部分飽和土壤邊坡

由前人文獻可知，自然邊坡的淺層土壤中往往具有一定的吸力存在，

即使土壤強度較低，亦有可能因為吸力的效應而保持穩定。然而在降雨入 滲發生時，淺層土壤可能會因飽和度上升而失去吸力，進而發生滑動。本 章首先以一較極端的虛擬參數，假設邊坡表層的土壤強度極低(M 值相當 小)、初始吸力值極高，測試此組合律是否能夠模擬降雨入滲造成的淺層滑 動。邊坡模型的網格如圖 6.1 所示，各參數設定如表 6.1 所示。

圖 6.1 邊坡網格

表 6.1 邊坡模型之參數設定

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由特徵曲線求出S 所對應的吸力值。然而_i S 的設定值只存在於 UDM 副程式_i 中，FLAC 主程式仍以S 為元素的飽和度值，因此在飽和度的分布圖中不會_r 顯示出使用者設定的初始飽和度。

一般情況下，邊坡淺層所具有的初始飽和度隨著深度增加而遞增，因 此邊坡模型在接近地表處被分為四個區域，各區域的初始飽和度不同，設 定方式如圖 6.2 所示。其中最淺層的飽和度僅為 0.2，使得有效應力值比乾 燥的情況下多出 300 kPa 左右。

圖 6.2 邊坡模型之初始飽和度設定

此虛擬邊坡之坡角大約為 33.7^°，若忽略吸力的存在，以原始的 Cam-clay 模式進行模擬，則此邊坡將無法承受自重而發生破壞，其剪應變分布的情 況如圖 6.3 所示。

圖 6.3 忽略吸力時，邊坡的剪應變分布圖

若使用本研究建立之 UDM 副程式進行模擬，並依照圖 6.2 的方式設定 初始飽和度，則邊坡可維持平衡。

為了考慮地下水的存在，在邊坡以自重達到平衡後，先關閉 FLAC 的 力學運算模式，開啟地下水模式，並在邊界施加水壓使地下水流入邊坡內 部，以模擬常時地下水位。此時飽和度的分布圖如圖 6.4 所示。

圖 6.4 邊坡在一般情況下的飽和度分布圖

當地下水流入邊坡後，有效應力將發生改變，此時將力學模式與地下 水模式同時開啟，以耦合分析的方式使邊坡達到力平衡。平衡後的剪應變 分布如圖 6.5。

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圖 6.5 淺層存在吸力時，邊坡的剪應變分布

圖 6.5 顯示出虛擬邊坡在考慮吸力的情況下並未發生破壞。剪應變最大 的區域在於邊坡深層，最大值約為 5%。

為模擬雨水入滲的現象，於地表面施加一固定流量10⁻⁷ m³/s，使水分 下滲至邊坡內部，並以耦合分析的方式觀察邊坡變化的過程。圖 6.6 至圖 6.17 分別代表雨水入滲至不同深度時的飽和度與剪應變分布情形。

圖 6.6 雨水入滲至 1 m 深時的飽和度分布

圖 6.7 雨水入滲至 1 m 深時的剪應變速率分布

圖 6.8 雨水入滲至 1 m 深時的累積剪應變分布

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圖 6.9 雨水入滲至 2 m 深時的飽和度分布

圖 6.10 雨水入滲至 2 m 深時的剪應變速率分布

圖 6.11 雨水入滲至 2 m 深時的累積剪應變分布

圖 6.12 雨水入滲至 3 m 深時的飽和度分布

圖 6.13 雨水入滲至 3 m 深時的剪應變速率分布

圖 6.14 雨水入滲至 3 m 深時的累積剪應變分布

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圖 6.15 雨水入滲至 4 m 深時的飽和度分布

圖 6.16 雨水入滲至 4 m 深時的剪應變速率分布

圖 6.17 雨水入滲至 4 m 深時的累積剪應變分布

由剪應變隨入滲深度的變化可知，當水分入滲時，土壤將以逐層的方 式失去剪力強度，並逐漸發展為一個較平行於坡面的破壞面。自然界中，

土壤邊坡因為喪失吸力而發生的破壞面通常位於淺層，且大致平行於坡 面，由此應用例可以展示本研究所提出之模式配合數值分析後，確可合理 模擬下雨入滲前原本因吸力存在而穩定之部分飽和土壤邊坡，因雨水入滲 導致滑動漸進發展的過程。