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研究生： 林育槿
Yu-Chin Lin
論文名稱： 以分離元素法與離心模型試驗探討順向坡滑動行為
指導教授： 黃文昭
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： 2016
畢業學年度： 104
語文別： 中文
論文頁數： 151
中文關鍵詞： 順向坡 、離心模型 、PFC3D 、尺寸效應 、滑動距離
外文關鍵詞： Dip-slope, Centrifuge model test, PFC3D, scale effect, sliding distance
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    • 台灣的地形以山地及丘陵所佔之面積最大，由於受到造山運動之影響，海拔3000公尺以之山地超過200座，因而台灣擁有為數不少之順向坡。在台灣，發生順向坡滑動之案例不少，如1997年林肯大郡地層滑動、2009年獻肚山山崩使小林村滅村及2010年國道三號3.1公里崩塌事件等，致使人們更重視順向坡滑動之行為。
    本研究探討在台灣常見的砂頁岩互層組成之順向坡，運用分離元素法以及離心模型試驗進行模擬，針對厚薄岩層互層組成之順向坡進行研究。但相較於一般常見之砂頁岩順向坡，其砂頁岩之性質並不相同，本研究中未針對其材料之不同進行研究。將離心模型試驗之結果，對數值型進行校正，至離心模型試驗與數值模型結果吻合後，分析模型在不同尺度下滑動行為，釐清規模效應及影響順向坡滑動的因素(不同泡水高度)對順向坡穩定之影響，希望可瞭解不同尺度下順向坡的滑動行為。
    綜合數值模擬的結果，結論如下：(1)在越大重力場下，即對應原型坡高越高情況下，No.3岩層泡水部分，因遇水弱化，其滑動量也持續增加，滑動影響範圍向上邊坡部分延伸。(2)在不同泡水高度狀況下，於加高水位前，No.3岩層滑動範圍較深，但延伸至上邊坡之距離較短；加高水位後，位移影響範圍較淺，但延伸至上邊坡之距離較長。(3)在孔隙率變化方面，不同泡水高度狀況下，於未加高水為前，坡趾泡水部分孔隙率變大；加高水位後，孔隙率反而降低。

    In Taiwan, the mountains account for half of the areas in Taiwan. The mountains with altitude above 3,000 meters are more than 200. With abundant sedimentary environments in Taiwan, a lot of dip-slopes can be easily found in many regions. There are numerous dip-slope related disasters in recent years. For example, Linkendajun landslide in 1997, Hsiaoling landslide induced by 2009 Morakot Typhoon, Cidu section of Formosa Freeway landslide in 2010. Most of the above disasters are related to rainfalls, earthquakes and improper design of the stabilization system. It is crucial to understand the deformation and sliding behaviors of a dip slope when subjecting to triggering factors such as the above conditions.
    In this study, we are going to discuss the deformation behaviors of dip-slopes characterized by interbedded sandstone and shale. In order to further realize dip-slope failure, this study simulates dip-slope sliding by using PFC3D and centrifuge models. The aim is to understand the dip-slope behaviors with different thicknesses of the layers, but in this study, we are not discussing layers with different material properties. In addition, we also simulate dip-slope sliding behaviors with different scales and boundary conditions, hoping to understand the sliding behaviors of dip-slopes.
    According to the numerical simulations the results possesses the following characteristics: (1) Because the gravity increase and influenced by wet deterioration, the model will deform seriously. (2) In low water level, the sliding depth of formation No.3 is more deep and the range of sliding is less; In high water level, the sliding depth of formation No.3 is more shallow and the range of sliding is more. (3) In low water level, the porosity of toe of model become higher; In high water level, the porosity of toe of model become smaller.

    目錄 Abstract i 摘要 iii 目錄 v 圖目錄 x 表目錄 xvii 第一章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 簡述各章內容 4 第二章 文獻回顧 5 2.1 簡介台灣重大順向坡災害 5 2.1.1草嶺大崩山 5 2.1.2 1997年林肯大郡地層滑動 6 2.1.3 1999年九份二山順向坡滑動 7 2.1.4 2009年莫拉克颱風造成風造成獻肚山山崩 8 2.1.5 2010年國道三號順向坡滑動 9 2.1.6 台灣重大順向坡滑動歷史 10 2.2 坡體變形及破壞特性 11 2.2.1 岩石邊坡滑動的分析 12 2.2.2 板岩之邊坡變形 12 2.3 PFC3D理論介紹 14 2.3.1 PFC3D程式簡介 15 2.3.2 PFC3D基本假設 15 2.3.3 運算原理 16 2.3.3.1 力－位移定律 16 2.3.3.2 運動方程式 19 2.3.4 接觸組成模式 21 2.3.4.1 接觸勁度模式 21 2.3.4.2 滑動模式 21 2.3.4.3 鍵結模式 22 2.4 近期有關於順向坡滑動之數值模擬 25 2.4.1 九份二山崩塌機制與殘坡問題探討 25 2.4.2 1941年草嶺大山崩之數值模擬 26 2.4.3 國道3號七堵順向坡滑動過程之動態模擬 27 2.4.4 遽變式山崩之PFC3D模擬初探以草嶺與小林村為例 28 2.4.5以分離元素法探討板岩邊坡變形機制 30 2.4.6分離元素與離心模型模擬不同尺度順向坡滑動行為 34 第三章 研究方法 37 3.1 物理模型試驗 37 3.1.1 物理模型基本假設 37 3.1.2試體基本物理性質及力學性質 39 3.1.3試體製作 40 3.1.4 試驗儀器 43 3.1.5 試驗設置條件 48 3.1.6 靜力分析 48 3.1.7 試驗流程 50 3.2 數值模擬分析 51 3.2.1 數值模擬物理模型單位設定 52 3.2.2 數值模擬物理模型試驗之設定 53 3.2.3 泡水弱化方法 54 第四章 離心機試驗與數值模擬結果 56 4.1 物理試驗結果分析 56 4.1.1 離心機試驗結果 56 4.1.2 1g重力場之物理試驗結果 59 4.1.3 厚薄層互層與單層互層之比較 61 4.2數值模擬結果分析 62 4.2.1 數值模擬過程 62 4.2.2 數值模擬結果 66 4.2.3 滑動形態之參數定義 68 第五章 不同重力場下順向坡之變形結果 71 5.1 滑動之位移及孔隙率變化 73 5.1.1 30g重力場 73 5.1.2 250g重力場 78 5.1.3 400g重力場 81 5.1.4 650g重力場 84 5.1.5 950g重力場 87 5.1.6 綜合討論 90 5.2 接觸力及應力變化 95 5.2.1 PFC3D之重力場及平衡 96 5.2.2 模型內應力路徑變化 98 5.3 不同泡水高度之情況 100 5.3.1 30g重力場 100 5.3.2 400重力場 103 5.3.3 950重力場 106 5.3.4 綜合討論 109 第六章 結論 117 建議 119 參考文獻 120 附錄 122 附1 不同重力場之應力變化 122 附1.1 30g重力場應力變化 123 附1.2 950g重力場之應力變化 125 圖目錄 圖1- 1弱面走向、傾向、傾角示意圖（林庭輝，2015） 2 圖1- 2 研究流程 3 圖2- 1 順向坡示意圖(建築技術規則) 5 圖2- 2 草嶺山崩之歷史(Tang et al., 2012) 6 圖2- 3 林肯大郡後方之順向坡滑動(紀宗吉，2012) 7 圖2- 4 九份二山之災後影像(紀宗吉，2012) 8 圖2- 5 小林村災前後地貌影像(左：B.L Chi，右：C.T. Cheng攝，2009) 9 圖2- 6 國道三號順向坡滑動破壞照片(洪如江，2010) 10 圖2- 7 弱面位態之標示(林基源繪，2006) 12 圖2- 8 葉理位態與沿坡潛移類型(Chigira, 1992) 14 圖2- 9 PFC3D運算原理(PFC3D manual) 16 圖2- 10 顆粒與顆粒間接觸之關係(PFC3D manual) 17 圖2- 11 顆粒與牆間接觸之關係(PFC3D manual) 17 圖2- 12 顆粒與牆接觸之法線向量舉例說明圖(PFC3D manual) 18 圖2- 13 (a)正向力-位移關係 (b)剪力-位移關係圖(PFC3D manual) 22 圖2- 14 平行鍵結示意圖(PFC3D manual) 23 圖2- 15 殘餘滑動體的安全係數機率分佈(壽克堅等，2001) 26 圖2- 16 模擬之成果以顏色區別其位移之程度(Tang et al. 2012) 27 圖2- 17 國道3號七堵順向模擬之滑動過程及堆積結果 28 圖2- 18摩擦係數與現地三維堆積形貌密合的結果(唐昭榮等，2009) 29 圖2- 19 小林村山崩塌模擬隨時間之顆粒分佈成果圖(唐昭榮等，2009) 30 圖2- 20 乾燥情況下坡度30度逆向葉理60度數值模擬結果 31 圖2- 21泡水情況下坡度30度順向葉理60度數值模擬結果 31 圖2- 22 順向坡模型改變摩擦係數（莊庭鳳，2014） 32 圖2- 23順向坡模型改變平行鍵結強度（莊庭鳳，2014） 33 圖2- 24 順向坡模型改變平行鍵結勁度（莊庭鳳，2014） 33 圖2- 25 乾燥狀況下離心模型試驗結果 (曾煒傑，2015) 34 圖2- 26 40g泡水狀況下坡度30度層理角度30度(曾煒傑，2015) 34 圖2- 27 泡水狀況下坡度30度層理角度60度 35 圖2- 28坡度及層理角度30，實驗結果與模擬結果(曾煒傑，2015) 36 圖2- 29坡度30層理角度60，實驗結果與模擬結果(曾煒傑，2015) 36 圖3- 1 物理模型示意圖 39 圖3- 2 物理模型實際狀況 39 圖3- 3研磨石 40 圖3- 4試體製作步驟一 41 圖3- 5試體製作步驟二 41 圖3- 6試體製作步驟三 42 圖3- 7試體製作步驟四 42 圖3- 8試體製作步驟五 43 圖3- 9 BlueEyes BE-1234M 43 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 鋁合金邊坡及壓克力塊 47 圖3- 13模型試驗箱示意圖（長度單位：mm） 48 圖3- 14 可能之滑動面示意圖(單位：cm) 49 圖3- 15 泡水狀況下滑動面安全係數計算方式示意圖 50 圖3- 16離心機試驗試體(已泡水)放置完成圖 51 圖3- 17 PFC3D模型示意圖 54 圖3- 18離散元素模型泡水示意圖(泡水高度為52.35mm) 55 圖4- 1 試體擺放完成1g狀況 56 圖4- 2 重力場30g之狀況 57 圖4- 3 重力場40g之狀況 58 圖4- 4 重力場80g之狀況 58 圖4- 5 1g試驗之簡易試驗箱圖 59 圖4- 6 1g試驗準備完成圖 60 圖4- 7 1g試驗結果圖(48小時後) 60 圖4- 8 泡水狀況下坡度30度層理角度30度(單層互層)試驗結果圖 61 圖4- 9 本研究離心試驗結果(左)；曾煒傑(2015) 離心試驗結果(右) 61 圖4- 10 未泡水部分摩擦係數設為1.15之模擬結果 64 圖4- 11 降低泡水部分鍵結勁度之模擬結果 65 圖4- 12 降低泡水部分鍵結強度之模擬結果 66 圖4- 13 離心模型試驗結果 68 圖4- 14 PFC3D模擬結果 68 圖4- 15滑動形態之參數定義示意圖 69 圖5- 1 觀測圓佈置圖 73 圖5- 2 30g重力場模擬結果 74 圖5- 3 30g位移向量狀況 74 圖5- 4 剖面示意圖，原模型(左)；剖面(右) 75 圖5- 5 30g位移顏色區分變化圖 76 圖5- 6 30g累積坡頂位移變化圖 77 圖5- 7 30g重力場之孔隙率變化狀況 78 圖5- 8 250g重力場模擬結果 78 圖5- 9 250g位移向量狀況 79 圖5- 10 250g位移顏色區分變化圖 79 圖5- 11 250g累積坡頂位移變化圖 80 圖5- 12 250g重力場之孔隙率變化狀況 81 圖5- 13 400g重力場模擬結果 81 圖5- 14 400g位移向量狀況 82 圖5- 15 400g位移顏色區分變化圖 82 圖5- 16 400g累積坡頂位移變化圖 83 圖5- 17 400g重力場之孔隙率變化狀況 84 圖5- 18 650g重力場模擬結果 84 圖5- 19 650g位移向量狀況 85 圖5- 20 650g位移顏色區分變化圖 85 圖5- 21 650g累積坡頂位移變化圖 86 圖5- 22 650g重力場之孔隙率變化狀況 86 圖5- 23 950g重力場模擬結果 87 圖5- 24 950g位移向量狀況 88 圖5- 25 950g位移顏色區分變化圖 88 圖5- 26 950g累積坡頂位移變化圖 89 圖5- 27 950g重力場之孔隙率變化狀況 89 圖5- 28不同重力場之坡頂位移變化圖 92 圖5- 29 不同重力場下觀測圓1內孔隙率變化狀況 92 圖5- 30不同重力場下觀測圓2內孔隙率變狀況 93 圖5- 31不同重力場下觀測圓3內孔隙率變狀況 93 圖5- 32不同重力場下觀測圓4內孔隙率變狀況 94 圖5- 33不同重力場下觀測圓5內孔隙率變狀況 94 圖5- 34不同重力場下觀測圓6內孔隙率變狀況 95 圖5- 35加牆後之模型示意圖 96 圖5- 38應力量測位置示意圖 98 圖5- 39 30g重力場滑動前後之應力路徑圖 99 圖5- 40 950g重力場滑動前後之應力路徑圖 100 圖5- 42 30g重力場模擬結果(高水位) 101 圖5- 43 30g位移向量狀況(高水位) 101 圖5- 44 30g位移顏色區分變化圖(高水位) 102 圖5- 45 30g累積坡頂位移變化圖(高水位) 102 圖5- 46 30g重力場孔隙率變化狀況(高水位) 103 圖5- 47 400g重力場模擬結果(高水位) 104 圖5- 48 400g位移向量狀況(高水位) 104 圖5- 49 400g位移顏色區分變化圖 105 圖5- 50 400g累積坡頂位移變化圖(高水位) 105 圖5- 52 950g重力場模擬結果(高水位) 107 圖5- 53 950g位移向量狀況(高水位) 107 圖5- 54 950g位移顏色區分變化圖(高水位) 108 圖5- 55 950g累積坡頂位移變化圖(高水位) 108 圖5- 56 400g重力場孔隙率變化狀況(高水位) 109 圖5- 57 新剖面示意圖 111 圖5- 58 顏色區分位移量模擬結果，中心剖面(左)；接近側壁剖面(右) 111 圖5- 59不同泡水高度之滑動厚度狀況 112 圖5- 60不同泡水高度之滑動深度狀況 112 圖5- 61 不同重力場之坡頂位移變化狀況(高水位) 113 附 1應力量測位置示意圖 122 附 2 應力元素示意圖 122 附 3 30g重力場觀測圓1內應力(kPa)，滑動前(左)；滑動後(右) 123 附 4 30g重力場觀測圓3內應力(kPa)，滑動前(左)；滑動後(右) 124 附 5 30g重力場觀測圓4內應力(kPa)，滑動前(左)；滑動後(右) 124 附 6 30g重力場觀測圓6內應力(kPa)，滑動前(左)；滑動後(右) 125 附 7 950g重力場觀測圓1內應力(kPa)，滑動前(左)；滑動後(右) 125 附 8 950g重力場觀測圓3內應力(kPa)，滑動前(左)；滑動後(右) 126 附 9 950g重力場觀測圓4內應力(kPa)，滑動前(左)；滑動後(右) 127 附 10 950g重力場觀測圓6內應力(kPa)，滑動前(左)；滑動後(右) 127 表目錄 表 1台灣重大順向坡滑動歷史 10 表 2離心模型與數值模型擬合參數表(曾煒傑，2015) 36 表 3研磨石物理性質 40 表 4 BlueEyes BE-1234M 攝影機規格 44 表 5 中央大學地工離心機規格 45 表 6 離心模型與原型之相似律 46 表 7 靜力平衡分析計算(未泡水) 49 表 8 靜力平衡分析計算(已泡水) 50 表 9離散元素模型使用之參數單位表 53 表 10 PFC3D模型泡水前後之參數變化狀況 55 表 11 PFC3D模型內初始參數設定表 63 表 12未泡水及泡水後之參數變化表 63 表 13顆粒在乾燥與泡水狀況下不同摩擦角組合與安全係數關係 64 表 14泡水部分鍵結勁度降低設置表 65 表 15泡水部分強度降低設置表 66 表 16最終離散元素模型使用之參數單位表 67 表 17泡水與未泡水之參數設定表 67 表 18不同重力場及其對應原型坡高 71 表 19觀測圓位置 72 表 20以顏色區分位移變化 76 表 21 30g與950g重力場之位移狀況比較 90 表 22不同重力場下滑動厚度對層厚正規化情況 91 表 24同時間下不同泡水高度的位移狀況之比較 110

    參考文獻
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