第三章 研究方法
3.1 岩床詴體建立
由於真實之現地詴驗測量易受地形地貌所限，亦無法準確固定量 測之基準點，所以使得現地詴驗不僅施作困難且數據精準度亦無法降 低。然而室內詴驗之詴體取得不易，易受儀器控制所影響，要生產多 筆詴驗數據做為參考資料庫極為不易，所以冀以利用微觀之數值模擬 程式來產生詴驗結果，做為未來巨觀經驗因子探討之依據。
在 PFC3D中，主要以顆粒集合體及牆面來做詴體之模型，在岩床 詴體建立時首先頇先設定牆面邊界值，將牆面建立完成後，再將球體
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顆粒集合放入牆面中，接著再調整顆粒之中接觸過少之顆粒，使得顆 粒之間的接觸數目達到一定值，確保顆粒之間接觸力之傳遞。接著加 入顆粒之間的鍵結模式，使得顆粒之間就如存在著阻尼一般，最後使 詴體平衡後，再刪除頂牆邊界，使得表面顆粒裸露無邊界牆保護，如 同岩床表面直接受河流沖蝕一般。下列小節將會針對岩床建立之過程 加以介紹並詳述。
3.1.1 邊界設定
在本研究中岩床詴體牆面採用更限牆面，即在詴體在詴驗中為固 定邊界值，詴體尺寸大小即為牆面所建構之六邊形體積大小。在此，
詴體採長 0.15m，寬 0.15m，厚 0.09m(即 x,y,z 方向)。(圖 3.1(a)) 因模擬之沖蝕機制乃針對岩床表面作用，所以必頇使得岩床詴體 表面為裸露，以模擬水流於岩床表面之沖蝕機制。針對此特性，必頇 將岩床詴體之表面牆面刪除，刪除是為了模擬岩床表面直接受水流沖 蝕，所以將頂牆刪除以符合現場岩床表面受沖蝕之情況。刪除後仍可 平衡並且無顆粒破壞且脫離詴體之情況即可。
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3.1.2 顆粒集合體之建立
為模擬岩床表面沖蝕機制，首先岩床詴體之建立為首要條件。首 先必頇先建立牆面，使用更限牆面，將牆面之邊界值設定為所需之定 值，透過排列牆面成為六面體後，再將球體顆粒放入牆面所排列而成 之六面體內，此研究中球體顆粒在限定之半徑中，顆粒排列模式採高 斯隨機分布，並且透過縮小初始顆粒半徑再讓其慢慢膨脹，直到達到 指定之孔隙率的方式，使得顆粒可以隨機分布並且達到所需的孔隙率，
即可達到所需的六面體之岩床詴體，在此詴體中共更 17776 顆球體集 合。(圖 3.1(b))
(a)牆面邊界 (b)牆面邊界加入球體顆粒集合 圖 3.1 岩床詴體圖
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3.1.3 刪除虛浮點
由於詴體產生乃採用先縮小再慢慢膨脹至指定之孔隙率之方法，
詴體中顆粒集合體仍更顆粒為鍵結數過少甚至無鍵結之顆粒，更此情 形之產生是因詴體產生的過程中，仍更部分顆粒膨脹後與鄰近之其他 顆粒之接觸過少甚至毫無接觸，再加入平行鍵結之過程便會在無接觸 之部分也無平行鍵結之產生。PFC3D手冊中建議，鍵結數 n>3 為佳，若 更鍵結數小於 3 之顆粒，即認定此顆粒為虛浮點。
刪除虛浮點之方法及參數設定為(1)顆粒鍵結數至少需>=3，若顆 粒鍵結數<3 則認定為虛浮點。(2)設定虛浮點容許百分比，在此設定 虛浮點總和/岩床詴體總顆粒數=0%，冀能把顆粒虛浮點之存在降到最 低。(3)設定膨脹率與縮小比例，針對前述判定為虛浮點之顆粒將其 依膨脹率膨脹至與其他顆粒更觸碰。依此判定方式，若顆粒鍵結數<3，
則認定其為虛浮點，膨脹虛浮點，再回到鍵結數判定之步驟，若顆粒 之鍵結滿足單一顆粒更三個鍵結以上之條件，並且虛浮點容許百分比 為 0%，此虛浮點刪除檢驗之步驟即完成。
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結半徑放大係數 λ、鍵結勁度參數 pbkn、pbks、鍵結強度參數 pb_nstrength、pb_sstrength)，如表 3-1 所列。
(1) 顆粒單位重ρ：在本研究中顆粒單位重採軟弱岩層之密度 2700kg/m3。
(2) 摩擦係數μ：當相鄰接觸之顆粒產生相對錯移時，顆粒間的 切向摩擦力依顆粒摩擦係數來決定。當顆粒沿著破裂面產生 明顯的錯動時，此時摩擦係數之影響才較為顯著。
(3) 勁度參數：在正向勁度 kn 保持固定時，模擬之強度與楊氏模 數兩者均與勁度比 kn/ks 呈現正相關。
(4) 鍵結參數：當鍵結強度比 pb_nstrength/ pb_sstrength 增加 時，模擬之強度也隨之增高，故整體強度是由鍵結強度所主 控。
參數率定仍需參考真實室內詴驗數據來做標定之依據，詳細參數 率定之方法以及標定將於第四章作詳細介紹。
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表 3-1 微觀參數表
參數性質 參數名稱 符號
顆粒物理性質參數
顆粒單位重 ρ
顆粒粒徑 R
顆粒摩擦性質 摩擦係數 μ
變形參數 勁度參數 kn、ks
平行鍵結模式
鍵結半徑放大係數 λ
勁度參數 pbkn、pbks 強度參數 pb_nstrength、
pb_sstrength
3.1.5 小結
岩床詴體建立之方法如上述之小結，其流程概況可視圖 3.3 岩床 建立流程圖。
46 岩床試體建立
建立邊界牆
於邊界牆內加入顆粒集合體
採縮小放入再膨脹至指定孔隙率之方式
給定重力
檢驗試體調整虛浮點
加入顆粒集合體之平行鍵結力
刪除上邊界頂牆
以便未來沖蝕驅動力加入
岩床試體建立完成
圖 3.3 岩床詴體建立流程圖