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研究生： 胡家豪
Chia-Hao Hu
論文名稱： 以離心模型試驗與數值模型探討高角度逆向坡的破壞行為
指導教授： 黃文昭
Wen-Chao Huang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年： 2019
畢業學年度： 107
語文別： 中文
論文頁數： 142
中文關鍵詞： 逆向坡 、PFC3D 、離心模型 、尺寸效應
外文關鍵詞： Anti-dip slope, PFC3D, centrifuge model test, scale effect
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    • 臺灣因位於板塊的交界上而有多元的地質環境，但也使得臺灣地區平均每年約發生26,686次地震(中央氣象局)，而這也使得邊坡處於不穩定的狀態，再加上有著季風與颱風帶來充沛的雨量，往往造成岩坡發生滑動或破壞。
    因需要探討不同尺度下岩坡之穩定及破壞機制，因此在室內之物理試驗方面，採用中央大學土木系之離心機進行試驗，並使用直徑5mm的研磨石球作為簡化物理模型的材料，探討在改變不同層數厚度及解壓長度之岩體的變形行為，模擬簡化岩坡在不同條件下之反應，並且對於模擬後的結果進行細部分析，得到每片岩石片之倒塌情形及整體破壞變形比例。
    取得試驗結果後，利用PFC3D模擬在相同重力場及相同層數與解壓長度下，以數值模擬出與物理模擬相似的結果，再將此數值模擬的參數結果提取出來，利用其數值參數模擬在相同逆向坡配置100倍重力場下之變形與破壞結果，並討論在此數值模擬結果下的破壞情形。

    Taiwan has a diverse geological environment caused by plate movement. On average, there are about 26,686 earthquakes per year in Taiwan, and this fact leaves the rock slopes in an unstable state, not to say the influence caused by the heavy rainfall.
    Because of the need to explore the stability and failure mechanism of rock slopes with different scales, the laboratory tests with centrifuge in NCU were conducted to simulate simplified models to record the rock slope behavior under different layer thickness with 5mm diameter grinding stone ball. Detailed analysis was performed on the simulated results to obtain the deformation of each piece of rock sheet and the overall failure deformation ratio.
    Afterwards, we have used PFC3D to simulate the same model in centrifuge test with the same gravitational field. First of all, numerical simulations were verified by comparing to physical simulations. Secondly, we used the verified numerical parameters to run the numerical models with 100g, simulating anti-dip slopes with 7.5 to 12 meter height and discussed the deformation and failure results under this numerical simulation result.

    摘要 i Abstract ii 目錄 iii 圖目錄 viii 表目錄 xiv 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 逆向坡的定義 4 2.2 逆向坡的破壞案例 4 2.3 邊坡的破壞機制 6 2.4 邊坡的破壞型態 8 2.5 板岩邊坡的變形行為 11 2.6 傾覆破壞 13 2.6.1 傾覆破壞介紹 13 2.6.2 傾覆破壞的種類 14 2.6.3 二次傾覆模式 16 2.7 逆向坡滑動破壞的分析案例 19 2.8 以分離元素法探討板岩邊坡變形機制 22 2.9 離心機介紹 25 2.9.1 離心機設備 26 2.9.2 離心機理論 28 2.10 PFC3D介紹 29 2.10.1 PFC3D應用 30 2.10.2 PFC3D原理 30 2.10.3 力與位移法 32 2.10.4 運動方程式 36 2.10.5 接觸組成模式 38 第三章 研究方法 43 3.1 物理試驗 43 3.1.1 物理模型之基本假設 43 3.1.2 試體之物理性質 44 3.1.3 試體製作 47 3.1.4 離心試驗設備 50 3.1.5 離心試驗配置 57 3.2 數值模擬分析 60 3.2.1 數值模擬之設定 61 3.2.2 數值模擬之參數 62 3.3 逆向坡分析理論構想 64 3.3.1 岩片性質定義 64 3.3.2 正規化抗彎勁度 65 3.3.3 K值比較 67 第四章 實驗結果與分析 69 4.1 離心試驗規劃 69 4.2 離心試驗厚度與長度比例定義 71 4.3 離心試驗結果分析 74 4.3.1 試驗一：75度、單層、解壓長度7.5公分、20g 74 4.3.2 試驗二： 75度、單層、解壓長度12公分、20g 76 4.3.3 試驗三： 75度、雙層、解壓長度7.5公分、40g 78 4.3.4 試驗四： 75度、雙層、解壓長度12公分、20g 79 4.3.5 試驗五： 75度、四層、解壓長度7.5公分、20g 81 4.3.6 試驗六： 75度、四層、解壓長度12公分、20g 81 4.3.7 試驗七： 75度、一層、解壓長度12公分、20g、坡頂漸減82 4.4 試驗比較 83 4.4.1 單層試驗比較 83 4.4.2 解壓長度12公分試驗比較 86 4.4.3 各試驗比較 88 第五章 數值模擬與實驗比較 95 5.1 數值模擬參數設定 95 5.2 數值模型與離心模型比較 96 5.2.1 75度、單層、解壓長度7.5公分、20g 97 5.2.2 75度、單層、解壓長度12公分、20g 97 5.2.3 75度、雙層、解壓長度7.5公分、40g 98 5.2.4 75度、雙層、解壓長度12公分、20g 99 5.2.5 75度、四層、解壓長度7.5公分、20g 99 5.2.6 75度、四層、解壓長度12公分、20g 100 5.2.7 75度、一層、解壓長度12公分、20g、坡頂漸減 101 5.3 數值100g模擬 101 5.3.1 75度、單層、解壓長度7.5公分、100g 102 5.3.2 75度、單層、解壓長度12公分、100g 103 5.3.3 75度、雙層、解壓長度7.5公分、100g 105 5.3.4 75度、雙層、解壓長度12公分、100g 107 5.3.5 75度、四層、解壓長度7.5公分、100g 109 5.3.6 75度、四層、解壓長度12公分、100g 111 5.3.7 75度、一層、解壓長度12公分、100g、坡頂漸減 112 5.4 試驗比較 113 5.4.1 K值比較 114 5.4.2 綜合比較 114 第六章 結論 116 第七章 建議及展望 118 參考文獻 119 附錄 121

    1. 中央氣象局，地震專欄，檢自：https://www.cwb.gov.tw/V7/knowledge/planning/seismological.htm (Dec.11,2018)。
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    3. 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所，高雄(2014)。
    4. 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)。
    5. 曾煒傑，「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」，碩士論文，國立中央大學土木工程學系，桃園 (2015)。
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