以離心試驗及數值模型探討楔形岩坡整治策略受其弱面性質之影響

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蕭博鴻(Bo-Hong Hsiao) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

以離心試驗及數值模型探討楔形岩坡整治策略受其弱面性質之影響

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摘要(中)

摘要
本研究以物理試驗與數值模型探討逆向楔形岩坡破壞機制受弱面性質之影響，並由相關的破壞機制討論其對應之有效整治策略。由於現地楔形塊體常由多組弱面切割而失穩，因此楔形岩坡之穩定性及塊體破壞機制可能受到弱面性質影響，進而影響其有效之整治方式。
本研究以離心試驗及數值模型探討楔形岩坡受弱面性質之塊體位移特性，並分析影響整體穩定性之關鍵塊體。離心試驗結果指出，岩楔運動機制與坡體尺寸的相關性較低，但坡體尺寸愈大，其受影響範圍愈大，且崩落比亦較高；此外在高重力場下，塊體濕度較高所產生之凝聚力也會使試驗模型之崩落率較低。由經過驗證後的逆向楔形岩坡的數值模型可以得知，失穩的岩楔大多會先由坡趾及坡面產生翻倒或滑動破壞；若楔形岩坡節理間距縮小為原本模型之一半，岩楔因被切得更細小導致崩落率增加；且隨著兩弱面角之面角與交線傾伏角提升，則崩落率也隨之增加。
本研究以驗證後的數值模型，探討具有不同地質參數與塊體間凝聚力楔形岩坡之崩落關鍵塊體，並在固定(整治)關鍵塊體後，分析模型在不同尺度下之變形及整治策略之有效性；此外，本研究亦分析楔形塊體崩落後殘坡塊體接觸面之穩定性，其結果亦與實驗及數值分析相符；最後，本研究以台2線83K一處倒懸岩坡進行現況極端條件下的模擬，觀察塊體崩落與堆積狀況，並嘗試分析現況邊坡之關鍵塊體，以對於其整治策略進行建議。
關鍵詞：楔形破壞、離心機試驗、3DEC、關鍵塊體、整治策略

摘要(英)

Abstract
In this study, the failure mechanism and the mitigation measures of the wedged rock slopes that were separated by several weak plane sets were analyzed using physical tests and numerical models. The wedged rock slopes are commonly separated by more than two weak planes based on field investigation results. The stability, failure mechanisms, and movement of the rock wedges of the wedged rock slopes may also be affected by the orientation of the beddings and weak planes.
This study uses centrifuge tests and numerical models to explore the stability of the wedged rock slopes with different configurations of weak plane characteristics. The above physical and numerical analysis investigated the key wedge block to initiate the subsequent movements of the remaining wedges. The centrifuge test results indicate that increasing the slope scale can result in the rise of the collapsing rate of the rock wedges. The environmental humidity could increase cohesion between the wedges, hence enhancing the stability of the wedged slope. Based on the validated numerical models, the toe and superficial blocks of the wedge rock slopes were the first ones to fall off. Moreover, the smaller the spacing of the wedged slope, the larger the overall collapsing rate.
With the validated numerical models, the author attempted to stabilize the key blocks that could initiate the subsequent wedge movements. Results have shown that the overall collapsing rate has decreased significantly, and the improvement is highly related to the plunge of the intersection. Finally, an actual wedged slope that is separated by three joint sets was analyzed numerically under zero joint plane strength conditions, hoping to explore the possible run-out and accumulation behaviors of the wedged blocks.
Key words：wedge failure、centrifuge test、3DEC、key block、mitigation strategies

關鍵字(中)

★ 楔形破壞
★ 離心機試驗
★ 3DEC
★ 關鍵塊體
★ 整治策略

關鍵字(英)

★ wedge failure
★ centrifuge test
★ 3DEC
★ key block
★ mitigation strategies

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 xii
第一章緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究目的 1
1.3 論文架構 2
第二章文獻回顧 4
2.1 岩坡分類 4
2.2 岩坡破壞型態 5
2.3 斜交坡楔形破壞模式 7
2.3.1 立體投影圖原理 7
2.3.2立體投影圖分析應用 8
2.3.3 極限平衡法分析 11
2.3.4 以物理試驗及數值模擬探討斜交坡楔形破壞 12
2.4 楔形破壞之實際案例 19
案例一：北部濱海公路南雅里路段邊坡楔形破壞 19
案例二：澳洲煤礦場的複合式楔形破壞 20
2.5 台2線67~89K落石邊坡整治工法 21
2.5.1 落石邊坡整治工法介紹 21
2.5.2 落石防護工法分類 23
2.5.3台2線67~89K防護工法規劃 25
2.6 地工離心機 31
2.6.1 地工離心機介紹 31
2.6.2 地工離心機設備 31
2.6.3 地工離心機試驗原理 32
2.6.4 離心模型之靜態相似率 33
2.7 3DEC介紹 34
2.7.1 3DEC運算原理 35
2.7.2 接觸模式 36
2.7.3 塊體組成律 37
2.7.4 不連續面組成律 37
2.7.5 3DEC中的節理設置 38
2.8 攝影測量於岩坡調查之應用 39
2.8.1 無人載具UAV之應用 39
2.8.2 Cloud Compare應用於不連續面上之判釋 40
第三章研究方法 41
3.1 物理模型試驗 41
3.1.1 物理模型之假設 41
3.1.2 試體之基本物理性質 42
3.1.3 楔形塊體與底座製作 42
3.1.4 離心機設備 46
3.1.5 離心模型試驗配置 49
3.2 岩石直接剪力試驗 50
3.2.1 試體製作 50
3.2.2 試驗配置與步驟 52
3.3 數值模擬分析 53
3.3.1 數值模擬之設定 54
3.3.2 數值模擬之參數 55
3.4 台2線現地調查 55
3.4.1 地質背景說明 56
3.4.2 各路段現況調查 57
3.5 現地案例模擬 65
第四章物理試驗結果與分析 67
4.1 岩石直接剪力試驗規劃結果 67
4.1.1 石膏試體濕度40% 67
4.1.2 石膏試體濕度75% 69
4.2 直剪試驗小結 70
4.3 離心模型試驗規劃 70
4.3.1 離心模型試驗結果 71
4.3.2 離心模型試驗結果比較 73
第五章以數值模型探討逆向斜交坡之塊體運動機制與整治策略 75
5.1 數值模擬參數設定 75
5.2 未整治簡化逆向斜交坡驗證模擬 77
5.2.1 重力場40g之離心模型試驗(試驗A)模擬 77
5.2.2 重力場60g之離心模型試驗(試驗B)模擬 79
5.3 數值模擬A系列規劃與結果 80
5.3.1 數值模擬A-1(面角120度) 83
5.3.2 數值模擬A-2(交線傾伏角30度) 84
5.3.3 數值模擬A-3(交線傾伏角50度) 84
5.3.4 數值模擬A-4(節理間距減半) 85
5.3.5 數值模擬A-5(重力場100g) 86
5.3.6 數值模擬A(弱面間無凝聚力)小結 87
5.4 數值模擬B系列規劃與結果 88
5.4.1 數值模擬B-1(面角120度) 89
5.4.2 數值模擬B-2(交線傾伏角30度) 89
5.4.3 數值模擬B-3(交線傾伏角50度) 90
5.4.4 數值模擬B-4(節理間距減半) 91
5.4.5 數值模擬B-5(重力場100g) 91
5.4.6 數值模擬B小結 92
5.5 數值模型A系列與B系列比較 93
5.6 數值模型殘坡塊體安全係數 94
5.7 台2線83K處現況邊坡之數值模擬 98
現地模型模擬結果 102
第六章結論及建議 106
6.1結論 106
6.2建議 109
參考文獻 110
附錄Q&A 113

參考文獻

參考文獻
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指導教授

黃文昭(Wen-Chao Huang)

審核日期

2023-7-20

推文