC有限差分軟體分析混成岩之尺寸效應及顆粒尺寸之影響。根據分析結果，決定以人造圓板狀顆粒(直徑15mm，厚度3mm)模擬岩塊材料(block)，經由欲控制的體積比計算可得製作試體時所需層數和顆粒數，再利用『顆粒排列器』將圓板狀顆粒水平放置於每層基質泥(matrix)上，之後再鋪上所需基質泥並刮平，重覆上述步驟至試體所需高度。待試體養護完成後，利用不同角度鑽取，可得一系列不同傾角之混成岩試體。
根據立體量測學之觀念，利用旋轉式掃瞄器擷取試體表面影像，以影像處理法計算其岩塊材料之體積比，並與單位重法所得結果做一比較，由比較結果顯示影像處理法和單位重法皆具有可靠度，但影像處理法可大量縮短試驗時間且提供較佳之精度。

摘要(英)

Melange - A mappable body of rock that includes fragments and blocks of all size, both exotic and native, embedded in a fragmented and generally sheared matrix, mechanical properties affected by heterogeneous and anisotropy. Melange is difficult to get sufficient amount from nature to do the experiment. In this research, artificial melange samples are made from nature rock materials (cement and kaolin) with different blending ratio for further use.
First, the thesis initially uses FLAC program to analyze the influence by the scale effect of melange and bead size. According to the analyzing result, we decide to prepare artificial beads in the form of round-plate (diameter: 15mm, thickness: 3mm) to simulate the block. By knowing control volume proportion, we can calculate the number of layer and bead to make the sample. Next, we use bead lining-up machine to put the beads horizontally on each matrix, and then spread matrix on the beads to flatten the surface. Repeat the above steps until the sample reaches required height. After the sample is finished, melange specimen is drilled with various dip angles. And we can obtain melange with different inclined angles.
According to the concept of stereology, rolling-scanner is used to get the surface image of the sample. By using Image process method, we calculate the volumetric block proportion of the enhanced material and compare the result obtained from Unit weight method. After the comparison, both methods are reliable, but Image process method can reduce great amount of experiment time and is more accurate than Unit weight method.

關鍵字(中)

★ 併構岩
★ 混成岩
★ 橫向等向性

關鍵字(英)

★ transversely isotropic
★ bimrock
★ melange

論文目次

目錄
中文摘要………………………………………………………………….I
英文摘要…………………………………………………………………II
目錄………………………………………………………………………III
圖目錄……………………………………………………………………VI
表目錄……………………………………………………………………X
第一章緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究內容 1
1.3 論文內容 2
第二章文獻回顧 3
2.1 岩石的異向性 3
2.2 變形異向性 3
2.3 壓縮強度異向性 4
2.4 異向性岩體之強度破壞準則 5
2.4.1 Jaeger (1960)單一弱面理論 5
2.4.2 McLamore & Gray (1967)破壞準則 6
2.4.3 Hoek & Brown (1981) 破壞準則 7
2.4.4 Tien & Kuo (2001)強度破壞準則 8
2.5 混成岩相關研究 11
2.5.1 力學性質 11
2.5.2 岩塊材料體積比量測 14
2.6 影像處理法在工程上之應用 18
第三章混成岩試體製作與試驗方法 21
3.1 岩石模擬材料之選擇 21
3.1.1 模型材料的配比 23
3.1.2 圓板狀顆粒數量估算方法 24
3.1.3 模型材料的製作過程 25
3.1.4 岩心編號 31
3.2 試驗儀器 31
3.2.1 模具 31
3.2.2 顆粒排列器 32
3.2.3 岩石鑽修設備 38
3.2.4 旋轉式掃瞄器 39
3.2.5 100噸岩石壓力機 40
3.2.6 三軸圍壓系統 42
3.2.7 量測系統 43
3.3 基本力學性質試驗 43
3.3.1 單壓強度試驗 43
3.3.2 三軸壓縮試驗及應變量測 44
第四章混成岩力學性質之數值模擬 45
4.1 混成岩試體之基本物理及單一材料之力學行為 45
4.1.1 單一模擬材料之基本物理性質 45
4.1.2 單一模擬材料之力學性質 46
4.2 數值分析方法與分析結果 49
4.2.1 網格建立 49
4.2.2 分析結果 51
第五章混成岩岩塊材料體積比量測 62
5.1 單位重法 62
5.2 掃瞄線法 63
5.3 影像處理法 72
5.3.1 灰階門檻值之決定 72
5.3.2 人工合成圖之評估 75
5.4 人造混成岩試體體積比之量測 80
5.4.1 圓柱試體表面構造展開影像圖之擷取 80
5.4.2 中分法量測結果 88
5.4.3單位重法量測結果 89
5.4.4中分法與單位重法之比較 91
第六章結論與建議 97
6.1結論 97
6.2建議 98
參考文獻 99
附錄A 102
圖目錄
圖2.1 Jaeger單一弱面理論強度預測示意圖(Ten & Kuo,2001) 6
圖2.2 Tien破壞準則預估Green River shale II (after McLamore &Gray，1967)強度之結果。 10
圖2.3 混成岩區域分佈圖(Medley,1994) 11
圖2.4 變形模數與岩塊材料體積關係圖(Lindquist,1994) 12
圖2.5 凝聚力與岩塊材料體積關係圖(Lindquist,1994) 13
圖2.6 摩擦角增量與岩塊材料體積關係圖(Lindquist,1994) 13
圖2.7 混成岩破壞模態(Lindquist,1994) 14
圖2.8 傾角30度之表面影像(Medley,1994) 15
圖2.9 面積比24%以掃瞄線法所得之數據圖(Medley,1994) 16
圖2.10 scanline法在不同體積比之結果(Medley,1994) 17
圖2.11 掃瞄線於白雲岩之應用(Gross,1995) 18
圖2.12 經轉換成灰階分佈之影像圖(Nemati,2000) 19
圖2.13 平面裂縫分佈圖(Nemati,2000) 20
圖2.14 不同角度掃瞄線與裂縫平均交會次數(Nemati,2000) 20
圖3.1 橡膠模 27
圖3.2 橡膠模尺寸圖 27
圖3.3 將排列器架設於模具上抽起軟板使顆粒落下 28
圖3.4 所需圓板狀顆粒水平鋪設於基質泥上 28
圖3.5 使基質泥均勻分佈至試驗箱中 29
圖3.6 鏝刀抹平 29
圖3.7 不同傾角之混成岩試體 30
圖3.8 岩心編號示意圖 31
圖3.9 模具 32
圖3.10 硬板式顆粒排列器 33
圖3.11 抽取盒設計圖 35
圖3.12 抽取盒 36
圖3.13 固定板 36
圖3.14 壓克力底板 37
圖3.15 軟板 37
圖3.16 岩石鑽心機 38
圖3.17 旋轉式掃瞄器 39
圖3.18 混成岩立體圖 40
圖3.19 MTS外觀 41
圖3.20 油壓機 42
圖4.1 基質材料應力-應變圖 47
圖4.2 基質材料氣乾試體試驗後破壞之情形 47
圖4.3 岩塊材料應力-應變圖 48
圖4.4岩塊材料氣乾試體試驗後破壞情形 48
圖4.5 顆粒起始位置 50
圖4.6 試體尺寸及其彈性模數之關係圖(排列一) 54
圖4.7 試體尺寸及其彈性模數之關係圖(排列二) 54
圖4.8 試體尺寸及其卜松比關係圖(排列一) 55
圖4.9 試體尺寸及其卜松比關係圖(排列二) 55
圖4.10 顆粒起始位置對彈性模數之影響(排列一) 56
圖4.11 顆粒起始位置對彈性模數之影響(排列二) 56
圖4.12 顆粒起始位置對卜松比之影響(排列一) 57
圖4.13 顆粒起始位置對卜松比之影響(排列二) 57
圖4.14 岩塊材料勁度比與整體彈性模數之關係(排列二) 58
圖4.15 顆粒傾角與單壓強度之關係圖(排列二) 59
圖4.16 顆粒傾角與彈性模數之關係圖(排列二) 60
圖4.17 岩塊材料體積比與彈性模數關係圖(排列二) 61
圖4.18 岩塊材料體積比與單壓強度關係圖(排列二) 61
圖5.1 人工合成圖(40條掃瞄線) 64
圖5.2 不同掃瞄線數所得數據點(Ab=4.68%) 69
圖5.3不同掃瞄線數所得數據點(Ab=13.91%) 69
圖5.4不同掃瞄線數所得數據點(Ab=30.68%) 70
圖5.5不同掃瞄線數所得數據點(Ab=51.59%) 70
圖5.6最大偏差量與掃瞄線數之關係圖 71
圖5.7 面積比與掃瞄線數之關係圖 71
圖5.8 不同顆粒數之理想圖Ab=25.13% 73
圖5.9 面積比Ab=25.13%灰階分佈圖 74
圖5.10 各種灰階門檻值決定方法示意圖(理想圖) 74
圖5.11 人工合成圖 77
圖5.12 面積比Ab=10.60%灰階分佈圖 78
圖5.13 各種灰階門檻值決定方法示意圖 78
圖5.14 人工合成圖以影像處理法量測之比較 80
圖5.15 混成岩表面影像圖(α=0°) 81
圖5.16 混成岩表面影像圖(α=15°) 82
圖5.17 混成岩表面影像圖(α=30°) 83
圖5.18 混成岩表面影像圖(α=45°) 84
圖5.19 混成岩表面影像圖(α=60°) 85
圖5.20 混成岩表面影像圖(α=75°) 86
圖5.21 混成岩表面影像圖(α=90°) 87
圖5.22 利用中分法測得岩塊材料體積比之分佈圖（Vb=40%） 88
圖5.23 利用中分法測得岩塊材料體積比之分佈圖（Vb=25%） 89
圖5.24 利用單位重法測得岩塊材料體積比之分佈圖（Vb=40%） 90
圖5.25 利用單位重法測得岩塊材料體積比之分佈圖（Vb=25%） 90
圖5.26 中分法-單位重法所得體積比之比較圖 91
圖5.27 中分法-單位重法所得體積比之比較圖(α=0°) 92
圖5.28 中分法-單位重法所得體積比之比較圖(α=15°) 92
圖5.29 中分法-單位重法所得體積比之比較圖(α=30°) 93
圖5.30 中分法-單位重法所得體積比之比較圖(α=45°) 93
圖5.31 中分法-單位重法所得體積比之比較圖(α=60°) 94
圖5.32 中分法-單位重法所得體積比之比較圖(α=75°) 94
圖5.33 中分法-單位重法所得體積比之比較圖(α=90°) 95
圖5.34 中分法與單位重法求得岩塊材料體積比之上、下限(Vb=40%) 95
圖5.35 中分法與單位重法求得岩塊材料體積比之上、下限(Vb=25%) 96
表目錄
表2.1 各種岩石種類s,m值(王仁正，1995) 8
表2.2 面積比24%以掃瞄線法所得之數據(Medley,1994) 16
表3.1 水泥化學性質分析 22
表3.2 高嶺土化學性質分析 23
表3.3 岩塊材料及基質材料配比(重量比) 23
表3.4 不同體積百分比所需顆粒數 25
表4.1 單一材料之基本物理性質 45
表4.2 單一材料之力學性質 46
表4.3 數值模擬材料參數表 49
表4.4 在不同顆粒起始位置與排列方式所得數據 (D=2.5cm) 52
表4.5 在不同顆粒起始位置與排列方式所得數據 (D=5cm) 52
表4.6 在不同顆粒起始位置與排列方式所得數據 (D=10cm) 53
表4.7 在不同顆粒起始位置與排列方式所得數據 (D=15cm) 53
表5.1 Ab=4.68%以掃瞄線法所得之數據(40條) 65
表5.2 Ab=13.91%以掃瞄線法所得之數據(40條) 66
表5.3 Ab=30.68%以掃瞄線法所得之數據(40條) 67
表5.4 Ab=51.59%以掃瞄線法所得之數據(40條) 68
表5.5 不同解析度下影像處理法量測之結果(Ab=25.13%) 75
表5.6 人工合成圖以影像處理法量測之結果 79
表A.1 中分法所得面積百分比(Vb=40%) 102
表A.2 中分法所得面積百分比(Vb=25%) 103
表A.3 單位重法所得體積百分比(Vb=40%) 104
表A.4 單位重法所得體積百分比(Vb=25%) 105

參考文獻

參考文獻
1. 王仁正，「人造互層岩體之力學行為」，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢(1995)。
2. 宋銘峰，「人造軟弱互層岩體之製作及其界面力學性質量測」，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢(1998)。
3. 孫思優，「岩石三軸室應變量測改進」，碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，中壢(2002)。
4. 洪如江，「台東利吉混成岩及無根山與富里斷層」，地工技術，工程地質之影像，第77-86頁(1999)。
5. 林銘郎、鄭富書、翁作新、洪如江，「台灣斷層泥之特性及斷層泥力學評估的新發展」，地工技術，第79期，第91-106頁(2000)。
6. 吳維毓，「台灣南部恆春半島墾丁混同層之構造分析研究」，碩士論文，國立台灣大學地質研究所，台北(1997)。
7. 徐義人，工程機率統計學，國立編譯館，台北(1997)。
8. 廖志中，橫向等向性岩石之強度破壞準則，行政院國家科學委員會專題研究計劃成果報告，NSC 83-0410-E-009-009(1994)。
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10. Lindquist, E. S., “The mechanical properties of a physical model mélange,” 7th International IAEG Congress, Lisboa, Portugal, pp. 819-850(1994).
11. Lindquist, E. S., Goodman, R. E. , “Strength and deformation properties of a physical model melange,” Proceedings of the 1st North American Rock Mechanics Symposium, Texas, American, pp.843-850(1994).
12. Medley, E. W., “The Engineering characterization of malanges and similar block-in-matrix rock(bimrock) ,” Ph.D. Dissertation, Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley(1994).
13. Medley, E. W., “Using stereological method to estimate the volumetric proportions of blocks in melanges and similar block in matrix rock (bimrocks),” 7th International IAEG Congress, Lisboa, Portugal, pp. 1031-1040 (1994).
14. Medly, E. W., Goodman, R. E. , “Estimating the block volumetric proportions of mélanges and similar block-in-matrix rocks (bimrocks),” Proceedings of the 1st North American Rock Mechanics Symposium, Texas, American, pp.851-858(1994).
15. Tien, Y. M., Tsao, P. F., “Preparation and mechanical properties of artificial transversely isotropic rock,” Int. J. Rock Min. Sci., Vol.37, pp.1001-1012 (2000).
16. Tien, Y. M., Kuo, M. C., “A failure criterion for transversely isotropic rocks,” Int. J. Rock Min. Sci., Vol.38,pp.399-412 (2001).
17. Gross, M. R., “Strain accommodated by brittle failure in adjacent units of the Monterey formation, U.S.A. :scale effects and evidence for uniform displacement boundary conditions.” Journal of Structural Geology, Vol.17, No.9, pp.1303-1318 (1995).
18. Nemati, K. M., “Preserving microstructure of concrete under load using the Wood’s metal technique,” Int. J. Rock Min. Sci., Vol.37, pp.133-142 (2000).
19. FLAC, Fast Lagrangian Analysis of Continua, Volume 1: User’s Manual, Itasca Consulting Group Inc., USA (1993).
20. FLAC, Fast Lagrangian Analysis of Continua, Volume 2: Verification Problems and Example Applications, Itasca Consulting Group Inc., USA (1993).
21. FLAC, Fast Lagrangian Analysis of Continua, Volume 3: Appendices, Itasca Consulting Group Inc., USA (1993).

指導教授

田永銘(Yong-Ming Tien)

審核日期

2002-7-15

推文