第四章 節理設置及參數探討
4.2 虛擬直剪試驗模擬
4.2.1 虛擬直剪試驗設計
(式 4-3) ：膨脹角（dilation angle）
由此推論正向力 及剪向力 之力量變化，係受到 cross-section 與 joint 之間相對位移變化的影響，與顆粒大小無關，因此在模擬塊 體抽離時可不考慮顆粒大小的影響。而為證明此推論為真，本研究建 立虛擬直剪試驗進行模擬。
4.2 虛擬直剪試驗模擬
前節經由 smooth joint 的計算邏輯推論出正向力與剪應力的大小 並不會隨著節理面上顆粒大小的不同而有所改變，為印證此推論，本 研究設計了一組虛擬直剪試驗做檢核
4.2.1 虛擬直剪試驗設計 步驟 1. 顆粒集合體建立
本 試 體 採 最 密 堆 積 ， 建 立 顆 粒 半 徑為 0.01m、 上 層 顆 粒 數 20 10 2，下層顆粒數 30 10 2 之試體 A(如圖 4-2)。同時為避免在 直剪試驗之後期，試體產生較大位移時，上層塊體的尾端會有往下掉 之情形發生，所以將下層 x 方向之長度加長，使上層塊體能做較大尺 度之位移變化。
55
圖 4-2 試體 A (a)俯視圖(b)側視圖
步驟 2. 建立直剪盒
本研究利用 PFC3D指令 wall 在試體周圍做成類似於直剪盒的罩 子(如圖 4-3)，並在往後試驗中藉由移動上層牆面，對塊體施力，使 塊體產生位移。當上層塊體產生位移後，同時量測節理面上所產生的 剪力阻抗，繼而繪製應力應變曲線圖。且為避免上層牆面在推的過程 中會碰到下層之顆粒，導致應力量測產生誤差，本研究在上下牆面之 間留有適當空隙。
56
圖 4-3 直剪試驗中的直剪盒(a)俯視圖(b)側視圖
步驟 3. 建立節理面
利用 smooth joint，建立一組摩擦係數 0.5 之節理面，圖 4-4 中紅 色部分即為試體的節理面
步驟 4. 將顆粒 clump 形成塊體
利用 PFC3D中指令 clump，分別將上層顆粒及下層顆粒膠結在一 起形成塊體，如圖 4-4 所示，上層與下層塊體分別表示為綠色及藍色
57
圖 4-4 直剪試體 A 準備完成圖(a)俯視圖(b)側視圖
至此試體已準備完成，下一步即進行直剪試驗，首先往下施加一 固定大小之正向力於上層塊體之質心上，此正向力會間接作用於節理 面上。接著將上層牆面緩慢的向 x 之正方向移動，在移動的過程中牆 面會與上層塊體產生接觸，並給予塊體 x 正方向之作用力，使塊體產 生位移，當塊體產生位移的同時節理面上之摩擦係數也會發生作用，
產生與塊體運動方向相反之摩擦阻抗，此摩擦阻抗作用在試體上並反 應於直剪盒上層的左牆面上，而藉由紀錄左牆面所承受之力量大小即 可得知塊體所受到的剪力阻抗，且位移量為已知，即可繪出塊體所承 受剪力阻抗與位移量之間的關係圖。再分別施加不同大小之正向力於 節理面上，求出在不同正向力作用下塊體所承受之最大剪力阻抗，繼 而繪出正向力與剪力阻抗的關係圖。
58
為證明在 smooth joint 上，剪力阻抗的大小並不會隨顆粒大小改 變而有所不同，依同一步驟流程，建立顆粒半徑為 0.005m、上層顆 粒數 40 20 8，下層顆粒數 50 20 4 之試體 B，如圖 4-5 所示，並 進行直剪試驗模擬，試驗結果於下節討論。
圖 4-5 直剪試體 B 準備完成圖(a)俯視圖(b)側視圖