| 姓名 |
曾煒傑(Wei-jie Zeng)
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土木工程學系 |
| 論文名稱 |
以分離元素法與離心模型模擬在不同尺度下順向坡滑動行為
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| 摘要(中) |
台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的交界上，常見的沉積構造經由造山運動在許多地區形成順向坡。近幾年台灣重大的順向坡災害案例，如獻肚山走山（2009）造成小林村滅村以及國道三號3.1公里崩塌事件（2010）等均使得台灣社會針對順向坡所可能造成的損失更加重視。
Chigira (1992) 對長時期受重力影響之岩體潛移作出的討論，總結出岩體受重力變形的潛變作用大致分為四大類型。羅佳明等人（2014）探討臺灣板岩順向坡變形特性，藉由現場調查、地形分析與物理模型試驗說明板岩不同條件下之重力變形特性，並推估板岩變形過程與潛在崩壞機制。模擬結果顯示，當模型葉理傾斜角度越高，變形範圍將隨之增加，坡體孔隙越大，邊坡變形程度越顯劇烈，隨著含水率與浸水時間之增加而強度有相當顯著之降低趨勢。莊庭鳳（2014）提出以分離元素法探討板岩邊坡變形機制，以研磨石膠結為片狀試體的方式來模擬板岩變形行為，設計出不同葉理角度與坡度的物理試驗，藉此觀察僅受重力影像下岩體潛變形為，最後以 （Particle Flow Code in 3 Dimension）進行模擬，與物理試驗成果作驗證。研究結果顯示，於順向葉理角度及泡水弱化之情況下，隨著坡度減少與葉理角度的增加，其變形深度與試體深度之比值（t/T）增加。而變形高度與試體高度之比值（h/H）隨著坡度的增加，其值愈小。
本研究利用 以及離心模型試驗來做模擬，將離心試驗成果對數值模型做校正，分析模型在不同尺度下滑動及堆積型態，釐清規模效應及各坡面因素對順向坡穩定之影響。在確立不同尺度下之致崩主要影響因素（坡角、弱面傾角、弱面、摩擦角、弱面凝聚力及單位重等因素）後，採用分離元素法模擬，據以發展適用於不同尺度順向坡滑動之力學分析模式。
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| 摘要(英) |
Taiwan is located on the junction of the Eurasian Plate and the Philippine Sea plate. Forming a lot of dip-slopes in many regions. There are some dip-slope disasters in recent years.
Chigira has discussed rock creeping under the long-term influence of gravity. He has distinguished the creeping into four types. Lo et al.（2014）have discussed the deformation of dip-slope slate in Taiwan by in-situ investigation, topography analysis and model test. Evaluating the process of the slate deformation and potential failure mechanism. Based on the test result, when the inclining angle of the model foliation, high deformation range will also increase. When the moisture content of the soaking time there are quite a significant increase in the intensity of the decreasing trend. Chong（2014）has used discrete element method software （Particle Flow Code in 3 Dimension）to discuss the deformation of slate slopes. Exploring the influencing factors, including the slope angle, the foliation angle, and the material deterioration on the deformation characteristics. Based on the model tests, two kinds of gravitational deformation of slate slope are identified, the first one is overturning destruction, it appears in the slope with high angle foliation. The other one is fold extrusion near the slope toe, it exhibits in the dip-slope with low angle foliations. The simulated deformed patterns agree well with the actual deformation under different slope angles.
In order to further realize dip-slope failure, this study simulates dip-slope sliding and cumulating patterns in different scale and parametric study by using and centrifuge models.
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| 關鍵字(中) |
★ 離心模型試驗
★ 順向坡
★ 分離元素法
★ 摩擦係數
★ 鍵結 |
關鍵字(英) |
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| 論文目次 |
目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
第二章 文獻回顧 4
2.1 台灣順向坡 4
2.2 簡介台灣近年重大順向坡災害 5
2.2.1 1942年草嶺崩山 6
2.2.2 1997年林肯大郡順向坡滑動 7
2.2.3 2009年莫拉克颱風造成獻肚山山崩 8
2.2.4 2010年國道三號順向坡破壞 9
2.3 不同岩層變形型態 10
2.4 理論介紹 11
2.4.1 程式簡介 12
2.4.2 基本假設 12
2.4.3 運算原理 13
2.4.3.1 力-位移定律 14
2.4.3.2 運動方程式 17
2.4.4 接觸組成模式 19
2.4.4.1 接觸勁度模式 19
2.4.4.2 滑動模式 20
2.4.4.3 鍵結模式 20
2.5 泡水摩擦係數的確立 25
2.6 多變因下順向坡板岩變形過程 26
2.7 以分離元素法探討板岩邊坡變形機制 29
2.8 地工離心機於邊坡穩定研究之模擬與應用 32
2.9 分離元素法應用於土石流行為之研究 36
第三章 研究方法 39
3.1 物理模型試驗 39
3.1.1 物理模型基本假設 39
3.1.2 試體基本物理性質及力學性質 41
3.1.3 試體製作 42
3.1.4 試驗儀器 44
3.1.5 試驗流程 48
3.2 數值模擬分析 49
3.2.1 數值模擬物理模型試驗 49
3.2.2 數值模擬物理模型試驗之參數設定 51
第四章 離心機試驗與數值模擬結果 53
4.1 物理試驗結果分析 53
4.1.1 乾燥情況下試體滑動結果 53
4.1.2 泡水情況下試體滑動結果 54
4.1.2.1 F30S30滑動堆積情況 55
4.1.2.2 F60S30滑動堆積情況 56
4.2 數值模擬結果分析 59
4.2.1 弱化高度及符號定義 60
4.2.2 F60S30在10g泡水高度89.6mm情況下模擬結果 61
4.2.2.1改變泡水區密度 64
4.2.2.2 改變泡水區鍵結勁度及強度 65
4.2.2.3 提高部分參數以加速滑動情況 68
4.2.2.4細分摩擦係數 72
4.2.2.5 弱化摩擦係數為0 75
4.2.3 F30S30在40g泡水高度52.35mm情況下模擬結果 77
4.2.3.1 改變泡水區密度 78
4.2.3.2 降低泡水區鍵結勁度及強度 79
4.2.3.3提高部分參數以加速滑動情況 82
4.2.3.4 細分摩擦係數 85
4.2.3.5 未泡水及泡水鍵結勁度提高10倍 89
4.2.3.6 弱化摩擦係數為0 91
4.2.3.7 弱化摩擦係數為0且鍵結勁度提高10倍 93
4.2.3.8 細分鍵結勁度 94
4.3 F30S30順向坡靜力分析 98
4.4 利用Photoshop軟體及離心試驗影像量測F60S30順向坡初始變形位置及滑動範圍 102
4.4.1 計算方法與驗證 103
4.4.2 F60S30 10g下的初始變形情況 104
4.4.3 F60S30 10g下的堆積情況 104
4.4.4 F60S30 20g下的堆積情況 105
4.4.5 F60S30 30g下的堆積情況 105
4.4.6 F30S30 40g下的堆積情況 106
第五章 不同重力場下順向坡的變形結果 107
5.1 F60S30 109
5.1.1 同樣泡水高度不同g數 109
5.1.1.1 泡水高度I 109
5.1.1.2泡水高度II 114
5.1.2 同樣g數不同泡水高度 119
5.1.2.1 10g 119
5.1.2.2 200g 121
5.1.2.3 1000g 125
5.2 F30S30 130
5.2.1 同樣泡水高度不同g數 130
5.2.1.1泡水高度III 130
5.2.1.2泡水高度IV 132
5.2.2 同樣g數不同泡水高度 133
5.2.2.1 40g 134
5.2.2.2 200g 135
5.2.2.3 1000g 136
5.3 正規化比較結果 139
5.3.1 F60S30各物理量正規化結果 139
5.3.1.1 同範圍泡水下各物理量正規化比較 139
5.3.1.2 同放大倍率下各物理量正規化比較 140
5.3.2 F30S30各物理量正規化結果 142
5.3.2.1 同範圍泡水下各物理量正規化比較 142
5.3.2.2 同放大倍率下各物理量正規化比較 144
第六章 結論 145
參考文獻 146
附錄 148
附1 論文審查意見 148
附2-1 F60S30未泡水及泡水鍵結勁度提高10倍 151
附2-2 F60S30未泡水及泡水鍵結勁度提高100倍 154
附2-3 F60S30弱化摩擦係數為0且鍵結勁度提高10倍 157
附2-4 F60S30將平行鍵結換成接觸鍵結 158
附2-5 F30S30未泡水及泡水鍵結勁度提高100倍 161
附2-6 F30S30將平行鍵結換成接觸鍵結 164
圖目錄
圖1- 1 研究流程圖 3
圖2- 1 弱面走向、傾向、傾角示意圖（林庭輝繪） 4
圖2- 2 岩層面與不連續面示意圖（建築技術規則） 4
圖2- 3 不同時期草嶺山主要的順向坡滑動區（Lee et al., 1993, 1994） 6
圖2- 4 林肯大郡順向坡滑動災變（洪如江攝） 7
圖2- 5 小林村災前後地貌影像（左：B.L. Chi，右：C.T. Cheng 攝） 8
圖2- 6 小林村順向坡滑動剖面高程圖（Lee et al.） 8
圖2- 7 國道三號順向坡滑動破壞（取材自UDN, http://udn.com） 9
圖2- 8 四種岩石潛變型態 (Chigira, 1992) 11
圖2- 9 運算流程圖（ manual） 13
圖2- 10 顆粒與顆粒接觸之關係圖( manual) 14
圖2- 11 顆粒與牆接觸之關係圖( manual) 15
圖2- 12 顆粒與牆接觸之法線向量舉例說明圖( manual) 16
圖2- 13 接觸鍵結模式行為，(a)正向力-位移關係圖，(b)剪力-位移關係圖( manual) 21
圖2- 14 平行鍵結模式示意圖( manual) 22
圖2- 15 物理模型在45度邊坡於無降雨條件下之變形過程（粒徑約1.2 cm）（羅佳明，2014） 27
圖2- 16物理模型在45度邊坡於降雨條件下之變形過程（粒徑約1.2 cm）（羅佳明，2014） 27
圖2- 17物理模型在60度邊坡於降雨條件下之變形過程（粒徑約1.2 cm）（羅佳明，2014） 28
圖2- 18 乾燥情況下坡度30度順向葉理60度模擬結果（莊庭鳳，2014） 29
圖2- 19 乾燥情況下坡度30度逆向葉理60度模擬結果（莊庭鳳，2014） 30
圖2- 20 泡水情況下坡度30度順向葉理60度模擬結果（莊庭鳳，2014） 30
圖2- 21 順向坡模型改變摩擦係數（莊庭鳳，2014） 31
圖2- 22 順向坡模型改變平行鍵結強度（莊庭鳳，2014） 31
圖2- 23 順向坡模型改變平行鍵結勁度（莊庭鳳，2014） 32
圖2- 24 正規化邊坡破壞面 35
圖2- 25 坡度19度下摩擦角對於土體滑動之影響（ =0.5） 37
圖2- 26 坡度22度下摩擦角對於土體滑動之影響（ =0.5） 37
圖2- 27 坡度19度下體積濃度與水平位移關係 38
圖2- 28坡度22度下體積濃度與水平位移關係 38
圖3- 1 邊坡30度層理角度60度試體 40
圖3- 2邊坡30度層理角度30度試體 40
圖3- 3 研磨石尺寸（5 mm） 42
圖3- 4 試體製作步驟一 42
圖3- 5 試體製作步驟二 42
圖3- 6 試體製作步驟三 43
圖3- 7 試體製作步驟四 43
圖3- 8 試體製作步驟五 44
圖3- 9 BlueEyes BE-1234M 44
圖3- 10 中央大學地工離心機 45
圖3- 11 模型試驗箱(吳明淏，2012) 47
圖3- 12 莫型試驗箱示意圖（長度單位：mm） 47
圖3- 13 依所需條件放置試體 48
圖3- 14 加水至所需高度 48
圖3- 15 F60S30示意圖 51
圖3- 16 F30S30示意圖 52
圖4- 1 F30S30乾燥情況 53
圖4- 2 F60S30乾燥情況 54
圖4- 3 F30S30泡水0g初始情況 55
圖4- 4 F30S30泡水40g堆積情況 55
圖4- 5 F60S30泡水0g初始情況 56
圖4- 6 F60S30泡水10g初始變形情況 57
圖4- 7 F60S30泡水10g堆積情況 57
圖4- 8 F60S30泡水20g堆積情況 58
圖4- 9 F60S30泡水30g堆積情況 58
圖4- 10 F30S30泡水高度52.35 mm 60
圖4- 11 F60S30泡水高度89.6 mm 61
圖4- 12 F60S30泡水0g初始狀態 63
圖4- 13 F60S30泡水10g初始變形狀態 63
圖4- 14 F60S30泡水10g堆積狀態 63
圖4- 15 F60S30泡水高度89.6 mm 64
圖4- 16 F60S30參數組一， 65
圖4- 17 F60S30參數組二，pb_kn,ks=50 kPa/m, pb_ns,ss=7.9 kPa 66
圖4- 18 F60S30參數組二，pb_kn,ks=50 kPa/m, pb_ns,ss=79 kPa 67
圖4- 19 F60S30參數組二，pb_kn,ks=500 kPa/m, pb_ns,ss=7.9 kPa 67
圖4- 20 F60S30參數組二，pb_kn,ks=500 kPa/m, pb_ns,ss=79 kPa 68
圖4- 21 F60S30參數組三，fr=0.1 69
圖4- 22 F60S30參數組三，fr=0.2 70
圖4- 23 F60S30參數組三，fr=0.3 70
圖4- 24 F60S30參數組四， 71
圖4- 25 F60S30參數組五，fr=0.087 73
圖4- 26 F60S30參數組五，fr=0.1 73
圖4- 27 F60S30參數組五，fr=0.2 74
圖4- 28 F60S30參數組五，fr=0.3 74
圖4- 29 F60S30參數組六，fr=0 76
圖4- 30 F30S30泡水0g初始情況 77
圖4- 31 F30S30泡水40g堆積情況 77
圖4- 32 F30S30泡水高度52.35 mm 78
圖4- 33 F30S30參數表一， 79
圖4- 34 F30S30參數組二，pb_kn,ks=50 kPa/m, pb_ns,ss=7.9 kPa 80
圖4- 35 F30S30參數組二，pb_kn,ks=50 kPa/m, pb_ns,ss=79 kPa 80
圖4- 36 F30S30參數組二，pb_kn,ks=500 kPa/m, pb_ns,ss=7.9 kPa 81
圖4- 37 F30S30參數組二，pb_kn,ks=500 kPa/m, pb_ns,ss=79 kPa 81
圖4- 38 F30S30參數組三，fr=0.1 83
圖4- 39 F30S30參數組三，fr=0.2 83
圖4- 40 F30S30參數組三，fr=0.3 84
圖4- 41 F30S30參數組四， 85
圖4- 42 F30S30參數組五，fr=0.087 86
圖4- 43 F30S30參數組五，fr=0.1 87
圖4- 44 F30S30參數組五，fr=0.2 87
圖4- 45 F30S30參數組五，fr=0.3 88
圖4- 46 F30S30參數組六，fr=0.087 89
圖4- 47 F30S30參數組六，fr=0.1 90
圖4- 48 F30S30參數組六，fr=0.2 90
圖4- 49 F30S30參數組六，fr=0.3 91
圖4- 50 F30S30參數組七，fr=0 92
圖4- 51 F30S30參數組八，fr=0 93
圖4- 52 F30S30參數組九，fr=0, pb_kn,ks= kPa/m 95
圖4- 53 F30S30參數組九，fr=0, pb_kn,ks= kPa/m 95
圖4- 54 F30S30參數組九，fr=0, pb_kn,ks= kPa/m 96
圖4- 55 F30S30參數組九，fr=0.087, pb_kn,ks= kPa/m 96
圖4- 56 F30S30參數組九，fr=0.087, pb_kn,ks= kPa/m 97
圖4- 57 F30S30參數組九，fr=0.087, pb_kn,ks= kPa/m 97
圖4- 58平行四邊形F30S30示意圖 99
圖4- 59 Geostudio 分析結果 100
圖4- 60 Adobe Photoshop CS6軟體介面 102
圖4- 61 PS上F60S30在10g下的初始變形情況 104
圖4- 62 PS上F60S30在10g下的堆積情況 104
圖4- 63 PS上F60S30在20g下的堆積情況 105
圖4- 64 PS上F60S30在30g下的堆積情況 105
圖4- 65 PS上F30S30在40g下的堆積情況 106
圖5- 1 F60S30坡趾位置 108
圖5- 2 F30S30坡趾位置 108
圖5- 3 F60S30泡水高度I 10g初始變形（200萬cycles） 109
圖5- 4 F60S30泡水高度I 200g初始變形（40萬cycles） 110
圖5- 5 F60S30泡水高度I 1000g初始變形（10萬cycles） 110
圖5- 6 F60S30，泡水高度I情況下各g數的初始變形情形 111
圖5- 7 F60S30泡水高度I 10g（200萬cycles） 112
圖5- 8 F60S30泡水高度I 200g（200萬cycles） 112
圖5- 9 F60S30泡水高度I 1000g（200萬cycles） 113
圖5- 10 F60S30，泡水高度I情況下各g數的堆積情形 113
圖5- 11 F60S30泡水高度II 10g初始變形（100萬cycles） 114
圖5- 12 F60S30泡水高度II 200g初始變形（30萬cycles） 115
圖5- 13 F60S30泡水高度II 1000g初始變形（10萬cycles） 115
圖5- 14 F60S30，泡水高度II情況下各g數的初始變形情形 116
圖5- 15 F60S30泡水高度II 10g（200萬cycles） 117
圖5- 16 F60S30泡水高度II 200g（200萬cycles） 117
圖5- 17 F60S30泡水高度II 1000g（200萬cycles） 118
圖5- 18 F60S30，泡水高度II情況下各g數的堆積情形 118
圖5- 19 F60S30泡水高度I 10g初始變形（200萬cycles） 119
圖5- 20 F60S30泡水高度II 10g初始變形（100萬cycles） 120
圖5- 21 F60S30，10g下不同泡水高度的初始變形情況 120
圖5- 22 F60S30泡水高度I 200g初始變形（40萬cycles） 121
圖5- 23 F60S30泡水高度II 200g初始變形（30萬cycles） 122
圖5- 24 F60S30，200g下不同泡水高度的初始變形情況 122
圖5- 25 F60S30泡水高度I 200g（500萬cycles） 123
圖5- 26 F60S30泡水高度II 200g（500萬cycles） 124
圖5- 27 F60S30，200g下不同泡水高度的堆積情況 124
圖5- 28 F60S30泡水高度I 1000g初始變形（10萬cycles） 125
圖5- 29 F60S30泡水高度II 1000g初始變形（10萬cycles） 126
圖5- 30 F60S30，1000g下不同泡水高度的初始變形情況 126
圖5- 31 F60S30泡水高度I 1000g（200萬cycles） 127
圖5- 32 F60S30泡水高度II 1000g（200萬cycles） 128
圖5- 33 F60S30，1000g下不同泡水高度的堆積情況 128
圖5- 34 F30S30泡水高度III 40g（200萬cycles） 130
圖5- 35 F30S30泡水高度III 200g（200萬cycles） 131
圖5- 36 F30S30泡水高度III 1000g（200萬cycles） 131
圖5- 37 F30S30，泡水高度III情況下各g數的滑動情形 131
圖5- 38 F30S30泡水高度IV 40g（200萬cycles） 132
圖5- 39 F30S30泡水高度IV 200g（200萬cycles） 132
圖5- 40 F30S30泡水高度IV 1000g（200萬cycles） 133
圖5- 41 F30S30，泡水高度IV情況下各g數的滑動情形 133
圖5- 42 F30S30泡水高度III 40g（800萬cycles） 134
圖5- 43 F30S30泡水高度IV 40g（800萬cycles） 134
圖5- 44 F30S30，40g下不同泡水高度的滑動情況 135
圖5- 45 F30S30泡水高度III 200g（700萬cycles） 135
圖5- 46 F30S30泡水高度IV 200g（700萬cycles） 136
圖5- 47 F30S30，200g下不同泡水高度的滑動情況 136
圖5- 48 F30S30泡水高度III 1000g（200萬cycles） 137
圖5- 49 F30S30泡水高度IV 1000g（200萬cycles） 137
圖5- 50 F30S30，1000g下不同泡水高度的滑動情況 137
圖5-51 F60S30在1/3坡高泡水範圍時各物理量變化 139
圖5-52 F60S30在全坡高泡水範圍時各物理量變化 140
圖5-53 F60S30在10倍放大倍率重力場下各物理量變化 141
圖5-54 F60S30在200倍放大倍率重力場下各物理量變化 141
圖5-55 F60S30在1000倍放大倍率重力場下各物理量變化 142
圖5-56 F30S30在1/3坡高泡水範圍時各物理量變化 143
圖5-57 F30S30在全坡高泡水範圍時各物理量變化 143
圖5-58 F30S30在40倍放大倍率重力場下各物理量變化 144
圖5-59 F30S30在200倍放大倍率重力場下各物理量變化 144
圖5-60 F30S30在1000倍放大倍率重力場下各物理量變化 145
附 1 F60S30參數組七，fr=0.087 151
附 2 F60S30參數組七，fr=0.1 152
附 3 F60S30參數組七，fr=0.2 152
附 4 F60S30參數組七，fr=0.3 153
附 5 F60S30參數組八，fr=0.087 154
附 6 F60S30參數組八，fr=0.1 155
附 7 F60S30參數組八，fr=02 155
附 8 F60S30參數組八，fr=0.3 156
附 9 F60S30參數組九，fr=0 157
附 10 F60S30參數組十，fr=0.087 158
附 11 F60S30參數組十，fr=0.1 159
附 12 F60S30參數組十，fr=0.2 159
附 13 F60S30參數組十，fr=0.3 160
附 14 F30S30參數組十，fr=0.087 161
附 15 F30S30參數組十，fr=0.1 162
附 16 F30S30參數組十，fr=0.2 162
附 17 F30S30參數組十，fr=0.3 163
附 18 F30S30參數組十一，fr=0.087 164
附 19 F30S30參數組十一，fr=0.1 165
附 20 F30S30參數組十一，fr=0.2 165
附 21 F30S30參數組十一，fr=0.3 166
表目錄
表 1 無降雨狀態下之離心機邊坡模型試驗結果 34
表 2符號定義 40
表 3 研磨石物理性質 41
表 4 BlueEyes BE-1234M 攝影機規格 44
表 5 離心機規格 45
表 6 離心模型與原型之相似律 46
表 7 基本參數單位表 50
表 8 顆粒初始參數設定 52
表 9 驗證參數總表 62
表 10 摩擦係數與顆粒摩擦角轉換 62
表 11 F60S30參數組一 64
表 12 F60S30參數組二 66
表 13 F60S30參數組三 69
表 14 F60S30參數組四 71
表 15 F60S30參數組五 72
表 16 F60S30參數組六 76
表 17 F30S30參數組一 78
表 18 F30S30參數組二 79
表 19 F30S30參數組三 82
表 20 F30S30參數組四 84
表 21 F30S30參數組五 86
表 22 F30S30參數組六 89
表 23 F30S30參數組七 92
表 24 F30S30參數組八 93
表 25 F30S30參數組九 94
表 26 擬和參數 98
表 27利用有效應力分析法計算平行四邊形F30S30安全係數 99
表- 28 F30S30各層的安全係數 100
表 31 試體堆積端點位置及實際滑動距離 106
表 32 不同重力場的模擬情況 107
表 33 F60S30縮尺模型滑動距離 129
表 34 F60S30原型試體滑動距離 129
表 35 F30S30縮尺模型滑動距離 138
表 36 F30S30原型試體滑動距離 138
表 37 F60S30參數組七 151
表 38 F60S30參數組八 154
表 39 F60S30參數組九 157
表 40 F60S30參數組十 158
表 41 F30S30參數組十 161
表 42 F30S30參數組十一 164
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| 參考文獻 |
參考文獻
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11. Itasca Consulting Group Inc. (2002) (Particle Flow Code in 3 Dimensions). Version 3.0 Minneapolis, MN: ICG
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| 指導教授 |
黃文昭
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審核日期 |
2015-8-26 |
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