以離心機及數值模型探討延續性對多節理岩坡楔形塊體之破壞機制

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董詠濬(Yung-Chun Tung) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

以離心機及數值模型探討延續性對多節理岩坡楔形塊體之破壞機制

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)

台灣地質環境之構造運動頻繁，因物理或化學作用產生的岩體弱面、斷層以及褶皺等構造極為發達，以工程角度來看，密集的地質構造更直接影響岩石邊坡的穩定性和破壞行為。傳統的單一楔形塊體以兩個弱面及坡面、坡頂構成，破壞時沿兩弱面之交線滑動；然而，依黃鎮臺、夏龍源(1990)之研究結果以及實際走訪台二線83k附近(南雅里)現地調查結果發現，楔形破壞的發生並非僅為兩組不連續面切出之楔形塊體滑動，大多數是由三組不連續面(兩組弱面與層面)所構成的楔形塊體產生破壞，但此一類型的楔形塊體運動方式在前人研究中較少提及。
本研究以人造岩體進行簡化楔形塊體運動及破壞之物理及離心機試驗，以不同的弱面、層面位態以及節理延續性分析楔形塊體的破壞過程，並用數值軟體進行模擬。從研究結果得知：若層面傾向與坡面傾向相反，則楔形塊體運動以翻倒以及滑動破壞為主，且通常為坡趾處的楔形塊體先產生破壞，其塊體崩落率通常較低；若層面傾向與坡面傾向相同，塊體運動模式以沿弱面交線或平面滑動為主，且大多為坡頂或坡面之塊體先產生滑動。此外，在相同層面位態以及節理分布下，兩弱面夾角愈大，其塊體崩落率亦愈大。

摘要(英)

Taiwan is located at the boundary between the Philippine Sea Plate and Eurasian Plate. Thus, the tectonic plate activity is frequent. Geological structures such as folds, faults, and discontinuities play a critical role in the stability and behaviour of both natural and engineered rock slopes.
Traditional wedge block is defined by two discontinuities, slope top and slope face and slide alone the line of intersection. However, compared with Huang, C.T. and Shiah, L.Y., “A case study on the Nan-Ya landslide along the north coast highway” (1990), and the actual investigation of Nanya village. Wedge failure that occurs not only in the rock slope cut by two discontinuities, but most of them is cut by a third set of discontinuities (bedding).
In this study we use man made rock material to do physical test、centrifuge test and use 3DEC to simulate the result, in order to know its moving process under different ξ angle、bedding attitude and joint distribution.
From the result of this study, we can conclude that: (1) if the bedding is parallel to the line of intersection, block moving process is mostly planer failure. However if the bedding is perpendicular to the line of intersection, block moving process is mostly falling. (2) From the result of different ξ angle but same joint distribution. We found out that the block with ξ=120° has greater falling ratio than the block with ξ=90°.

關鍵字(中)

★ 楔形破壞
★ 岩石邊坡
★ 物理試驗
★ 離心機試驗
★ 3DEC
★ 弱面位態

關鍵字(英)

★ wedge failure
★ rock slope
★ physical test
★ centrifuge test
★ 3DEC
★ bedding attitude

論文目次

摘要 i
Abstract ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目錄 ix
表目錄 xv
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 論文架構 3
第二章文獻回顧 4
2.1 山崩型態 4
2.2 岩坡分類 7
2.3 立體投影圖應用 8
2.3.1 立體投影圖原理 8
2.3.2 立體投影圖分析 10
2.4 斜交坡楔形岩塊破壞模式 12
2.4.1 立體投影圖分析 13
2.4.2 極限平衡法分析(不考慮水壓力) 14
2.4.3 極限平衡法分析(考慮水壓力) 16
2.5 楔形岩塊滑動破壞案例 17
2.5.1 案例一：北濱海公路南雅里路段楔形破壞 17
2.5.2 案例二：土耳其安卡布拉城堡完整楔形岩塊滑動破壞 19
2.5.3 案例三：加拿大安大略省公路岩坡 20
2.6 離心機試驗 (Centrifuge test) 22
2.6.1 離心機設備 23
2.6.2 離心機試驗原理 24
2.7 3DEC軟體介紹 26
2.7.1 3DEC基本介紹 26
2.7.2 3DEC運算原理 27
2.7.3 塊體接觸時之運算方法 29
2.7.4 塊體組成率模式 30
2.7.5 不連續面組成律模式 31
2.7.6 3DEC節理設置原理 33
2.8 攝影測量於岩坡調查之應用 35
2.8.1 無人載具UAV的應用 35
2.8.2 Cloud Compare點雲分析軟體 36
2.9 節理延續性調查 37
第三章研究方法 39
3.1 物理模型試驗 39
3.1.1 物理模型之基本假設 39
3.1.2 試體之基本物理性質 40
3.1.3 楔形試體製作 41
3.1.4 物理模型試驗配置 44
3.2 離心機試驗 46
3.2.1 離心機試驗設備 46
3.2.2 離心試驗配置 50
3.3 3DEC數值模擬分析 51
3.3.1 數值模擬之單位設定 51
3.3.2 數值模擬之參數 52
3.4 現地案例全尺度模擬 54
3.4.1 現地調查：新北市汐止區汐萬路三段柯子林公墓對面之岩坡 54
3.4.2 現地案例全尺度模擬 56
第四章物理模型試驗以及離心試驗之結果 58
4.1 物理模型試驗規劃 58
4.2 物理模型試驗結果 68
4.2.1 實驗一：面角ξ=90°、層面為平行交線、節理分布為第一組隨機分布 69
4.2.2 實驗二：面角ξ=90°、層面為平行交線、節理分布為第二組隨機分布 71
4.2.3 實驗三：面角ξ=90°、層面為平行交線、節理分布為第三組隨機分布 73
4.2.4 實驗四：面角ξ=90°、層面為垂直交線、節理分布為近坡頂處節理完全貫穿 75
4.2.5 實驗五：面角ξ=90°、層面為垂直交線、節理分布為近坡面處節理完全貫穿 77
4.2.6 實驗六：面角ξ=90°、層面為垂直交線、節理分布為塊體表面節理完全貫穿 79
4.2.7 實驗七：面角ξ=90°、層面為垂直交線、節理分布為第一組節理等間距貫穿 81
4.2.8 實驗八：面角ξ=90°、層面為垂直交線、節理分布為第二組節理等間距貫穿 83
4.2.9 實驗九：面角ξ=120°、層面為平行交線、節理分布為第一組隨機分布 85
4.2.10 實驗十：面角ξ=120°、層面為平行交線、節理分布為第二組隨機分布 87
4.2.11 實驗十一：面角ξ=120°、層面為平行交線、節理分布為第三組隨機分布 89
4.2.12 實驗十二：面角ξ=120°、層面為垂直交線、節理分布為近坡頂處節理完全貫穿 91
4.2.13 實驗十三：面角ξ=120°、層面為垂直交線、節理分布為近坡面處節理完全貫穿 93
4.2.14 實驗十四：面角ξ=120°、層面為垂直交線、節理分布為塊體表面節理完全貫穿 95
4.2.15 實驗十五：面角ξ=120°、層面為垂直交線、節理分布為第一組節理等間距貫穿 97
4.2.16 實驗十六：面角ξ=120°、層面為垂直交線、節理分布為第二組節理等間距貫穿 99
4.3 離心試驗規劃 101
4.3.1 離心試驗結果 102
4.3.2 實驗四(一)：面角ξ=90°、層面為垂直交線、節理分布為近坡頂處節理完全貫穿 102
4.3.3 實驗五(一)：面角ξ=90°、層面為垂直交線、節理分布為近坡面處節理完全貫穿 103
4.3.4 實驗五(二)：面角ξ=90°、層面為垂直交線、節理分布為近坡面處節理完全貫穿(油) 104
4.3.5 實驗六(一)：面角ξ=90°、層面為垂直交線、節理分布為塊體表面節理完全貫穿 106
4.3.6 實驗八(一)：面角ξ=90°、層面為垂直交線、節理分布為第二組節理等間距貫穿 108
4.4 不同實驗的相互比較 109
4.4.1 面角ξ=90°、層面平行交線試驗結果比較(實驗一、二、三) 109
4.4.2 面角ξ=120°、層面平行交線試驗結果比較(實驗九、十、十一) 109
4.4.3 層面平行交線；不同實驗之間的比較 111
4.4.4 層面垂直交線；不同實驗之間的比較 112
4.5 物理模型試驗與離心試驗之比較 116
4.6 小結 117
第五章數值模擬分析物理模型與離心試驗結果 118
5.1 以數值軟體模擬物理模型試驗之結果 118
5.1.1 面角ξ=90°、層面平行交線；數值模擬與物理模型試驗結果比較 119
5.1.2 面角ξ=90°、層面垂直交線；數值模擬與物理模型試驗結果比較 122
5.1.3 面角ξ=120°、層面平行交線；數值模擬與物理模型試驗結果比較 128
5.1.4 面角ξ=120°、層面垂直交線；數值模擬與物理模型試驗結果比較 131
5.1.5 各個試驗之物理模型與數值模擬結果 137
5.2 以數值模擬離心試驗之結果 143
5.2.1 實驗四(一) 數值模擬與離心試驗結果比較 143
5.2.2 實驗五(二) 數值模擬與離心試驗結果比較 144
5.2.3 實驗六(一) 數值模擬與離心試驗結果比較 145
5.2.4 實驗八(一) 數值模擬與離心試驗結果比較 146
第六章現地案例的應用 148
6.1 汐萬路三段邊坡數值模型建置成果 148
6.2 不同節理間距之模擬結果 152
6.2.1 回填岩體崩落型式模擬 153
6.2.2 現地節理邊坡之後續可能崩落型式模擬 159
6.3 小結 165
第七章結論 166
7.1 結論 166
7.2 建議 168
參考文獻 169
附錄 171

參考文獻

1.李崇正、洪汶宜，「離心模型試驗簡介」，國家地震工程研究中心簡訊，第79期，第 1-2 頁 (2011)
2.林育槿，「以分離元素法與離心模型試驗探討順向坡滑動行為」，碩士論文，國立中央大學土木工程學系，桃園 (2016)
3.林劭儒，「逆向斜交坡中不同節理組特性對楔形岩體變形及破壞機制影響之探討」，碩士論文，國立台灣大學土木工程學系，台北 (2019)
4.翁孟嘉、鄭富書、黃燦輝、蔡立盛，「木山層砂岩之變形特性探討」，第九屆大地工程學術研討會論文集，桃園 (2001)。
5.莊庭鳳，「以分離元素法探討板岩邊坡變形機制」，碩士論文，國立高雄大學土木與環境工程學系，高雄 (2014)
6.黃鎮臺、夏龍源，「北部濱海公路南雅里路段邊坡崩塌個案之研究」，礦冶，第34卷，第4期，第 89-94 頁 (1990)。
7.黃鑑水，臺灣地質圖說明圖幅第四號-臺北，經濟部中央地質調查所 (1988)。
8.鄭皓文，「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行及破壞行為」，碩士論文，國立中央大學土木工程學系，桃園 (2019)
9.羅宇軒，「以隨機產生之岩石節理面進行數值模擬與直剪試驗」，碩士論文，國立中央大學土木工程學系，桃園 (2018)
10.Aydan, Ö., “Large Rock Slope Failures Induced by Recent Earthquakes,” Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 49, pp. 2503-2524 (2016).
11.Chigira, M., “Long-term gravitational deformation of rocks by mass rock creep,” Engineering Geology, Vol. 32, No. 3, pp. 157-184 (1992).
12.CloudCompare (Version 2.10.2)(Software). (2019) GPL software Retrieved from http://www.cloudcompare.org/
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17.Riquelme, A. J., and Abellán, A. and Tomás, R., “Discontinuity spacing analysis in rock masses using 3D point clouds,” Engineering geology, Vol. 195, pp. 185-195 (2015).
18.Stead, D., and Wolter, A., “A critical review of rock slope failure mechanisms: The importance of structural geology,” Journal of Structural Geology, Vol. 74, pp. 1-23 (2015).
19.Wyllie, D.C., and Mah, C.W., Rock Slope Engineering, Spon Press, London and New York, pp. 153-175 (2004).

指導教授

黃文昭(Wen-Chao Huang)

審核日期

2020-8-18

推文