第五章 試驗結果與討論
5.3 反覆環剪的應力及剪縮行為
軟岩材料在扭力-扭轉角曲線中，皆先經由彈性段再進入彈塑性 段組合及塑性段才進入殘餘段。受剪扭轉角度宜夠大，方能達到真正 之殘餘段，曲線起伏的走勢及完整的資料也方可顯現，可以觀察真正 之殘餘強度性質及水平裂縫行為。本研究除了探討順著單一剪動方向 的殘餘強度發展情形，亦嘗試包含雙向來回的反覆環剪試驗(cyclic ring- shear test )。反覆環剪試驗的意義與概念為，當材料即使達到相 當大應變下所發揮之殘餘強度於應力應變曲線中若仍無法達到穩
5.3.2 試驗種類
動的殘餘強度，約53 度殘餘強度才開始上升。
表 5.2 反覆循環下殘餘扭力變化 Cycle1
順向剪動 0.522 1.111 0.589 0.0187 逆向剪動 1.172 0.356 -0.816 -0.0272
Cycle2
順向剪動 0.331 0.773 0.442 0.0148 逆向剪動 0.838 0.31 -0.528 -0.0176
Cycle3
順向剪動 0.252 0.641 0.389 0.0130 逆向剪動 0.678 0.199 -0.479 -0.016
Cycle4
順向剪動 0.218 0.528 0.31 0.010 (+:dilation, -:compression)
-20 0 20 40 60 80 100 Angle (degrees)
-40 -20 0 20 40 60 80
T o rque (N-m)
ATRIFICIAL SOFT SANDSTONE Constant normal force 1000N
圖5.31 反覆環剪順剪動方向四次循環試驗曲線
0 20 40 60 80 100 Angle (degrees)
-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
Dilatancy (mm)
圖5.32 反覆環剪順剪動方向四次循環剪脹曲線
0 10 20 30
Angle (degrees) -0.5
Dilatancy (mm)
Return shear loading Advance shear loading
圖 5.33 四次循環中的剪脹-剪縮過程 Return
Advance
4th
2. 具反向超越初始位置之反覆環剪試驗
逆向受剪約(30~29 度)度範圍內先急速壓縮，約(29~27)度內又劇烈膨 脹，然後才緩慢壓縮，至約 10 度左右才又開始微量剪脹至 0 度，過
當試體處於順向剪動(由 0 度往 30 度計算)或逆向剪動(由 30 度往 0 度 Cycle1
順向剪動 -0.927 0.841 1.768 0.064 逆向剪動 0.66 -0.269 -0.929 -0.033
Cycle2
順向剪動 -0.927 0.62 1.547 0.056 逆向剪動 0.507 -0.269 -0.776 -0.027
Cycle3
-
- - - -
(+:dilation, -:compression)
-60 -40 -20 0 20 40 Angle (degrees)
-40 0 40 80 120
Torque (N-m)
ATRIFICIAL SOFT SANDSTONE Constant normal force 1000N
圖5.34 反覆環剪逆剪動方向 2 次循環試驗曲線
-60 -40 -20 0 20 40 Angle (degrees)
-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
Dilatanc y (m m)
圖5.35 反覆環剪 2 次循環剪脹曲線
0 10 20 30 Angle (degrees)
-0.5
Dilatancy (mm)
Advance shear loading Return shear loading
圖5.36 二次循環的剪脹-剪縮過程 Return
Advance
-30%
3. 全象限剪動之反覆環剪試驗
(1). 殘餘強度比較
全象限剪動試驗旨為求得距起始點之兩方向穩定殘餘強度行 為。試驗結果如圖 5.37，本試驗可得受反覆循環剪動之扭力-扭轉角 曲線之阻滯圈覆合性非常高，曲線除第一階逆向剪動扭力值(絕對值) 稍大外，其餘循環曲線皆相似。各循環之 0 度與 30 度位置殘餘扭力 值比較如表5.6 所示，經過第一階剪動後之雙向殘餘強度變化率大，
其餘幾次循環皆微幅起伏。
(2). 反覆循環下之磨損率
剪脹曲線中如圖5.38，隨初始塑性變形的膨脹產生，經過循環後 之膨脹量曲線皆開始剪縮，由兩向剪動磨損使曲線類似鐘擺行為而裂 面漸漸壓縮，每一階循環之磨損變化量及正割曲線剪帳率列於表 5.7。膨脹曲線之剪脹率是以兩點膨脹點位置直接求斜率，雖然對第 一階逆向剪動誤差較大，但對於循環階數較大之趨緩曲線仍屬合理。
表中可觀察出，受第一階循環後之剪縮潛能漸穩定，變化量幾乎維持 固定。
表5.6 全象限剪動之殘餘強度比較
表5.7 全象限剪動裂面磨損變化情形 Cycle1
順向 1.945 1.476 -0.469 -0.016 逆向 1.476 1.092 -0.384 -0.006 Cycle2
順向 1.092 1.031 -0.061 -0.001 逆向 1.031 0.696 -0.335 -0.006 Cycle3
順向 0.696 0.733 0.037 0 逆向 0.733 0.417 -0.316 -0.005 Cycle4
順向 0.417 0.5 0.083 0 逆向 0.5 0.297 -0.203 -0.003 Cycle5
順向 0.297 0.368 0.071 0
-40 -20 0 20 40 60 Angle (degrees)
-40 0 40 80
To rq u e ( N -m )
ATRIFICIAL SOFT SANDSDONE
5 cycles
CONSTANT NORMAL FORCE 1000N
圖 5.37 五次循環全象限剪動試驗曲線
-40 -20 0 20 40 60 Angle (degrees)
-1 0 1 2 3 4 5
Dilatancy (mm)
圖 5.38 五次循環全象限剪動的剪脹-剪縮過程
5.3.4 反覆環剪水平破裂面討論
於高正向應力下，裂面幾乎被第一階循環磨損削弱，導致後續循 在著較大起伏α粗糙角或節瘤如圖 5.41、5.42，亦可能是存在破 碎岩屑或裂片等其他因素，導致剪動於此位置時剪脹率及剪縮率 皆很高。
6. 圖 5.31 中循環過後的剪脹曲線(尾巴段) 隨扭轉量增加而持續剪
脹，但是，此膨脹量不會到達初始曲線膨脹量位置，因為反覆受 剪體積縮小影響，造成不可回復的變形量。而扭力曲線有突然提 高的現象，有可能是沿水平裂面分離的金屬環有些許傾斜，某一 端金屬環互相接觸而有水平分力產生額外彎矩。水平裂縫受反覆 剪動後，其破裂面岩屑受摩擦影響形成較細粉末顆粒。
7. 由本試驗於雙向剪動殘餘強度試驗結果觀察，無論於順向或逆向 剪動皆可達殘餘穩定狀態，證明選擇本系列試驗以 30 度為一個 週期之試驗方法有效。
圖5.39 剪裂面上不同剪動方向高度變化 compression
compression dilatancy
α1 α2
Advance shearing
Return shearing 水平裂縫剛形成無體積變化
dilatancy
圖 5.40 變向剪動之裂面顆粒組構變化
圖5.41 四次循環試驗後水平裂縫 h2 h3 h1
(a) (b) (c)
h1>h3>h2