4.5 虛擬力學試驗規劃
4.5.3 虛擬試體規劃
由於三維虛擬試體進行三軸虛擬力學實驗，完成一組實驗模擬所花費之時間 需達兩天，故無法進行太多三維虛擬力學實驗，為補充模擬三軸試驗不足之資料 點，乃增加虛擬試體，僅討論三維岩塊體積比與二維岩塊體積比之差異，但不執 行虛擬力學實驗。討論岩塊體積比而言以岩塊體積比為 45%與 70%為主，再增加產 生兩組岩塊體積比分別為 30%與 55%之虛擬試體(如表 4- 5 所示)。將岩塊體積比 45%及 70%每一產生出之三維試體分別對 X-Y、Z-Y 及對 X 軸每隔 15∘剖切，剖面 目的在探討特定三維岩塊體積比之併構崩積土若有不同方位之二維露頭，可能估 計統計之岩塊體積比分佈範圍與其所對應估計之材料參數變化範圍，其剖切面(如
圖 4- 12、圖 4- 13、圖 4- 14、圖 4- 15 所示)。，統計所切剖面之岩塊體積 比三維與二維間之關係，在相同邊界條件下將二維剖面與三維模擬給予圍壓 200kPa 進行加壓模擬，將所得之結果探討其強度差異；再將不同岩塊體積比 (30%、45%、55%及 70%)之剖切面分成高中低三種情形，以三軸模擬形式在不同圍 壓下求得材料強度因子進而探討之間的相對關係。
圖 4- 12 岩塊體積比 30%三維虛擬試體於不同方位之剖面
圖 4- 13 岩塊體積比 45%三維虛擬試體於不同方位之剖面
圖 4- 14 岩塊體積比 55%三維虛擬試體於不同方位之剖面
圖 4- 15 岩塊體積比 70%三維虛擬試體於不同方位之剖面
探討其岩塊方向性之差異將虛擬試體岩塊傾角分別控制在 0∘、30°、45∘、
60°、90∘將岩塊體積比固定為 45% (如表 4- 5 所示) 比較相對之差異性。將傾 角介於 0∘、45∘、90∘時對每一產生出之三維試體分別對 X-Y、Z-Y 及對 X 軸每 隔 15∘剖切，剖面目的在探討特定三維岩塊體積比之併構崩積土若有不同方位之 二維露頭，可能估計統計之岩塊方向性分佈範圍與其所對應估計之材料參數變化 範圍，統計所切剖面之傾角於三維與二維間之關係，再將剖切之岩塊體積比分成 高、中、低三種情形，以三軸模擬形式求得材料強度因子進而探討之間的相對關 係。
表 4- 5 虛擬試驗規劃表
30%
45%
55%
70%
60° 90°
岩塊比 傾角
0° 30° 45°
輔助虛擬三軸力學試驗不足之資料點
完整一組虛擬三軸力學試驗（圍壓：200kPa、400kPa、800kPa）
4.6 材料參數對併構崩積土之 材料參數對併構崩積土之影響 材料參數對併構崩積土之 材料參數對併構崩積土之 影響 影響 影響
併構崩積土為基質與岩塊組成的複合材料，影響此類複合材料之力學行為的 因素頗為複雜，為簡化考量，僅就可能影響虛擬力學試驗之強度參數如 c、ψ等 變化範圍加以探討。基質強度參數受基質之土壤分類、飽和杜、與排水條件等所 影響，岩塊之強度參數則受母岩之岩性與岩石風化程度所影響。藉由虛擬力學試 驗之方法，改變組成併構崩積土基質與岩塊強度參數，再檢視其虛擬力學試驗結 果之差異，得以探討基質與岩塊力學參數對併構崩積土力學參數之影響。
第五 第五 第五
第五章 章 章 章 虛擬三軸試驗 虛擬三軸試驗 虛擬三軸試驗結果 虛擬三軸試驗 結果 結果 結果
5.1 介面性質之影響結果 介面性質之影響結果 介面性質之影響結果 介面性質之影響結果
本章所模擬之虛擬試體是沿用謝孟修(2007)模擬 Lindquist(1994) 所建構 之人造併構岩試體，虛擬試體中岩塊控制於某預設方向。本研究以模擬梨山地滑 (matrix)
介質
（interface）
凝聚力 c ( kPa ) 300 20 0.02
5.1.1 驗證虛擬試體介面性質之影響結果驗證虛擬試體介面性質之影響結果驗證虛擬試體介面性質之影響結果驗證虛擬試體介面性質之影響結果
圖 5- 2、圖 5- 3、圖 5- 4 乃虛擬力學試驗所得結果之整理，比較分別在 有、無加入介面材料情況下，岩塊體積比對併構崩積土試體極限軸差應力與 c、
ψ值的影響趨勢。是否加入介面材料對結果之影響頗為有限。為簡化網格佈置，
若忽略介面材料，對虛擬力學試驗結果之影響應相當有限。
由該等虛擬試驗結果之比較，可發現本節所模擬材料之岩塊體積比對併構崩 積土試體極限軸差應力及 c、ψ的影響趨勢結果相近，極限軸差應力隨著岩塊比 及圍壓的增加而上上攀升，c 值及ψ角皆隨著岩塊體積比的增加而增加，且斜率 也近乎相同，差異性很小。可佐證本研究之虛擬試體材料參數差距較大破壞時皆 為基質所控制，而非像 Lindquist(1994)人造併構岩試體之岩塊與基質之材料參 數非常相近，而破裂面沿著其弱面破壞。
圖 5- 1 模擬併構崩積土之虛擬試體範例
0
Rock block proportion
Ultimate Deviatoric Stress
200kPa with interface 400kPa with interface 800kPa with interface 200kPa w/o interface 400kPa w/o interface 800kPa w/o interface
圖 5- 2 有無介面材料下極限軸差應力影響趨勢比較
Rock block proportion
c(kPa)
with interface w/o interface 線性 (w/o interface) 線性 ( with interface)
圖 5- 3 有無介面材料下 c 值影響趨勢比較
Rock block proportion
φ(degree)
with interface w/o interface 線性 (with interface) 線性 (w/o interface)
圖 5- 4 有無介面材料下ψ值影響趨勢比較
5.1.2 結果與討論結果與討論結果與討論結果與討論
將表 5- 1 之材料參數代入併構崩積土虛擬試體，所得到的結果趨勢與謝孟 修(2007)模擬 Lindquist（1994）人造併構岩有些差異，討論如下。ψ角隨岩塊 比增加而遞增，此趨勢與 Lindquist（1994）所提出的解釋類似，隨著岩塊體積 比增加，岩塊間接觸增加所提供接觸面的摩擦性質亦影響了整體的摩擦性，使得 ψ角遞增。c 值也隨岩塊體積比增加而遞增，此一結果與 Lindquist（1994）結果 相異。相異的原因可解釋如下：由於 Lindquist（1994）之併構岩中岩塊與基質 材料之 c 與 E 值皆相當接近，故受壓時岩塊與基質的壓縮性相差不大（只相差二、
三倍），破壞易由岩塊與基質間之介面破壞，故隨岩塊體積比增加，破裂面延著介 面間延伸，使得整體的凝聚行為由介面性質所控制然而導致 c 值隨之遞減；但（如 梨山地滑區之）併構崩積層材料，其岩塊與基質材料中 c 與 E 值間一般皆有頗大 之差距，至少約為 10～1000 倍，故受壓時，壓縮性由基質所控制，隨岩塊體積比 增加時，岩塊間所夾之基質由於性質較軟其壓縮性大，整體性質由基質所控制，
因此破壞面皆延著基質破壞，岩塊間互鎖效應造成整體類似凝聚力提高的行為，
亦使得 c 值隨之提高。因為本模擬岩塊與基質間參數差距甚大，所以無論加入介 面材料與否，破壞面皆從基質所破壞，而非延著岩塊與基質間的介面破壞，所以 在有、無介面材料性質所得之最終結果差異性有限，故以下之虛擬力學試驗為簡 化網格佈置及縮短模擬時間，對試體基質與岩塊間之介面皆不加以考量。
5.2 網格 網格 網格密度 網格 密度 密度之 密度 之 之影響分析 之 影響分析 影響分析 影響分析
本節檢討網格密度之影響，其目的乃為避免網格密度影響虛擬力學試驗之結 果，也為避免網格過細使計算量過大。若能將網格之密度定於可接受之範圍，則 可縮短模擬時間，得到較大之分析效益。為此目的，本節將網格密度之影響以二 維方式進行分析探討。測試比較網格分成 50*100 與 100*200 兩種，而岩塊體積比 分為 30.7%、45%及 62.7%三種(如圖 5- 5 所示)，為避免過多變數影響其結果，
故傾角固定為 60°，岩塊形狀皆選擇四邊形，在其它影響因數皆不變下比較不同 網格密度之虛擬力學試驗結果。
圖 5- 5 不同網格密度及不同岩塊體積比下之網格圖
比較結果可發現網格密度對虛擬力學試驗結果之差異不大，圖 5- 6 圖 5- 8 為應力應變趨勢圖由圖中發現在不同岩塊體積比下其應力應變之影響趨勢於 50*100 與 100*200 網格情況幾乎完全相同，而圖 5- 9、圖 5- 10 及圖 5- 11 為 極限軸差應力、c 及ψ值隨岩塊體積比之變化，雖有些微差異但其十分有限，都 在可接受之範圍之內。故本研究在以二維模擬時其網格之設定皆以 50*100 為準進 行模擬，模擬速度會比網格為 100*200 時快 2-3 倍，而時間也會相對縮短。但網 格較粗時其缺點為岩塊在鑲嵌時會因網格較粗使其網格有扭曲變形之情形，若網 格較細時就不會有其問題，且若要鑲嵌各種特別形狀的岩塊也較容易不會因網格 扭曲而使形狀變形。本模擬之岩塊形狀較為單純（以四邊形模擬）故無其問題，
一般模擬時若能在其時間與岩塊形狀間兩者取其平衡，當可得較佳之效率。
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 0.5 1 1.5 2 2.5
Axial strain (%)
Deviatoric stress (MPa)
網格50*100-200kPa 網格100*200-200kPa 網格50*100-400kPa
網格100*200-400kPa 網格50*100-800kPa 網格100*200-800kPa
圖 5- 6 不同網格密度下，岩塊體積積比 30.7%時之應力應變曲線影響趨勢
0
Axial strain (%)
Deviatoric stress (MPa)
網格50*100-200kPa 網格100*200-200kPa 網格50*100-400kPa 網格100*200-400kPa 網格50*100-800kPa 網格100*200-800kPa
圖 5- 7 不同網格密度下，岩塊體積比 45%時之應力應變曲線影響趨勢
Axial strain (%)
Deviatoric stress (MPa)
網格50*100-200kPa 網格100*200-200kPa 網格50*100-400kPa 網格100*200-400kPa 網格50*100-800kPa 網格100*200-800kPa
圖 5- 8 不同網格密度下，岩塊體積比 62.7%時之應力應變曲線影響趨勢
0
Rock block proportion
Ultimate Deviatoric Stress (MPa)
網格 50*100-200kPa 網格 50*100-400kPa 網格 50*100-800kPa 網格 100*200-200kPa 網格 100*200-400kPa 網格 100*200-800kPa
圖 5- 9 不同網格密度下岩塊體積比與極限軸差應力影響趨勢
0.00% 10.00% 20.00% 30.00% 40.00% 50.00% 60.00% 70.00%
Rock block proportion
c (kPa)
Rock block proportion
ψ(degrees)
網格 50*100 網格 100*200
圖 5- 11 不同網格密度下岩塊體積比與ψ值影響趨勢
5.3 虛擬試體 虛擬試體 虛擬試體 3D 與 虛擬試體 與 與 2D 之差異 與 之差異 之差異 之差異
5.3.1 試體模擬結果試體模擬結果試體模擬結果試體模擬結果
為建構三維不同岩塊體積比之虛擬試體：由於體積比小於 30%時力學行為類 似純基質，而體積比大於 80%時則類似岩體之行為，所以考慮兩種介於其間之低、
高兩種不同岩塊體積比，分別以 45%及 70%為例，對每種岩塊體積比皆建構三顆虛 擬試體。
為建構模擬三維不同岩塊傾角之虛擬試體：考慮三種不同岩塊傾角分別為 0°、45°及 90°之試體，對每種岩塊傾角亦皆建構三顆虛擬試體。
執行三維虛擬力學試驗之應力分析所需花費的時間頗長，難以執行許多之三 維虛擬力學試驗，因此只能就具有代表性的有限個數虛擬試體執行三維虛擬力學 試驗。除了該批供做三維虛擬力學試驗之虛擬試體，其他每一建構出之三維虛擬 試體皆沿各種方位剖切為二維之虛擬試體以供模擬不同露頭面所呈現之併構崩積 土組構，進而用以執行二維虛擬力學試驗，再比較三維與二維間彼此之關係。以 大批二維虛擬力學試驗替代三維虛擬力學試驗能大幅減少所需花費之計算時間，
可令虛擬力學試驗更為有效率。
虛擬試體輸入之料參數如表 5- 2 所示，三維虛擬三軸試驗施予 200kPa 之圍
虛擬試體輸入之料參數如表 5- 2 所示，三維虛擬三軸試驗施予 200kPa 之圍