土石混合材料之力學特性

崩積材料多為組成不規則且顆粒大小懸殊、不均質性高。因此對於類 似此種土石混合材料組成的岩體必須加以定義並探討其力學行為。

許靖華(1988)描述土、石混合材料如下：「包含不同粒徑之本身或外來 的碎片及岩塊鑲嵌在基質泥中所構成之岩體。」，可稱為「混同層」或「混 成岩」(Melange)。

Medley(1994)認為所謂的Melange或其他材料顆粒組成類似的岩體，只 要是具有軟弱基質材料與硬質岩塊所構成的岩體，在力學行為與力學分析 模式應該相同，因此定義此類岩石為Bimrock (Block-in-Matrix)，可稱為「併 構岩」(林銘郎，2000)。Medley(2001)亦定義岩體材料內岩塊與基質之強度 與勁度比必須滿足

tan φ

/tan φ

≥ 2.0

E

/E

≥ 2.0

當複合材料受剪，破壞面可能轉變為穿過岩塊。另外Medley(2001)認為岩

Medley(2002)由露頭及地質圖量測Franciscan Melange的最大觀測粒徑 (dmod)，量測區域大小範圍差異甚大，粒徑量測大小由數公釐至數十公里。

Medley量測粒徑大小的目的在探討何謂併構岩的岩塊及基質。圖 2-7 為其

依不同量測面積所得岩塊大小出現的相對頻率。為易於比較各種不同面積 特徵工程尺寸 Lc(characteristic engineering dimension)供不同的工程定義基 質與岩塊尺寸使用，Lc可為隧道長度、基礎寬度及試體直徑等。

Marsal(1969)認為試體直徑D與顆粒最大粒徑d_max之比值小於 6 時，尺 寸效應會有明顯之影響，但當比值漸增後，影響程度將逐漸縮小，而當此 一比值大於10 左右時，抗剪摩擦角會趨近一定值，如 圖 2-8。

Marachi(1972)研究三種不同土石壩材的力學特性，利用現地粒徑分佈 曲線平移製作成體積較小的試體(直徑 2.8in,12in,36in)，大型三軸試驗結果 指出最大顆粒尺寸增大時，其內摩擦角降低之趨勢，不受材料不同而改 變，如 圖2-9；Marachi也認為三種不同的土石壩材料雖然粗顆粒強度不同，

但顆粒形狀以及材料配比接近時，應力應變行為和抗剪強度會相當接近。

Montrasio(1998)研究山義大利 Parma 附近山崩所形成的崩積土層，稱 此崩積土層為「complex soil」，崩積土層由黏土、粉土與破碎岩塊構成。

Montrasio(1998)認為岩塊含量的多寡會影響 complex soil 的力學行為與受 剪時應變之改變量，因此他建立數學模型來分析complex soil 的力學行為。

Montrasio(1998)將complex soil材料構成理想化，如 圖 2-10，圖中a為 無岩塊存在的土體；圖b為材料內岩塊互相接觸，岩塊顆粒間之孔隙存在 基質土壤，材料的破壞行為主要由岩塊所控制；圖c材料內岩塊懸浮(floating) 在基質土壤中，岩塊顆粒彼此並無接觸，當應變量增加達到應變門檻值 時，懸浮(floating)在基質中的岩塊逐漸接觸直到圖b的狀態。

Montrasio(1998)認為complex soil材料的力學行為會受到材料的應變門 檻值所影響，為建立此指標他將單一個試體分割成許多立方體元素所構成 的群體，如 圖 2-11。假設岩塊不可壓縮以便得到應變門檻值ε_max與岩塊含 量p的關係；

V V

P= _G ………...(2-1) P ：岩塊體積含量比

V：複雜土基質加岩塊體積含量 V_G：複雜土中岩塊的體積含量

………...………..(2-2) Li 為元素的邊長，Ri 為元素中礫石之半徑

由公式 2-2 可得到應變門檻值ε_max與岩塊含量p的關係，如 圖 2-12。

s VS VS T

n = V V = V

Montrasio(1998)指出當岩塊體積含量比(p)在 30%以下時，在試體剪動應變 量達到20%，材料內岩塊彼此並無接觸，試體內基質土壤將沿著岩塊周圍

S VS VC C

min

表2-1 卵礫石含量對粘土砂土強度參數的影響(Holtz&Willard，1961) Clayey matrix Sandy matrix

Gravel

content(%) Φ'(°) c'(psi) Φ'(°) c'(psi) 0 24.0 8.7 35.7 3.7 20 25.6 7.0 37.0 6.6 35 25.1 8.3 50 32.2 4.5 41.3 5.5 60 34.2 5.0 42.0 5.0

表2-2 5 組不同含量比的砂-黏土混合試體(Vallejo，2000)

圖 2-6 併構岩體積含量比與有效摩擦角關係圖(Medley，2001)

圖 2-7 不同取樣面積岩塊粒徑對取樣面積平方根正規化後出現 機率分佈圖(Medley，2002)

圖 2-8 試體強度受到尺寸效應影響結果圖(Marsal，1969)

圖 2-9 最大粒徑與內摩擦角關係(Marachi，1972)

圖2-10 岩塊與基質在不同含量下之排列 (Montrasio，1998)

圖2-11 多個立方體元素所構成單一個試體示意圖(Montrasio，1998)

圖 2-12 應變門檻值 εmax與岩塊含量p 之關係圖(Montrasio，1998)

圖2-13 單剪試驗尖峰剪力強度與含量比關係圖 (Vallejo&Mawby，2000)

圖2-14 不同圍壓中孔隙率與含量比曲線 (Vallejo，2000)

圖2-15 含量比變化下砂與黏土顆粒排列情形 (Vallejo，2000)

圖2-16 乾淨砂受黏土填於孔隙中之理論模型(Vallejo，2000)

圖2-17 破壞強度與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2002)

圖2-18 楊氏模數與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2002)

圖2-19 凝聚力與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2002)

圖2-20 內摩擦角與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2002)