圓柱堆變形破壞與流體化現象之輸送帶實驗分析

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姓名

張耀文(Yao-Wen Chang) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

圓柱堆變形破壞與流體化現象之輸送帶實驗分析
(The Phenomenal Analysis Of Deformation And Fluidization With Assemble Cylinders In The Conveyor Belt Experiment)

相關論文

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摘要(中)

本研究以輸送帶渠槽帶動圓柱來進行實驗，以模擬斜坡上崩塌土體轉換化為土石流中間的過程。實驗分為微觀的結構變形破壞實驗以及巨觀的流體化實驗二部分。
在結構變形破壞實驗部分藉由兩種不同速度(4.17cm/s、12.34cm/s)、兩種坡度(0°、20°)以及兩種隔板高度(0cm、2.2cm)搭配成各種不同實驗條件來進行，進而使用Voronoï影像分析法來觀察圓柱堆結構底部受剪力時的變形破壞以及破壞前、穩定後的孔隙率變化。結果發現速度12.34cm/s時破壞的範圍大於速度4.17cm/s，且當坡度為20°時，上層圓柱容易因坡度影響向左側傾斜。而孔隙率較大處容易發生破壞；最後達到穩定時，孔隙率則因排列方式由鬆散排列逐漸變成最密堆積排列而逐漸變小。
而流體化實驗部份則是利用兩種不同速度(4.17cm/s、12.34cm/s)、五種坡度(0°、5°、10°、15°、20°)以及兩種隔板高度(2.2cm、3.8cm)與三種圓柱堆初始厚度(3D、5D、10D)搭配成36組不同的實驗條件來進行，並以圓柱基本運動型態與無因次流體化層厚度隨時間的變化量以及圓柱流出侷限區域之順序進行分析與探討。結果發現速度為12.34cm/s之圓柱堆基本運動型態不同於速度為4.17cm/s時，且進而影響流體化層厚度隨時間的變化量，使得相同坡度下、不同初始厚度之結果剛好相反；而圓柱流出的順序則與隔板高度關係大；隔板低時，圓柱先由底部與左側先流出，隨著隔板高度的提高，圓柱大部分則先由右側流出。

摘要(英)

This study performs experimental work with cylinders on the conveyor belt to simulate the process of landslide induced debris flow. The experimental set up consists of two parts: one is microscopic deformation and the other is macroscopic fluidization.
The Vonoroï image algorithm is used to study the deformation on the bottom of the assemble cylinders by shearing force. The change of porosity before and after the deformation is analyzed at different velocities(i.e. 4.17cm/s, 12.34cm/s), slopes(i.e. 0°, 20°), and gap clearance(i.e. 0cm, 2.2cm). The deformable region increases as the belt velocity becomes faster. The porosity changes with different packing styles of cylinders, being large by loose arrangement, but small by compact arrangement. The regions of the large porosity deform and collapse easily.
Different belt velocities (i.e. 4.17cm/s, 12.34cm/s) affect the thickness of fluidization, and lead to two opposite results on the decay rate of PVC layers under the same experimental conditions. The sequence of cylinders flowing out the confined zone is strongly related to the gap clearance. When the gap raises high, the leading side of cylinders will flow out first while the gap becomes low, the tailing side and bottom parts of cylinders will flow out first.

關鍵字(中)

★ 變形破壞
★ 圓柱
★ 輸送帶
★ 影像分析
★ 孔隙率
★ 流體化

關鍵字(英)

★ porosity
★ image algorithm
★ deformation
★ fluidization
★ conveyor belt
★ cylinder

論文目次

目錄
摘要 I
ABSTRACT II
目錄 III
圖目錄 VII
表目錄 XVII
符號表 XVIII
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 3
1.3論文架構 3
第二章文獻回顧 5
2.1 土體轉化為土石流的相關理論 6
2.1.1 三角形土體崩解理論 6
2.1.2 矩形土體底部液化理論 6
2.1.3 受振動之矩形剛體崩解理論 8
2.1.4 其他 9
2.2 顆粒流相關實驗 9
2.2.1 滾筒試驗 10
2.2.2 剪力槽試驗 10
2.2.3 振動床試驗 11
2.2.4 輸送帶試驗 12
2.2.5 傾斜式瀉槽試驗 13
2.2.6 循環式水槽試驗 14
2.2.7 其他 14
2.3 圓柱摩擦相關的理論及實驗 14
2.4 VORONOÏ 介紹與應用 16
2.4.1 Voronoï diagrams 16
2.4.2 何謂Voronoï 17
2.4.3 Voronoï 在影像處理之應用 19
第三章理論分析 21
3.1 土壤剪力強度分析 21
3.1.1 平面上之正應力和剪應力分析 21
3.1.2 莫爾-庫倫( Mohr-Coulomb ) 破壞準則 24
3.2 崩塌土體轉化為土石流理論 26
3.2.1 土體內部破壞流體化方程式 26
3.2.2 土體滑移臨界坡度方程式 28
第四章研究方法 30
4.1 實驗設備 30
4.2 實驗方法與步驟 34
4.2.1 圓柱堆結構變形破壞實驗 34
4.2.2 圓柱堆流體化實驗 36
4.3 圖檔分析與影像處理分析 39
4.3.1 圖檔分析 39
4.3.2 影像處理分析 40
4.4 實驗誤差分析 50
第五章結果分析與討論 51
5.1 圓柱堆結構變形破壞分析 51
5.1.1 結構變形破壞分析結果 53
5.1.2 孔隙率分析結果 65
5.1.3 穩定分析 81
5.2 圓柱運動型態分析 84
5.2.1 Vb=4.17cm/s、h=2.2cm之圓柱基本運動型態 84
5.2.2 Vb=12.34 cm/s、h=2.2cm之圓柱基本運動型態 90
5.2.3 Vb=4.17 cm/s、h=3.8cm之圓柱基本運動型態 94
5.2.4 Vb=12.34 cm/s、h=3.8cm之圓柱基本運動型態 95
5.3 圓柱堆流體化層厚度隨時間變化之分析探討 96
5.3.1 Vb_θ_H 三者之關係 96
5.3.2 Vb_θ_h 三者之關係 109
5.3.3 流出區域順序之比較 112
第六章結論與建議 118
6.1結論 118
6.2建議 120
附錄A 121
參考文獻 125

參考文獻

參考文獻
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7.周憲德，「邊坡破壞與崩塌轉化成土石流之研究(一)」，行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告，第1-30頁 (2002) 。
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指導教授

周憲德(Hsien-Ter Chou)

審核日期

2004-7-14

推文