以數值模型與離心模型試驗探討含二組正交節理之逆向坡變形及破壞行為

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鄭皓文(Hao-Wen Cheng) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

以數值模型與離心模型試驗探討含二組正交節理之逆向坡變形及破壞行為

相關論文

★ 探討逆向坡受重力變形及降雨影響之破壞型態	★ 以離心模型試驗及個別元素法評估正斷層和逆斷層錯動地表及地下變形
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摘要(中)

台灣受到板塊擠壓的影響而形成山多平原少的地形，近年來極端氣候發生的頻率增加，岩石邊坡若受到豪雨、地震、河流沖刷等自然因素或是人為因素開發的影響，將會造成邊坡的不穩定甚至進而破壞，使附近居民或是用路人的生命財產受到威脅。
胡家豪(2019)利用離心模型進行高角度逆向坡之物理試驗，並使用PFC3D來模擬更高重力場下之變形行為，考慮之變因為岩層厚度及解壓長度，研究結果指出，解壓長度愈長及岩層厚度愈薄，其岩層愈易變形，且為撓屈傾覆破壞形態。
本研究則接續探討具第二組正交節理之逆向坡破壞型態，將以中央大學地工離心機進行物理試驗，並利用PFC3D進行相同試驗條件下之數值模擬，再與物理試驗進行參數校正，以此進行更高重力場下之數值模擬，用以探討第二組節理面對不同岩層厚度及解壓長度的逆向坡所造成之影響，並與不含第二組節理面逆向坡之比較。從試驗結果可得知，在有兩組相互垂直節理組的逆向坡中，岩片細長比高的岩柱仍以撓屈傾覆破壞為主，需有適當的寬度才會發生塊體傾覆破壞。

摘要(英)

In recent years, the frequency of extreme climate has increased. If the rock slope is affected by natural factors such as heavy rain, earthquakes, river erosion or human activities, it will cause instability and even failure of the slope and threaten the lives and property of the people.
Hu, (2019) used centrifuge tests and PFC3D to simulate the deformation behavior of the anti-dip slope under different gravity, different layer thicknesses, and release lengths. The results show that the longer release lengths and the thinner layer thickness, the more easily the layer is deformed. The failure mode will be flexural toppling.
In this study, we used Centrifuge tests for physical model and PFC3D for numerical simulation to discussed the second jointed anti-dip slope failure. Then compare the two test results and perform numerical simulation under higher gravity field with the same parameters. It is used to investigates the effects of second joint set in anti-dip slopes of different layer thicknesses and release lengths under different gravity. It also discusses the difference between the deformation behavior of anti-dip slope.
It can be known from the test results that the thinner layer still demonstrated the flexural toppling, and block toppling would occur with proper width.

關鍵字(中)

★ 逆向坡
★ 傾覆破壞
★ PFC3D
★ 離心模型
★ 正交節理
★ 岩塊傾覆破壞

關鍵字(英)

★ Anti-dip slope
★ toppling failure
★ PFC3D
★ centrifuge model test
★ orthogonal joints
★ block toppling

論文目次

摘要 i
Abstract ii
目錄 iii
圖目錄 x
表目錄 xix
第1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2章文獻回顧 4
2.1 逆向坡的定義 4
2.2 坡地災害的分類 5
2.3 岩石邊坡的變形特徵 6
2.4 邊坡破壞的模式 8
2.5 傾覆破壞之發展歷史與分類 10
2.5.1 岩坡傾倒覆破壞之類型 10
2.5.2 次要傾覆破壞之類型 12
2.5.3 傾覆破壞之破壞過程 14
2.6 以離散元素法探討板岩邊坡變形機制 15
2.7 傾覆破壞之分析方法 17
2.7.1 傾覆破壞之運動學分析 17
2.7.2 極限平衡法 18
2.7.3 物理模型 20
2.7.4 數值模擬 22
2.8 離心機試驗(Centrifuge test) 24
2.8.1 離心機設備 25
2.8.2 離心機試驗原理 26
2.9 PFC3D軟體介紹 28
2.9.1 PFC3D簡介 28
2.9.2 PFC3D基本假設 28
2.9.3 PFC3D運算原理 29
2.9.4 PFC3D的接觸關係 30
2.9.5 接觸組成模式 33
2.10 離心模型試驗與數值模擬高角度逆向坡之破壞行為 38
2.10.1 離心模型試驗 39
2.10.2 數值模擬 42
第3章研究方法 44
3.1 物理模型試驗 44
3.1.1 物理模型之基本假設 44
3.1.2 試體之基本物理性質 45
3.1.3 試體製作 46
3.1.4 離心試驗設備 48
3.1.5 離心試驗配置 54
3.2 數值模擬分析 58
3.2.1 數值模擬之單位設定 58
3.2.2 數值模擬之參數 60
3.3 現地調查：宜蘭縣田古爾溪 61
第4章離心機試驗之結果與分析 64
4.1 離心試驗規劃 64
4.2 離心試驗結果之判斷依據 65
4.3 離心試驗之結果分析 69
4.3.1 試驗一：75度、岩層厚度0.5公分、解壓長度7.5公分、弱面數量3條、20g 69
4.3.2 試驗二：75度、岩層厚度0.5公分、解壓長度12公分、弱面數量5條、20g 71
4.3.3 試驗三：75度、岩層厚度1公分、解壓長度7.5公分、弱面數量3條、80g 72
4.3.4 試驗四：75度、岩層厚度1公分、解壓長度12公分、弱面數量5條、20g 74
4.3.5 試驗五：75度、岩層厚度2公分、解壓長度7.5公分、弱面數量3條、20g 76
4.3.6 試驗六：75度、岩層厚度2公分、解壓長度12公分、弱面數量5條、60g 77
4.3.7 試驗七：75度、岩層厚度0.5公分、解壓長度7.5-12公分、弱面數量5條、40g、坡面傾向與層面傾向相反(坡頂漸減) 77
4.4 試驗比較 79
4.4.1 岩層厚度0.5公分試驗之比較 79
4.4.2 解壓長度12公分試驗之比較 82
4.4.3 各個試驗之比較 84
4.5 弱面對逆向坡之影響 89
4.5.1 岩層厚度0.5公分試驗之比較 90
4.5.2 岩層厚度1公分試驗之比較 94
4.5.3 岩層厚度2公分試驗之比較 96
4.5.4 各試驗之比較 96
第5章數值模擬與離心機試驗之比較 98
5.1 數值模擬參數設定 98
5.2 數值模擬與離心試驗之比較 99
5.2.1 試驗一：75度、岩層厚度0.5公分、解壓長度7.5公分、弱面數量3條、20g 100
5.2.2 試驗二：75度、岩層厚度0.5公分、解壓長度12公分、弱面數量5條、20g 101
5.2.3 試驗三：75度、岩層厚度1公分、解壓長度7.5公分、弱面數量3條、80g 102
5.2.4 試驗四：75度、岩層厚度1公分、解壓長度12公分、弱面數量5條、20g 103
5.2.5 試驗五：75度、岩層厚度2公分、解壓長度7.5公分、弱面數量3條、20g 104
5.2.6 試驗六：75度、岩層厚度2公分、解壓長度12公分、弱面數量5條、60g 105
5.2.7 試驗七：75度、岩層厚度0.5公分、解壓長度7.5-12公分、弱面數量5條、40g 坡面傾向與層面傾向相反(坡頂漸減) 106
5.3 數值模擬100g 107
5.3.1 75度、岩層厚度0.5公分、解壓長度7.5公分、弱面數量3條、100g 108
5.3.2 75度、岩層厚度0.5公分、解壓長度12公分、弱面數量5條、100g 109
5.3.3 75度、岩層厚度1公分、解壓長度7.5公分、弱面數量3條、100g 110
5.3.4 75度、岩層厚度1公分、解壓長度12公分、弱面數量5條、100g 110
5.3.5 75度、岩層厚度2公分、解壓長度7.5公分、弱面數量3條、100g 111
5.3.6 75度、岩層厚度2公分、解壓長度12公分、弱面數量5條、100g 112
5.3.7 75度、岩層厚度0.5公分、解壓長度7.5-12公分、弱面數量5條、100g、坡面傾向與層面傾向相反(坡頂漸減) 112
5.4 數值模擬之比較 113
5.4.1 岩層厚度0.5公分試驗之比較 113
5.4.2 岩層厚度1公分試驗之比較 116
5.4.3 岩層厚度2公分試驗之比較 119
5.5 弱面對數值模擬100g的影響 121
5.5.1 岩層厚度0.5公分試驗之比較 121
5.5.2 岩層厚度1公分試驗之比較 124
5.5.3 岩層厚度2公分試驗之比較 127
5.6 分階段解壓之數值模擬 129
5.6.1 無弱面之逆向坡 130
5.6.2 含弱面之逆向坡 133
第6章結論與建議 140
6.1 結論 140
6.2 建議 142
參考文獻 143
附錄 146

參考文獻

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6.趙柏諺，「以室內實驗與數值模型探討簡化高角度逆向坡之變形行為」，碩士論文，國立中央大學土木工程學系，桃園 (2018)。
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指導教授

黃文昭

審核日期

2019-12-12

推文