巨觀等向性併構岩之製作及其力學行為

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古智君(Chih-Chun Ku) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

巨觀等向性併構岩之製作及其力學行為
(Preparation and mechanical behaviors of macroscopically isotropic bimrocks)

相關論文

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摘要(中)

本研究主要在探討由基質材料中夾雜著岩塊混合而成之併構岩的力學性質及行為。本研究設計一套單軸雙向壓實模具來壓製試體，以不同的二相組成材料，製作具有不同岩塊體積含量且基質材料乾密度相同之人造『巨觀等向性』併構岩試體，探討併構岩內部二相組成材料之體積含量與勁度關係對整體力學性質與行為的影響。此外，將前人對市售的岩石三軸室之改良方法加以改進，可同時解決鎖緊三軸室頂蓋時容易將訊號線剪斷與試驗過程中水份易沿著訊號線外漏的問題。
由試驗結果顯示，併構岩試體於單軸壓縮狀態下，由於受兩材料間軟弱界面的影響，整體的力學性質係由基質材料或界面性質來控制;當試體於三軸壓縮狀態下，由於圍壓的束制作用讓岩塊材料具有提升整體強、勁度的效果，此時整體的力學性質係由基質與岩塊材料共同控制。在不同岩塊體積含量併構岩力學性質部分，試體的凝聚力隨岩塊體積含量增加而降低;內摩擦角與材料參數m值則隨岩塊體積含量增加而提高。破壞模態觀察部分，併構岩的破壞模態與岩塊體積含量及圍壓大小有關，可將破壞模態分為軸向劈裂破壞、剪力滑動破壞、主剪力滑動面之共軛破壞及多組共軛破壞四種模態。理論模式分析部分，試體於單軸壓縮狀態下，低岩塊體積含量時較符合於假設二相材料為完全接合的預測模式，在高岩塊體積含量時，因兩材料間的軟弱界面數量增加，使二相複合材料的預測模式較不適用。試體於三軸壓縮狀態下，兩材料間的界面接合性質因圍束壓力而獲得改善，以微觀力學模式來預測併構岩的力學性質屬可行的方法。

摘要(英)

The main purpose of this research is to study the mechanical properties and behaviors of bimrocks that composed of blocks in matrix. An uniaxial bi-directional compaction mold were designed to prepare the artificial bimrocks. By using different composite materials, the mechanical properties and behaviors with distinct block proportions and stiffnesses of the block and matrix are investigated.
For the testing results, the mechanical properties of bimrock are controlled by matrix itself or the interface between block and matrix in uniaxial compression. With increasing confining pressures, the global mechanical properties and behaviors are controlled by both blocks and matrix in triaxial compression. Generally, increasing of block proportions decreased the cohesion and increased the internal friction angle and the material parameter m in Hoek-Brown criteria. Based on the experimental observation, the failure modes of the artificial bimrocks at different block proportions and confining pressures can be classified into four categories: axial splitting mode; shear fracture mode; conjugate shear mode with a main shear plane, and multiple conjugate shear planes mode. For theoretical prediction, the prediction models with assuming perfectly bonded interfaces in composite materials can fit the young’s modulus of the specimens at lower block proportions in uniaxial compression, but the prediction models can’t fit the data at higher block proportions. In triaxial compression, the micromechanics model can be used to predict the test data well.

關鍵字(中)

★ 微觀力學模式
★ 混成岩
★ 併構岩
★ 巨觀等向性
★ 體積含量

關鍵字(英)

★ mélanges
★ macroscopically isotropic
★ volumetric fraction
★ bimrocks
★ micromechanics model

論文目次

目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XVI
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究內容 2
1.3 論文架構 2
第二章文獻回顧 4
2.1 巨觀等向性併構岩之定義 4
2.2 等向性岩石之破壞準則 5
2.2.1 Mohr－Coulomb 破壞準則 5
2.2.2 Hoek－Brown (1980) 破壞準則 7
2.3 混成岩與併構岩之力學性質相關研究 9
2.3.1 波特蘭水泥混凝土之力學性質 10
2.3.2 黏性土基質材料複合土壤之力學性質 13
2.3.3 人造混成岩試體之力學性質 21
2.4 微觀力學預測模式 27
2.4.1 Voigt (1910)、Reuss (1929)模式 27
2.4.2 Hashin-Shtrikman Bounds 28
2.4.3 Self-Consistent Scheme 30
2.4.4 Differential Scheme 31
第三章人造巨觀等向性併構岩試體之製作方法 34
3.1 等向性併構岩之模擬材料選擇 34
3.2 試驗儀器與設備 38
3.2.1 人造試體壓製模具 38
3.2.2 材料試驗機系統 41
3.2.3 岩心試體鑽修設備 42
3.2.4 資料訊號量測與擷取系統 43
3.2.5 岩石三軸試驗系統 45
3.2.6 表面影像擷取設備 47
3.3 等向性併構岩試體之製作方法及流程 48
3.3.1 材料準備 49
3.3.2 材料拌合 53
3.3.3 試體製作方法及流程 55
3.3.4 試體養護與氣乾 68
3.4 岩石力學性質試驗方法 69
3.4.1 巴西人間接張力強度試驗 69
3.4.2 單軸壓縮強度試驗 69
3.4.3 三軸壓縮強度試驗 70
3.5 單軸與三軸壓縮試驗之試體應變量測 71
3.6 岩心試體編號 74
第四章人造巨觀等向性併構岩之力學性質及行為 75
4.1 等向性併構岩之力學性質 76
4.1.1 破壞應力與岩塊體積含量關係 79
4.1.2 楊氏模數與岩塊體積含量關係 81
4.1.3 波松比與岩塊體積含量關係 83
4.1.4 破壞應變與岩塊體積含量關係 85
4.1.5 等向性岩石破壞準則參數與岩塊體積含量關係 87
4.1.6 不同組成材料之併構岩力學性質結果比較 88
4.2 水泥加強紅土基質材料併構岩之力學性質 92
4.2.1 不同水泥添加量之紅土基質材料力學性質 95
4.2.2 破壞應力與岩塊體積含量關係 97
4.2.3 楊氏模數與岩塊體積含量關係 99
4.2.4 波松比與岩塊體積含量關係 101
4.2.5 破壞應變與岩塊體積含量關係 103
4.2.6 等向性岩石破壞準則參數與岩塊體積含量關係 105
4.2.7 不同材料勁度比之併構岩力學性質結果比較 106
4.3 人造巨觀等向性併構岩試體之破壞模態 110
第五章微觀力學模式預測分析 117
5.1 等向性併構岩於單軸壓縮狀態下之模式分析 117
5.2 等向性併構岩於三軸壓縮狀態下之模式分析 121
5.3 預測結果比較 128
第六章結論與建議 129
6.1 結論 129
6.2 建議 131
參考文獻 132
附錄A 人造巨觀等向性併構岩之力學試驗結果 136
附錄B 人造巨觀等向性併構岩之破壞包絡線 151

參考文獻

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指導教授

田永銘(Yong-Ming Tien)

審核日期

2004-7-17

推文