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梨山崩積層內軟弱材料之力學行為

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Academic year: 2021

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全文

(1)

國立交通大學

土木工程學系碩士班

碩士論文

梨山崩積層內軟弱材料之力學行為

Mechanical Behavior of the Weak Material in Li-shan

Colluvial Deposits

研 究 生:劉盛華

指導教授:廖志中 博士

中華民國九十六年十一月

(2)

梨山崩積層內軟弱材料之力學行為

Mechanical Behavior of the Weak Material in Li-shan Colluvial

Deposits

研究生:劉盛華

Student: Sheng-Hua Liou

指導教授:廖志中 博士

Advisor: Dr. Jyh-Jong Liao

國立交通大學

土木工程學系碩士班

碩士論文

A Thesis

Submitted to Department of Civil Engineering

College of Engineering

National Chiao Tung University

In Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of

Master

in

Civil Engineering

July 2007

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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梨山崩積層內軟弱材料之力學行為

學生:劉盛華

指導教授:廖志中 博士

國立交通大學土木工程學系碩士班

中文摘要 梨山崩積層為大規模岩坡破壞所形成,材料組成為破碎板岩及其風化 後產物,由於受到形成年代、形成方式以及一次或多次的相對滑動作用與 風化作用等影響,造成材料岩心提取率低、材料性質難以界定。 夲研究針對梨山崩積體 B-9 滑動體之滑動面材料,灰色黏土夾灰色板 岩碎屑,進行一系列的一般物理性質、粒徑分析分析、與三軸壓密不排水 試驗,同時觀察試體表面與端面顆粒分佈狀況,藉以得到顆粒形狀、含量 與排列方式對於滑動面材料行為的影響。研究結果顯示,滑動面材料之岩 塊含量低於10%,主要為基質土壤所構成,岩塊最大粒徑 2cm 左右或更小, 岩塊形狀主要有次圓粒狀、圓粒狀、片狀或次稜角狀三種顆粒形狀。滑動 面形成原因係由山坡潛移作用形成剪力面滑動造成,因此岩塊排列具有方 向性;當岩塊含量低於10%時,不影響材料強度,基質材料為主要影響灰 色黏土夾灰色板岩碎屑力學行為的因素,但其岩塊排列方式會影響試體破 壞模式。 關鍵字:崩積層、岩塊含量、基質土壤、三軸壓密不排水試驗。

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ii

Mechanical behavior of the Weak Mateiral in

Li-shan Colluvial Deposits

Student:

Sheng-Hua Liou

Advisor:Dr.Jyh Jong Liao Institute of Civil Engineering

National Chiao Tung University

Abstract

Large-scale of the rock slope failure formed the Li-Shan colluvial deposits. The deposits are composed of fractured slate and its weathered soils. Due to the weathering, erosion, and frequently sliding, the nature of the deposits is heterogeneious. Hence, the mechanical behavior and mechanical properties of colluviual deposits are difficult to be determined because of difficult sampling.

The study aims to investigate the mechanical bechanical of the weakest material of the deposits, grey clay with slate detritus. A series of physical property tests and consolidated undrained triaxial tests was performed on the specimens prepared from high quality drilling cores. Based on the experimental results, the influence of slate block content and distribution on the triaxial strength, stress-strain cure, and failure mode is dicussed.

According to test results, the rock content of the specimens includes 10% less of slate block and 80 % more of matrix soil (grey clay); three types of the shape of slate block were observed including subround, round, and sheet or subangular. Some of the specimens exhibit the long axis of the slate block parallel to the ends of the core, which reflects the fact that the layer of the deposit (grey clay with slate deteritus) are formed by slope shear failure. Due to

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the content of slate deteritus less than 10 %, the triaxial strength is not influenced by the content of slate deteritus, but depends on the magnitude of confining pressure. However, the stress-strain cure and failure more are dependent of the distribution of slate deteritus in the specimens.

Key Word : Colluvial Deposits , Mechanical Behavior, Block content, Slate Deteritus, Matrix,Consolidated Undrained Triaxial Test.

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iv

誌謝

承蒙指導教授 廖志中博士三年來的悉心指導與耐心教悔,使得本論文 順利完成。時光匆匆,轉眼已達論文完成之際,記得剛進研究所老師說的 一席話:「試驗前的準備工作是最繁雜,需要細心跟耐心。」令我印象深 刻,銘記在心,除了學習課本上的知識外,研究的生活也讓我體會到做任 何事情都必須抱持著耐心與熱誠,困難的事情終有解決之道,這些觀念與 啟發令我終生受用不盡。感謝潘以文教授在試驗過程與論文上給予的建議 與指導,以及感謝柳志錫博士與古志生教授在口試期間對與論文的建議與 指教。另外感謝南亞技術學院的何明雄博士,給予我在修復儀器軟硬體時 的建議與指導,並且提供我技術上的支援。 感謝楊明宗學長、張振成學長、鍾志中學長給予我課業與生活上的指 導與建議;謝謝同門師兄弟玉麟與政良,同窗好友仁弘、聖傑在研究生活 中的陪伴;謝謝大地組學弟們的支援,尤其是羅文驤學弟,任勞任怨的幫 我做實驗,感謝你們。另外感謝帶我進入實驗室,讓我融入實驗生活的林 智慧學姐,感謝您教會我許多實驗的方法與技巧。 感謝生我育我的父母親,以及伴我ㄧ起長大的弟弟,謝謝你們義無反 顧的支持我並帶給我精神上的鼓勵。最後將本論文獻給在天國的外婆,因 為有您的陪伴,我才可以順順利利過完人生的每個階段。

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目錄

誌謝... iv 目錄... v 圖目錄...viii 表目錄... xiv 第一章 緒論... 1 1-1 研究動機... 1 1-2 研究目的... 3 1-3 研究方法與流程 ... 3 第二章 文獻回顧... 5 2-1 梨山地層基本資料概述 ... 5 2-2 崩積層定義、形成原因與材料分類 ... 13 2-2-1 崩積層定義與形成原因 ... 13 2-2-2 崩積層材料分類 ... 18 2-3 崩積層材料力學相關文獻收集 ... 28 2-4 影響力學試驗結果的因子 ... 51 2-5 土、岩混合材料之力學特性 ... 53 2-6 強度準則與材料破壞行為 ... 66

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vi 2-6-1 土壤的破壞行為 ... 66 2-6-2 Mohr-Coulomb 剪力強度破壞準則... 69 第三章 研究方法、試驗規劃與試驗儀器... 74 3-1 試驗材料來源... 74 3-1-1 取樣位置與方法 ... 74 3-2 試驗規劃... 82 3-2-1 試驗材料選擇 ... 82 3-2-2 試驗數量及試驗方式 ... 85 3-2-3 試驗流程 ... 87 3-2-4 試驗準備 ... 89 3-3 試體儀器... 93 3-4 試驗步驟與規範 ... 102 3-4-1 三軸壓密不排水試驗步驟 ... 102 3-4-2 基本物性試驗 ... 103 第四章 試驗結果與分析... 105 4-1 一般物理性質試驗結果 ... 105 4-2 三軸壓密不排水試驗結果 ... 118 4-2-1 三軸壓密不排水試驗應力應變曲線... 120 4-2-2 三軸壓密不排水試驗孔隙水壓變化曲線... 129

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4-2-3 剪力波試驗結果 ... 133 4-2-4 三軸壓密不排水試驗剪力強度參數... 136 4-3 綜合討論... 137 4-3-1 顆粒分佈與破壞型態 ... 137 4-3-2 顆粒分佈與材料強度關係 ... 144 4-3-3 室內與現地剪力波速比較 ... 149 4-3-4 試驗結果與過去研究比較 ... 152 第五章 結論與建議... 154 5-1 結論... 154 5-2 建議... 156 參考文獻... 159 附錄 A ... 163 附錄B ... 170 附錄 C ... 172 附錄D ... 203 附錄E... 205

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viii

圖目錄

圖1-1 研究流程... 4 圖2-1 梨山交通位置圖(工業技術研究院能源與資源研究所,1993) ... 6 圖2-2 梨山地區區域地質圖(劉岫雲,2003) ... 8 圖2-3 梨山地滑分區與滑動體位置圖(摘自劉岫雲,2003)... 12 圖2-4 崩積層的位移破壞形態分類圖(董家均與楊賢德,2001)... 14 圖2-5 B-9 滑動體位置圖 (黃玉麟,2006)... 16 圖2-6 B-9 滑動體上 B-B’剖面地層與劈理位態圖(黃玉麟,2006)………17 圖2-7 典型梨山地區崩積層剖面... 20 圖2-8 梨山地區地層材料分類圖示(工業技術研究院能源與資源研究所, 1993)... 21 圖2-9 岩心分類流程圖(黃玉麟,2006) ... 22 圖2-10 賴忠良(2006)崩積層材料分類 ... 23 圖2-11 鑽探孔X1、X2 及 X3 地理位置示意圖(改自羅文驤,2007) ... 25 圖2-12 岩心分類流程圖(唐禎國,2007) ... 26 圖2-13 材料力學行為分類流程圖(唐禎國,2007) ... 27 圖2-14 現地級配曲線(方世杰,1990) ... 32 圖2-15 SW1、SW2、SW3塊狀取樣試體之粒徑分佈曲線(方世杰,1990) 33 圖2-16 SW4、SW5、SW6塊狀取樣試體之粒徑分佈曲線(方世杰,1990) 33

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圖2-17 SW7、C1、C2塊狀取樣試體之粒徑分佈曲線(方世杰,1990) ... 34 圖2-18 大型直接剪力試驗結果(SD3)(方世杰,1990) ... 34 圖2-19 大型直接剪力試驗結果(SW4)(方世杰,1990) ... 35 圖2-20 大型直接剪力試驗結果(SW5)(方世杰,1990) ... 35 圖2-21BH1 沉泥質粘土單壓強度試驗應力應變曲線(方世杰,1990) ... 36 圖2-22BH2 沉泥質粘土單壓強度試驗應力應變曲線(方世杰,1990) ... 36 圖2-23 小型直接剪力試驗結果(方世杰,1990) ... 37 圖2-24 三軸壓縮試驗剪應力、正向力關係曲線(方世杰,1990)... 37 圖2-25 三軸壓縮試驗應力應變曲線與孔隙水壓變化曲線(方世杰,1990) 38 圖2-26 單向度壓密試驗結果(一)(方世杰,1990)... 38 圖2-27 單向度壓密試驗結果(二)(方世杰,1990)... 39 圖2-28 崩積土細料含量(F)與凝聚力(C)之關係(劉啟鋒,1990) ... 42 圖2-29 崩積土細料含量與內摩擦角之關係(劉啟鋒,1990)... 42 圖2-30 超音波速與腐朽指數關係(乾燥試體)(楊東賢,1990) ... 44 圖2-31 超音波速與腐朽指數關係(浸水試體)(楊東賢,1990) ... 44 圖2-32 風化循環次數與單壓強度關係(楊東賢,1990) ... 45 圖2-33 小型三軸試驗結果(總應力) ... 46 圖2-34 小型三軸試驗結果(有效應力) ... 46 圖2-35 沉泥質粘土單向壓密度曲線(BH3)... 47

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x 圖2-36 沉泥質粘土單向壓密度曲線(BH4)... 47 圖2-37ISRM 土壤與岩石材料依強度分級(JOHNSTON,1993) ... 51 圖 2-38 不同取樣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)... 54 圖2-39 試體強度受到尺寸效應影響結果圖(MARSAL,1969) ... 55 圖2-40 最大粒徑與內摩擦角關係(MARACHI ,1972)... 56 圖2-41 岩塊與基質在不同含量下之排列 (MONTRASIO ,1998) ... 57 圖2-42 多個立方體元素所構成單一個試體示意圖(MONTRASIO,1998) .... 58 圖2-43 應變門檻值ΕMAX與岩塊含量P之關係圖 (MONTRASIO ,1998)... 59 圖2-44 單剪試驗尖峰剪力強度與含量比關係圖(VALLEJO與MAWBY, 2000) ... 61 圖 2-45 併構岩體積含量比與有效摩擦角關係圖... 62 圖 2-46 破壞強度與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑,2003) ... 64 圖 2-47 楊氏模數與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑,2003) ... 64 圖 2-48 凝聚力與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑,2003) ... 65 圖 2-49 內摩擦角與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑,2003) ... 65 圖2-50 正常壓密黏性土壤行為(摘自ATKINSON,1978) ... 68 圖2-51 過壓密黏性土壤行為(ATKINSON,1978)) ... 68 圖2-52 材料單元受力示意圖(COULOMB,1776)... 70

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圖2-54 正常壓密黏土破壞包絡線與修正破壞包絡線(摘自 DAS,2002)... 72 圖2-55 過壓密黏土之破壞包絡線與修正破壞包絡線(摘自 DAS,2002)... 73 圖3-1 鑽孔點位位置與地形等高線圖(黃玉麟,2006) ... 75 圖3-2 鑽孔點位之剖面圖(改編自富國) ... 76 圖3-3 鋼索式取岩心法裝置示意圖(CLAYTON, ET AL.,1995) ... 78 圖3-4 放置岩心之岩心箱 ... 79 圖3-5 鑽頭、鑽桿與內部取樣器... 79 圖3-6 鑽機與鑽探過程(孔號 N-1)... 80 圖3-7 鑽機與鑽探過程(孔號 N-2)... 80 圖3-8 保護岩心方式... 81 圖3-9N-2 孔滑動面材料照片(53~56 米,紅色虛線) ... 83 圖3-10N-2 孔滑動面材料照片(56~57 米,紅色虛線) ... 83 圖3-11 滑動層面位置示意圖(N-2 孔)(黃玉麟,2006) ... 84 圖3-12 三軸壓密不排水試驗流程圖... 87 圖3-13 板岩與基質土壤一般物理性質試驗流程圖... 88 圖3-14 灰色板岩夾黃色黏土(SY) ... 90 圖3-15 灰色板岩夾灰色黏土(SG) ... 90 圖3-16 灰色黏土夾灰色板岩碎屑(C) ... 90 圖3-17 灰色板岩(S) ... 90

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xii 圖3-18 單刃岩心切割機... 91 圖3-19 試體裁切示意圖... 91 圖3-20 裁切完成後試體狀況... 92 圖3-21 三軸KO試驗設備示意圖(洪若安,2006) ... 94 圖3-22 馬達驅動控制系統示意圖(洪若安,2006) ... 95 圖3-23 剪力波元件試驗系統示意圖(林智惠 2003) ... 99 圖3-24 壓電陶瓷晶片剪力波元件尺寸(林智惠 2003) ... 99 圖3-25 試體頂蓋剪力波元件(發射端)嵌入示意圖(林智惠 2003)... 100 圖3-26 試體底座剪力波元件(接收端)嵌入示意圖(林智惠 2003)... 100 圖4-1 岩塊(顆粒粒徑大於 4 號篩以上) ... 106 圖4-2 粗顆粒(顆粒粒徑在 4 號篩與 200 號篩之間) ... 106 圖4-3 細顆粒(顆粒粒徑在 200 號篩以下) ... 107 圖4-4 試體編號C-N202~205((有效應力 1KG/CM2)粒徑分佈曲線... 110 圖4-5 試體編號C-N201、206、207(有效應力 2KG/CM2)粒徑分佈曲線 . 111 圖4-6 試體編號C-N208~210(有效應力 3KG/CM2)粒徑分佈曲線 ... 112 圖4-7 灰色黏土夾灰色板岩碎屑(C)材料內代表性岩塊形狀 A、B、C(A為長 軸、B為短軸、H為厚度、D為直徑) ... 113 圖 4-8 岩心表面顆粒分佈狀況(第一種岩塊分佈類型) ... 115 圖4-9 岩心剖面顆粒分佈狀況(第一種岩塊分佈類型) ... 115

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圖4-10 岩心表面顆粒分佈狀況(第二種岩塊分佈類型)... 116 圖4-11 岩心剖面顆粒分佈狀況(第二種岩塊分佈類型) ... 116 圖4-12 岩塊分佈示意圖(圖 C1 為第一種岩塊分佈類型、圖 C2 為第二種岩 塊分佈類型)... 117 圖4-13 應力應變與孔隙水壓變化曲線(圍壓 3KG/CM2,反水壓2KG/CM2)123 圖4-14 應力應變與孔隙水壓變化曲線(圍壓 2KG/CM2,反水壓1KG/CM2)124 圖4-15 應力應變與孔隙水壓變化曲線(圍壓 4KG/CM2,反水壓3KG/CM2)125 圖4-16 應力應變與孔隙水壓變化曲線(圍壓 4KG/CM2,反水壓2 KG/CM2) ... 126 圖4-17 應力應變與孔隙水壓變化曲線(圍壓 5KG/CM2,反水壓 2 KG/CM2) 127 圖4-18 顆粒材料含量類似之應力應變曲線... 128 圖4-19 孔隙水壓變化曲線(圍壓 4KG/CM2,反水壓3KG/CM2) ... 130 圖4-20 孔隙水壓變化曲線(圍壓 4KG/CM2,反水壓2KG/CM2) ... 131 圖4-21 孔隙水壓變化曲線(圍壓 5KG/CM,反水壓3KG/CM2)... 132 圖4-22 剪力波試驗結果(C-N20356.17-56.35 有效側向壓力1KG/CM2) .... 135 圖4-23 剪力波試驗結果(C-N20955.25-55.45 有效側向壓力3KG/CM2)135 圖4-24 三軸壓密不排水試驗P’Q’圖 ... 136 圖4-25 試體C-N201、C-N202、C-N203 岩塊排列狀況與試體破壞情形 140 圖4-26 試體C-N204、C-N205、C-N206 岩塊排列狀況與試體破壞情形 141 圖4-27 試體C-N207、C-N208、C-N209 岩塊排列狀況與試體破壞情形 142

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xiv 圖4-28 試體C-N210 岩塊排列狀況與試體破壞情形... 143 圖4-29 岩塊含量與軸差應力關係... 146 圖4-30 F與軸差應力關係(F為粗顆粒與細顆粒比例)... 147 圖4-31 岩塊分佈與軸差應力關係圖(羅文驤,2007) ... 148 圖4-32 現地 P-S 波波速資料與岩心判釋比對結果(黃玉麟,2006)... 150 圖4-33 孔N-1 深度26~27M岩心照片... 151 圖4-34C-N203 與 C-N209 試體照片... 151 圖A-1N-1 孔 0~20M地質鑽探柱狀圖... 164 圖A-2N-1 孔 20~40M地質鑽探柱狀圖... 165 圖A-3N-2 孔 0~20M地質鑽探柱狀圖... 166 圖A-4N-2 孔 20~40M地質鑽探柱狀圖... 167 圖A-5N-2 孔 40~60M地質鑽探柱狀圖... 168 圖A-6N-2 孔 60~80M地質鑽探柱狀圖... 169 圖C-1C-N201 併構岩應力應變曲線,孔隙水壓變化曲線... 173 圖C-2C-N201 PQ圖,小應變下應力行為... 174 圖C-3C-N201 併構岩粒徑分佈曲線與破壞示意圖... 175 圖C-4C-N202 併構岩應力應變曲線,孔隙水壓變化曲線... 176 圖C-5C-N202 PQ圖,小應變下應力行為... 177 圖C-6C-N202 併構岩粒徑分佈曲線與破壞示意圖... 178

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圖C-7C-N203 併構岩應力應變曲線,孔隙水壓變化曲線... 179 圖C-8C-N203 PQ圖,小應變下應力行為... 180 圖C-9C-N203 併構岩粒徑分佈曲線與破壞示意圖... 181 圖C-10C-N204 併構岩應力應變曲線,孔隙水壓變化曲線... 182 圖C-11C-N204 PQ圖,小應變下應力行為... 183 圖C-12C-N204 併構岩粒徑分佈曲線與破壞示意圖... 184 圖C-13C-N205 併構岩應力應變曲線,孔隙水壓變化曲線... 185 圖C-14C-N205 PQ圖,小應變下應力行為... 186 圖C-15C-N205 併構岩粒徑分佈曲線與破壞示意圖... 187 圖C-16C-N206 併構岩應力應變曲線,孔隙水壓變化曲線... 188 圖C-17C-N206 PQ圖,小應變下應力行為... 189 圖C-18C-N206 併構岩粒徑分佈曲線與破壞示意圖... 190 圖C-19C-N207 併構岩應力應變曲線,孔隙水壓變化曲線... 191 圖C-20C-N207 PQ圖... 192 圖C-21C-N207 併構岩粒徑分佈曲線與破壞示意圖... 193 圖C-22C-N208 併構岩應力應變曲線,孔隙水壓變化曲線... 194 圖C-23C-N208 PQ圖,小應變下應力行為... 195 圖C-24C-N208 併構岩粒徑分佈曲線與破壞示意圖... 196 圖C-25C-N209 併構岩應力應變曲線,孔隙水壓變化曲線... 197

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xvi 圖C-26C-N209 PQ圖,小應變下應力行為... 198 圖C-27C-N209 併構岩粒徑分佈曲線與破壞示意圖... 199 圖C-28C-N210 併構岩應力應變曲線,孔隙水壓變化曲線... 200 圖C-29C-N210 PQ圖... 201 圖C-30C-N210 併構岩岩塊分佈與破壞示意圖... 202 圖E-1 BH-2(U-1)三軸試驗破壞包絡曲線與PQ圖... 206 圖E-2 BH-2(U-1)三軸試驗應力應變曲線與孔隙水壓化曲線... 207 圖E-3 BH-3(U-1)三軸試驗破壞包絡曲線與PQ圖... 208 圖E-4 BH-3(U-1)三軸試驗應力應變曲線與孔隙水壓化曲線... 209 圖E-5 BH-3(U-1-1)三軸試驗破壞包絡曲線與PQ圖... 210 圖E-6 BH-5(U-1)三軸試驗應力應變曲線與孔隙水壓化曲線... 211 圖E-7 BH-5(U-1)三軸試驗破壞包絡曲線與PQ圖... 212 圖E-8 BH-5(U-1-1)三軸試驗應力應變曲線與孔隙水壓化曲線 ... 213 圖E-9 BH-2(U-1)三軸試驗破壞包絡曲線與PQ圖... 214 圖E-10 BH-1 直接剪力試驗破壞包絡曲線... 215 圖E-11 BH-13 直接剪力試驗破壞包絡曲線... 216 圖E-12 BH-12 直接剪力試驗破壞包絡曲線... 217 圖E-13 BH-9 直接剪力試驗破壞包絡曲線... 218 圖E-14 BH-3 直接剪力試驗破壞包絡曲線... 219

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xiv

表目錄

表2-1 岩心分類對照表... 19 表2-2 岩心分類方法... 22 表2-3 崩積層材料分類組成與特性、力學模式與建議使用的破壞準則(賴忠 良,2006)... 24 表2-4 歷年來梨山地層組成材料力學相關研究成果... 29 表2-5 一般物理性質試驗結果(方世杰,1990) ... 31 表2-6 崩積土層粒徑分佈性質與工程分類(方世杰,1990)... 32 表2-7 崩積土與砂質黏土基本參數(劉啟鋒,1990) ... 41 表2-8 不同粒徑凝聚力與摩擦角大小(劉啟鋒,1990) ... 41 表2-9 砂質黏土強度參數(劉啟鋒,1990) ... 41 表2-10 四號篩以下重模直接剪力試驗結果(工業技術研究院能源與資源研 究所,1993)... 48 表2-11 三軸SCU 試驗結果(工業技術研究院能源與資源研究所,1993) .. 49 表2-12 卵礫石含量對粘土砂土強度參數的影響(HOLTZ與WILLARD,1961) ... 55 表2-13 5 組不同含量比的砂-黏土混合試體(VALLEJO,(2000)) ... 60 表3-1 鑽探與現地孔內試驗規劃表(黃玉麟,2006) ... 75 表3-2 板岩一般物理性質試驗與取樣位置... 85

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表3-3 土壤物性試驗規劃與取樣位置... 86 表3-4 三軸壓密不排水試驗規劃與取樣位置... 86 表3-5 量測系統規格表... 97 表4-1 板岩一般物理性質試驗結果... 107 表4-2 基質土壤一般物理性質試驗結果... 108 表4-3 岩塊、粗顆粒與細顆粒含量表... 109 表4-4 三軸壓密不水試驗試體基本物性(粒徑分佈曲線)資料表... 109 表4-5 三軸壓密不水試驗試體基本資料表... 119 表4-6 三軸壓密不水試驗試體基本物性資料表2... 120 表4-7 試體破壞應變與軸差強度... 122 表4-8 試體C-N203 與 C-N209 基本資料表... 134 表4-9 試體C-N203 與 C-N209 剪力波速資料表... 134 表4-10 試驗試體內岩塊、粗顆粒與細顆粒含量... 137 表4-11 顆粒含量、軸差強度與破壞應變關係表... 145 表4-12 室內剪力波速量測資料表(試體 C-N203 與 C-N209)... 150 表D-1 板岩一般物理性質結果... 204 表D-2 基質土壤一般物力性質試驗結果... 204

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第一章 緒論

1-1 研究動機

台灣島位處於環太平洋地震帶上,屬於亞熱帶氣候,具有複雜的地形與地質 環境以及多樣性的氣候變化,外在與內在的因素引發並加速各種物理與化學性的 作用力發生,造成地形外貌與地質結構變化劇烈,邊坡潛移或滑動屢見不顯。邊 坡破壞後,常於邊坡下方或崖錐處形成堆積物,此崩積材料與母岩之間形成不整 合面,由於受到形成年代、形成方式以及一次或多次的相對滑動作用與風化作用 等影響,此不整合面常為上覆崩積材料再次滑動的滑動面。 梨山地區應為大規模岩層滑動所形成的崩塌地,地質劃分屬中新世廬山層, 由黑灰色板岩所構成。民國六,七十年代開始,梨山地區常於雨量豐沛時期造成 地層滑動(張其敦,1984),多次路基塌陷流失(如中橫公路台八線 80K,82K 附近)、房屋龜裂(如梨山小舍)等重大災害,因為民眾的經濟與生命安全皆有 重大損失,進而引發相關單位與學者的研究整治。 早期研究結果(亞新工程顧問公司,1984、蔡光榮,1987、蘇苗彬,1990、劉 長齡,1991、工業技術研究院能源與資源研究所,1994)指出梨山崩塌地係由膠結 不良崩積層(山坡堆積物)與風化程度不一的板岩(風化擾動或破碎板岩層)覆 蓋在新鮮板岩之上所構成。一般認為主要滑動層面為粉土質黏土層,而崩積土淺 層不規則處或風化作用造成板岩破碎處皆有可能形成滑動層面,雨量豐沛的季節

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常造成地下水位的升高,大量的水流會使滲流壓力增加,迫使土體內孔隙水壓上 升,有效應力降低,土體顆粒飽和度上升而降低抗剪角,增加地層滑動的潛能。 本研究針對梨山崩積體B-9 滑動體下邊坡之滑動面材料,即灰色黏土夾灰色 板岩碎屑(黃玉麟,2006),之力學行為加以探討。由於區域地層材料破碎,岩心 提取率偏低,材料內顆粒組成類似混合土石材料或併傋岩材料,因此早期研究梨 山地層材料特性多以重模試體來進行室內試驗,重模過後的試體已經改變現地狀 況,且重模試體的方法會影響試驗結果。本研究利用高品質的鑽探取得完整的試 體,於實驗室進行一系列的三軸壓密不排水試驗,並由試驗結果探討滑動面材料 行為受顆粒組成、圍壓等等之影響。

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1-2 研究目的

本研究針對梨山崩積體 B-9 滑動體下邊坡之滑動面材料,即灰色黏土夾灰色 板岩碎屑(黃玉麟,2006),之力學行為加以探討。利用高品質的鑽探取得完整的 試體,於實驗室進行一系列的三軸壓密不排水試驗及一般物理性質試驗,並藉由 試驗結果來決定此併傋岩材料的基質土壤(粗、細顆粒)與板岩的一般物理性質、 三軸壓密不排水試驗的強度參數與應力應變行為,並探討岩塊(4 號篩以上顆粒) 與粗(4 號篩以下,200 號篩以上顆粒)、細(200 號篩以下顆粒)顆粒的比例與組成 對於此併傋岩材料力學性質的影響。

1-3 研究方法與流程

本研究首先收集梨山地區相關地層滑動文獻資料以及地層材料分類的方法, 並回顧國內外土石混合材料與併傋岩材料的相關力學資料。使用黃玉麟(2006)在 梨山B-9 滑動體 N-2 鑽探孔,深度在 53~57m 之間滑動層面材料,進行數組一般 物理性質試驗與三軸壓密不排水試驗。最後將室內試驗結果進行整理、分析與討 論。研究流程圖如圖1-1。

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第二章 文獻回顧

2-1 梨山地層基本資料概述

地理位置與交通狀況 梨山崩坍地位於台中市東北東方中央山脈中,行政區劃分為台中縣和平鄉梨 山村(圖 2-1),標高 1950 公尺,面積約 31300 公頃,與雪霸及太魯閣國家公園相 鄰,人口約2000 人,以種植溫帶水果與高冷蔬菜聞名。地理位置處在中橫公路西 段(台八線與台七甲線交會處),由梨山村向西行,途中經德基、谷關最後可達中 橫公路主幹線(台八線)西緣起點台中縣東勢鎮,長約 82 公里;沿台八線向東行過 大禹嶺後可達花蓮縣,長約 137 公里;沿中橫公路宜蘭支線(台七甲線)向東北行 經思源啞口可到達宜蘭縣,長約112 公里。921 大地震後,谷關、德基路段坍方, 造成交通中斷,目前可由埔里往霧社,經合歡山與大禹嶺至梨山村或由宜蘭經中 橫公路宜蘭支線(台七甲線)至梨山。本研究區域係位於梨山村原國民旅舍附近, B-9 滑動體(工業技術研究院能源與資源研究所,1993)之下邊坡上。

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7 地形與地質 梨山崩坍地地質劃分為中央山脈西側的雪山山脈板岩山塊(徐鐵良,1983), 平均高度在2000 公尺以上,北緣大甲溪,南側稜線為福壽山農場,地形走勢由南 向北下降至大甲溪河床,河谷兩岸坡度約30°~50°。大甲溪河谷上部接近山脊處, 存在侵蝕或沉積的遺跡,山腰上則分佈著起伏的大小丘陵地,形成標準的地滑地 形(黃玉麟,2006);根據地質調查結果,顯示此崩坍地形成是由於過去發生大規 模岩盤滑動所造成,唐禎國(2007)指出梨山賓館南側之馬蹄形陡坡(古滑落崖)下, 有一向北延伸出之平緩山脊(古滑動體),而呈凸狀台地型之地滑地形。 依照何春蓀(1986)之地質分類,梨山崩坍地位在中央山脈地質區之西側,屬 於第三紀輕度變質岩區,地層為中新世盧山層(圖 2-2),主要由黑色至深灰色板岩 (slate)、千枚岩(phyllite)、硬頁岩(argillite)及深灰色硬砂岩互層所組成。工業技術 研究院能源與資源研究所(1993)指出覆蓋於新鮮岩盤上之崩積滑動體材料,組成 為風化程度不一的板岩塊體與風化板岩碎屑,岩性單調,偶夾砂岩與石英岩,組 成顆粒粒徑不一,膠結性不佳,強度低,透水性高,地層走向約呈 N15°~45°E, 向東南傾斜 15°~35°,並發現在河谷處之層面及劈理的傾斜角度近乎垂直,但在 稜線或山坡上轉為平緩,認為此一現象可能是因岩性軟弱及河谷解壓,造成邊坡 頂部岩層潛移翻倒所致。富國技術工程公司(2001)進行排水廊道開挖之地質調 查,在崩積層底部量測岩層位態資料,經統計結果顯示劈理平均位態為

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N36°E/32°SE,並有三組高角度節理:(1)N32°W/86°SW ;(2)N29°E/83°SE; (3)N32°W/86°SW。 圖2-2 梨山地區區域地質圖(劉岫雲,2003) 氣候與水文 梨山崩坍地屬於大甲溪流域;大甲溪為台灣中部之主要河川,源頭位在思 源啞口附近之山峰,主要有兩條支流,形成西區集水區(梨山小築附近)與東南區 集水區(梨山賓館至榮民醫院附近),支流在地滑區中央偏北處匯合後,向北流入 大甲溪。中央氣象局梨山監測站在民國 85~91 年監測資料指出年平均氣溫 15.2℃,年平均降雨量 2,152mm,2~9 月之月平均雨量達 190mm 以上,其中 5 月、

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9 6 月為雨季,平均雨量高達 514mm,11 月至翌年 2 月為旱季,平均雨量只有平均 年雨量的20.2%。工業技術研究院能源與資源研究所(1993)在梨山地區地層滑動整 治報告中,地下水位監測資料顯示地下水位容易受到降雨量之影響而改變其水位 深度。 地滑狀況 民國七十九年四月,梨山地區因連日豪雨,造成省道台七甲線70K+150 處大 規模地層活動,長約60m路段遭到破壞,道路因而中斷,在崩塌區域上緣梨山賓 館、梨管所活動中心、國民旅舍、台灣汽車客運中心梨山站與省道台八線等處有 嚴重的道路或建築物下陷與龜裂現象,此次的災害同時也推動梨山地區崩坍地一 系列的相關研究。 據統計,梨山地區邊坡災害較易發生在五月至八月雨量豐沛時期(張其敦, 1984),邊坡滑動材料為崩積土。萬獻銘(1986)利用 x-ray 繞射分析崩積土礦 物成份,發現此土層的組成礦物為石英,伊萊石,綠泥石,交錯層黏土與澎潤石 等黏土礦物。 梨山崩塌地地層組成由中華顧問(1996)鑽探、室內試驗與現地調查結果,主 要可分為三層:崩積土、風化破碎板岩、新鮮岩盤。劉長齡(1991)研究中橫公 路岩坡地下水,指出中橫公路梨山以西岩層組成依序為,山坡堆積物、風化擾動 板岩層、風化破碎板岩層及新鮮岩盤。蘇苗彬(1990)、蔡光榮(1987)認為梨 山崩坍地地層材料為山坡堆積物、風化板岩層與新鮮岩盤所組成,而在山坡堆積

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物與風化板岩層或風化板岩層與新鮮岩盤之間夾雜黏土質粉土層。工業技術研究 院能源與資源研究所(1993)規劃梨山崩坍地區 28 個鑽探孔,經由岩心判釋後指 出,此區域之岩盤主要由板岩所構成,其上覆有較厚之崩積層,一般厚約2~10m, 部份地區厚達38m,由崩積土內部存在枯木,得知崩積土為過去邊坡滑動所造成 的堆積物,而岩盤受到地質作用的影響,地表下40m 處岩盤仍相當破碎,地下水 造成風化作用的產生,使得破碎岩盤內產生褐色黏土,因此推估此區域岩層由崩 積土、風化程度不一的板岩及新鮮板岩所構成。 由於地層內風化程度嚴重,材料結構破碎,加上地震、豪雨等影響,造成此 區域大小規模不一的地層滑動或潛移頻繁,地層內形成多個滑動塊體與滑動面。 亞新工程顧問公司(1984)在台八線 82k處邊坡調查結果指出地層滑動破壞面位 於崩積土層與新鮮岩盤間的軟弱粉土層,此層滑動速率隨著地下水位的升高而增 加。蔡光榮(1987)認為邊坡滑動潛勢最高處在崩積土層的淺層不規則處,在崩 積土層底部與風化破碎岩層或新鮮岩板岩層接觸位置,常形成透水層,容易加速 風化對岩層的作用。劉長齡(1991)、蘇苗彬(1990)、蔡光榮(1987)認為易 發生邊坡破壞的主要滑動層面為黏土質粉土夾層,此層夾於山坡堆積物與風化板 岩層之間或風化板岩層與新鮮岩盤之間,在雨季發達的季節,由於地下水位的升 高,也增加地層滑動的潛能,而地下水位的上升與下降也加速地層風化的可能。 此區域邊坡破壞受到水的因素影響頗深,林炳森(1991)指出中橫公路崩積 土材料在降雨或地下水升高時,大量的水流會使滲流壓力增加,迫使土體內孔隙

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11 水壓上升,有效應力降低,加上土體顆粒飽和度上升而降低抗剪角,使得邊坡破 壞容易發生滑動。 蘇苗彬(1990)指出滑動土體以崩積土層為主,此土體沿著崩積土層下方的 砂質黏土夾層滑動,其破壞的形式推估為類似平面滑動破壞。謝敬義(1984)認 為在德基至梨山路段的邊坡破壞應屬於深層圓弧滑動,地層滑動的破壞面在風化 破碎地層與岩盤之間。亞新工程顧問公司(1990)在中橫公路台七甲 73k+150 路 基災害修復工程報告指出,台汽客運梨山站西側與國民旅舍的滑動破壞,滑動面 深度達20 米至 42 米。 工業技術研究院能源與資源研究所(1993)利用早期的研究與滑動體監測報 告,並加入航照、線形構造、岩性構造、水系、崩塌地與地球物理探測等調查, 判釋後將梨山地區地滑現象區分成 A、B、C 三種等級的危險程度,並分為西地 滑區、東南地滑區與東北地滑區等三個區域的地滑分區(圖 2-3),西地滑區主要由 A-1~A-9 等九個滑動土體所組成,各個滑動體在平面上呈馬蹄或角形;東南地滑 區由 B-1~B-14 等十四個滑動土體所組成,主要滑動方向為北北東,約略與區域 性的地層走向平行;東北地滑區 C-1~C-10 等十個滑動體所組成,多位於逆向坡 而朝西北滑動,主要滑落崖多沿地層走向排列,在平面上呈馬蹄形或角形。

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2-2 崩積層定義、形成原因與材料分類

2-2-1 崩積層定義與形成原因

邊坡往往會因為地質、地形或自然等因素,造成破壞或滑動,而滑動規模與 頻率,依據邊坡本身條件與外在環境影響而有所不同,然而不論規模大小或滑動 頻繁的邊坡,都會在下邊坡或崖堆上形成堆積物,這些原本在邊坡上的岩石,經 過物理或化學等風化程序後,經由滾動、滑動或崩塌等重力作用向低處位移,形 成無一定形狀與大小的堆積物,這些堆積物可稱為崩積土。洪如江(1979)認為在 上游集水區或礦區上、下方常有崩積土堆積,在斷層帶上或附近的地質材料較為 破碎或軟弱,因此形成小規模的崩坍地或是崖錐堆積。 崩坍的種類也與母岩、形成年代與環境息息相關。李文勳(1971)與徐鐵良(1983) 定義崩積土依照距離母岩的遠近,可分為距離較近岩屑堆積或是距離較遠的崖錐 堆積。董家均與楊賢德(2001)將崩積層的位移破壞形態分為,岩塊堆積崩積層、 土石混合堆積崩積層與岩層滑動崩積層(圖 2-4)。

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15 黃玉麟(2006)分析梨山崩坍地 B-9 滑動體(圖 2-5)的地質狀況與排水廊道開挖 地質資料,配合B-9 滑動體下邊坡所鑽探取得岩心資料與孔內攝影及波速量測等 現地試驗結果,指出此滑動體邊坡向北傾斜,而劈理傾向東南(圖 2-6),認為梨山 崩坍地B-9 滑動體的主要邊坡破壞並非為順著層面或劈理面的順向坡滑動,推測 B-9 滑動體中上層滑動層是由於原有滑動面上再度形成沿軟弱層所造成,下層滑 動層滑動的破壞方式可能屬於大規模山坡潛移作用形成剪力面滑動所形成,破壞 誘因可能為地震、豪雨、或大甲溪下切河谷等因素。 黃玉麟(2006)推測 B-9 滑動體有兩個主要滑動層面,滑動面材料產生原因是 由於地下水位上下變動而形成上層滑動面的軟弱層材料;下層滑動面之軟弱層材 料為山坡潛移作用,岩層間相互剪動所造成;在新鮮岩盤介面亦有潛移作用的跡 象,但無明顯滑動,導致無軟弱層黏土介面的生成。

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2-2-2 崩積層材料分類

梨山崩坍地地層材料分類最早由工業技術研究院能源與資源研究所(1993)所 提出。黃玉麟(2006)、賴忠良(2006)在研究 B-9 滑動體的崩塌成因與數值模擬時, 考慮此區域地滑成因、地質條件等多種因素,並配合力學試驗與數值模擬結果, 提出以工業技術研究院能源與資源研究所(1993)為基礎的改良分類發法與流程。 唐禎國(2007)進一步以岩塊與基質材料的比例加以分類,同時歸納出分類材料的 方式與步驟。上述不同崩積材料分類法對照表如表2-1,並分別說明如下:

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19 表 2-1 岩心分類對照表 工業技術研究 院能源與資源 研究所(1993) 崩積土 強風化板岩 強至中風化 板岩 中至弱風化板 或弱風化板岩 新鮮板岩 黃玉麟分類 (2006) 灰色板 岩夾黃 色黏土 灰色板岩夾灰 色黏土或灰色 黏土夾板岩碎 屑 灰色板岩夾 灰色黏土 灰色板岩 新鮮板岩(無 黏土) 賴忠良分類 (2006) 無分類 灰色黏土夾灰 色板岩顆粒 破碎板岩岩 體 灰色板岩內含 有節理 (節理 厚度不可忽略) 灰色板岩內含 有節理 (節理 厚度可忽略) 唐禎國 分類(2007) 黃色黏 土夾灰 色板岩 (不分黏 土比例) 灰色黏土夾灰 色板岩(黏土 >70%)或灰色 黏土夾板岩碎 屑 灰色黏土夾 灰色板岩 (黏土 50~70%) 灰色板岩夾灰 色黏土(黏土 <50%) 新鮮板岩

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工業技術研究院能源與資源研究所(1993)針對梨山崩積地區進行大規模地質 鑽探調查,依據日本學者藤原明敏(1979)之地表地質分類準則進行岩心分類,將 梨山地區崩積層分為崩積土(Dt)、強風化板岩(W1)、中風化岩板岩(W2)、弱風化 板岩(W3)與新鮮岩盤(Rf)五類(分類準則如附錄 B 與圖 2-8),將梨山地區組成地層 分為五類,典型地層剖面與地層材料狀況如圖2-7,最上層由厚度不一的崩積土(Dt) 覆蓋,在其下方為風化岩層(依風化程度不同,又分為中風化層(W2)與弱風化層 (W3)),在崩積土與風化岩層中間或是風化岩層與新鮮岩盤介面夾強風化岩層(黏 土質粉土層(W1)),而在這些岩層下方為母岩,也就是新鮮岩盤(Rf)。 圖2-7 典型梨山地區崩積層剖面

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黃玉麟(2006)提出以地質材料、顆粒排列方式、弱面與裂隙、膠結充填物以 及風化程度五項指標,分類梨山地層之岩心 (如表 2-2),分類方法流程如圖 2-9。 表 2-2 岩心分類方法 類別 代碼 岩心描述 說明 第一類 SY 灰色板岩夾黃色黏土 板岩顆粒排列整齊為SY 板岩顆粒排列不整齊為SY' 第二類 SG 灰色板岩夾灰色黏土 板岩顆粒排列整齊為SG 板岩顆粒排列不整齊為SG' 第三類 S 灰色板岩 完整板岩塊為S 含節理面分佈則為SJ 第四類 C 灰色黏土夾灰色板岩碎屑 軟弱層 第五類 BF 回填土 圖2-9 岩心分類流程圖(黃玉麟,2006)

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23 賴忠良(2006)參考黃玉麟(2006)材料分類準則後,以材料力學行為模 式為觀點將崩積層材料分為四類(圖 2-10),第一類,灰色黏土夾灰色板岩顆 粒;第二類,破碎板岩岩體;第三類,灰色板岩內含有節理(節理厚度不可忽 略);第四類,灰色板岩內含有節理(節理厚度可忽略)。表 2-3 列出各類型崩 積層材料組成與特性、力學模式與建議使用的破壞準則。 圖 2-10 賴忠良(2006)崩積層材料分類

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24 表 2-3 崩積層材料分類組成與特性、力學模式與建議使用的破壞準則(賴忠良,2006) 崩積層材料 編號 材質 材料描述與力學行為 力學模式 破壞準則 (建議) 第一類 灰色黏土夾灰色板岩顆 粒 灰色黏土夾板岩顆粒、偶夾一些許石英顆粒,抗剪強度相當低。彈塑性力學模式 摩爾-庫倫彈塑性模 式 第二類 破碎板岩岩體 破碎的岩體材料,灰色板岩及灰色黏土所組成,內含極高密度節 理面,屬於強到中度風化性的板岩,板岩顆粒排列不規則性。輕 度至中度變質作用造成礦物重新排列形成劈理面,承受到大地應 力作用後,形成整齊破碎的狀態。 彈塑性力學模式 Hoek-Brown 準則 第三類 灰色板岩內含有節理 (節理厚度不可忽略) 具有較完整的板岩塊,力學行為受不連續面分布及不連續面間接 觸機制控制。內部只具有幾組的節理存在,而節理面,大部分夾 有灰色黏土。 彈-塑性體加上弱 面的特性 PANDE(1993)組構 性彈塑性力學模式 第四類 灰色板岩內含有節理 (節理厚度可忽略) 完整的板岩塊,力學行為主要受不連續面分布及不連續面間接觸 機制控制。內部只具有幾組的節理存在,節理面厚度薄到可以忽 略或不存在。 彈性體力學模式 屈服前 林建宏(1992)之異 向性等值岩體力學 彈性關係 屈 服後Hoek-Brown 或 摩爾-庫侖岩石破壞 準則

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25 唐禎國(2007)在梨山崩坍地滑動體 B-9、B-1、及 B-4 分規劃三個鑽探孔(X1、 X2 及 X3 孔,鑽孔位置如圖 2-11),地質鑽探結果依黃玉麟(2006)分類法為基礎, 加入岩塊與基質材料比例的觀點,提出對於B 滑動體內材料的分類方式,岩心分 類流程圖如圖2-12,也依力學行為亦將其分成五類如圖 2-13, 圖2-11 鑽探孔 X1、X2 及 X3 地理位置示意圖(改自羅文驤,2007)

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2-3 崩積層材料力學相關文獻收集

鑿於釐山崩坍地材料取樣不易,岩心提取率偏低,因此在材料力學行為研究 較為不易,過去此區域材料力學研究上主要有蘇苗彬(1990)、亞新顧問(1990)、林 炳森(1991)、蔡光榮(1987)、工業技術研究院能源與資源研究所(1993)等,表 2-4 為歷年來梨山地層組成材料力學相關研究成果。 大部分的研究皆是以邊坡穩定為考量,所求出的材料參數整理歸納出如表 2-4,地層材料主要包括崩坍的土層、風化岩層、滑動介面岩層與新鮮岩盤。各種 材料的膠結性不佳,劈理發達,並帶部分的節理,因此材料較為破碎、強度低。 由於不容易鑽取品質良好的岩心,因此部分研究試驗材料以重模試體為主,部分 的天然試體為明坑開挖所取得的崩積土塊與鑽探取得之岩心。

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29 表 2-4 歷年來梨山地層組成材料力學相關研究成果 蘇苗彬(1990) 亞新顧問(1990) 林炳森(1991) 蔡光榮(1987) 工業技術研究 院能源與資源 研究所(1993) 中華工程(1996) 資料來源 地層參數 地層種類 (t/mc 2) (°) Φ (t/mc 2) (°) Φ (t/mc 2) (°) Φ (t/mc 2) (°) Φ (t/mc 2) (°) Φ (t/mc 2) (°) Φ 崩積土 0 35 0 29.0-34.5 0.17-1.6 33.0-38.0 1.9 -3.9 33.5-35.0 0.1-2.2 15-45 0.04-1.97 27.1-27.5 強至中度風 化板岩 2.0-6.0 36-39 崩積土 強至中 度風化 板岩 0.5-1.1 28.7-30.9 滑 動 面 弱風化 至新鮮 板岩 2.1-3.8 9.0-16.0 1.3-2.9 18.2-18.5 1.8-4.0 25-45 0-2.0 20-23 0.3-1.8 28.5-31.3 備註 皆以重模試體為 主 皆以鑽探取樣所得 到之天然試體(NX) 崩積土材料為重模 試體 滑動 面材料為現地薄管 取得之天然試體 皆以重模試體 為主 皆以鑽探取樣所得到 之天然試體(NX)

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方世杰(1990)研究中橫公路崩積土坡地力學特性指出一般物理性質結 果(表 2-5):崩積土的濕密度為 1.94~2.14 g/cm3、比重 2.67~2.75、孔隙比 0.42~0.6、含水量 3.83~18.07%、液性指數為 NP 或 14%;灰色板岩碎屑的 濕密度為 2.17~2.42 g/cm3、比重 2.74~2.75、孔隙比 0.23~0.44、含水量 8.51~10.59%、液性指數為 NP 或 11%;沉泥質黏土的濕密度 2.29 g/cm3、比 重 2.82、孔隙比 0.42、含水量 15.15%、液性指數 7%,粒徑分佈結果如表 2-6、圖 2-14、15、16、17。在力學試驗方面結果:現地塊狀土體所進行大 型直接剪力試驗結果(圖 2-18、19、20),凝聚力在 0.017~0.25kg/cm2之間, 摩擦角在31.9°~38°之間;滑動面沉泥質黏土的土樣(薄管取樣,NX)進行單 壓試驗、直接剪力試驗與三軸試驗(三段式飽和壓密不排水)。單壓試驗結果 (圖 2-21、22),單壓強度分別為 1.14 kg/cm2與 0.92kg/cm2;直接剪力試驗結 果(圖 2-23)顯示凝聚力 0.13 kg/cm2,摩擦角 18.2°,推估為造成滑動的主因;, 而三軸試驗(三段式飽和壓密不排水)得到結果(圖 2-24、2-25)為凝聚力 0.29 kg/cm2,摩擦角 18.5°;單向壓密試驗結果(圖 2-26、27)指出崩積土壓縮指 數 0.15~0.16,再壓縮指數 0.014~0.018,預壓密壓力 0.3~0.5 kg/cm2,此預 壓密壓力推估為覆土層因滑動而造成解壓;而岩石的耐久性試驗結果,耐 蝕指標 98.86%,歸納為中高耐久性之岩石。他認為崩積土在現地含水量狀 況下膠結性不良,含水量增加對於崩積土內部之摩擦角有一定程度的影響。

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31 表2-5 一般物理性質試驗結果(方世杰,1990) 一般物理性質 材料 取得 方式 土層材料 濕密度 (g/cm^3) 比重 孔隙比 含水量 (%) 液性 限度 (%) 塑性 限度 (%) 液性 指數 (%) 明坑 開挖 崩積土 2.14 2.7 0.49 18.07 42 28 14 崩積土 2.02 2.75 0.42 3.83 NP NP NP 灰色板岩碎屑 2.17 2.75 0.44 10.59 NP NP NP 鑽探 bh-1 沉泥質黏土 2.29 2.82 0.42 15.15 25 18 7 崩積土 1.94 2.67 0.6 16.19 NP NP NP 鑽探 bh-2 灰色板岩碎屑 2.42 2.74 0.23 8.51 32 21 11

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表2-6 崩積土層粒徑分佈性質與工程分類(方世杰,1990)

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圖 2-15 SW1、SW2、SW3塊狀取樣試體之粒徑分佈曲線(方世杰,1990)

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圖2-17 SW7、C1、C2塊狀取樣試體之粒徑分佈曲線(方世杰,1990)

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35

圖 2-19 大型直接剪力試驗結果(SW4) (方世杰,1990)

(57)

圖2-21 BH1 沉泥質粘土單壓強度試驗應力應變曲線(方世杰,1990)

(58)

37

圖2-23 小型直接剪力試驗結果(方世杰,1990)

(59)

圖2-25 三軸壓縮試驗應力應變曲線與孔隙水壓變化曲線(方世杰,1990)

(60)

39 圖2-27 單向度壓密試驗結果(二) (方世杰,1990) 劉啟鋒(1990)研究中橫公路台七甲線 72K+500 處的邊坡穩定性,在監 測兩孔水位計(A-1 深度 20 米、A-2 深度 13 米)資料後發現地表下 5.85 米與 5.57 米處有一滑動面。其研究在埋設兩孔水位計旁各進行一立方公尺之明 坑開挖,取得崩積土密度分別為 1.99 g/cm3與 1.93 g/cm3 ,並在選擇 A-1 明坑開挖下方進行直徑1.1m 的試井開挖(深度 6.3m),並將試井開挖所得到 的現地土樣進行相關的材料特性試驗(開挖取得之材料土壤基本性質表 2-7),試井開挖後土壤分層為表土層(0.0m~0.6m)、灰黑色板岩礫石土 (0.6m~2.40m)、黃棕色黏土夾雜板岩塊與岩層(2.40m~4.20m)、破碎灰色板 岩層(4.20m~5.90m)、砂質黏土(5.90m~6.30m)。另外利用縮小現地顆粒級配 以製作重模試體再進行直接剪力試驗,試驗結果表 2-8、2-9。經由粒徑分

(61)

佈曲線得知明坑土樣顆粒分佈一致屬於良好級配土壤,而其板岩材料消散 耐久性試驗得到在第二次循環百分比平均為 94.87%,其抗風化能力不弱; 另外在直接剪力試驗結果得知,最大顆粒粒徑變大,細粒料含量減少時, 凝聚力有逐漸變小的趨勢,摩擦角則不確定,可能為試體大小尺寸影響所 致。圖2-28、2-29 可看出凝聚力(c)、摩擦角 Φ 與顆粒粒徑的關係,試體最 大顆粒粒徑增加,細粒料含量減少,凝聚力(c)有逐漸變小的趨勢;摩擦角 Φ 值隨著試體最大顆粒粒徑增加而上升,與細料含量之關係則較不明顯, 可能因試驗儀器不同及試體大小尺寸影響所致。

(62)

41 表2-7 崩積土與砂質黏土基本參數(劉啟鋒,1990) 阿太堡限度 土壤分類 試驗項目 土樣 含水量 (%) 比重(10 號篩 以下) 液限 塑限 AASHTO USCS A-1 明坑土樣 13.99 2.75 38 23 A-2-6 GC A-2 明坑土樣 12.04 2.76 40 23 A-2-6 GC 試井之砂質黏土 15.65 2.77 25 13 A-6 SC/CL 表2-8 不同粒徑凝聚力與摩擦角大小(劉啟鋒,1990) 最大粒徑 強度參數 2" 3/4" #4 #8 #16 #30 #50 #100 #200 凝聚力(kg/cm2) 0.03 0.35 0.38 0.49 0.65 0.66 0.66 0.68 0.67 摩擦角(°) 35.02 21.56 24.16 33.12 30.51 29.75 33.06 33.22 33.07 表2-9 砂質黏土強度參數(劉啟鋒,1990) 試驗方法 強度參數 不壓密不排水直剪 壓密不排水直剪 凝聚力(kg/cm2) 0.21 0.38 摩擦角(°) 9.15 15.67

(63)

圖2-28 崩積土細料含量(F)與凝聚力(c)之關係(劉啟鋒,1990)

(64)

43 楊東賢(1990)研究風化作用對中橫公路板岩強度之影響,試驗材料取自 宜蘭支線73k 之邊坡之鑽探岩心(NX 尺寸),鑽探結果地表向下組成為表土 與破碎板岩崩積層、沉泥質黏土層、新鮮岩盤;一般物理性質結果崩積層 含水量0.12%、密度 2.7 g/cm3、比重2.70、吸水率 0.32%,沉泥質黏土層含 水量0.26%、密度 2.67 g/cm3、比重 2.69、吸水率 0.57%,黏土礦物分析中 得到主要成份為雲母。 其研究嘗試模擬現地風化作用,並藉由量測超音波速來分析風化作用 對完整無弱面之新鮮板岩材料的影響。模擬方式為將試樣置於105℃之烘箱 24 小時後量測超音波速,在泡水一小時候再量測超音波速,用以推求試樣 之腐朽指數,在泡水24 小時並量測水中超音波速,此步驟為模擬現地風化 作用的一次循環。在模擬不同風化循環循環次數2、4、6、8、10、12、14) 試驗結果,發現風化循環次數愈高其超音波速愈低(圖 2-30、31),單壓強度 也愈低(圖 2-32)。

(65)

圖2-30 超音波速與腐朽指數關係(乾燥試體)(楊東賢,1990)

(66)

45 圖2-32 風化循環次數與單壓強度關係(楊東賢,1990) 黃信璋(1991)研究中橫公路沉泥質黏土層動態特性,以沉泥質黏土為研 究主要對象,將鑽探取得土樣,直接進行物性試驗、小型三軸試驗、直接 剪力試驗與單向度壓密試驗,結果指出材料含水量9.6%~14.5%,平均單位 重2.315 g/cm3,小型三軸試驗結果(圖 2-33、34),凝聚力(c) 0.183 kg/cm2、 摩擦角(Φ)14.4°、有效凝聚力(c’)0.163 kg/cm2、有效摩擦角(Φ)17.2°,為各層 強度最弱,因此判定沉泥質黏土為滑動層面主要構成材料;標準貫入值(N) 因孔位不同約在10~14 與 4~6,屬於軟弱至中等硬度之黏土;單向度壓密曲 線Cc=0.088~0.092、Cr=0.023~0.024,圖 2-35、36。

(67)

圖2-33 小型三軸試驗結果(總應力)

(68)

47

圖 2-35 沉泥質粘土單向壓密度曲線(BH3)

(69)

工業技術研究院能源資源研究所(1993)調查梨山地層滑動,對此處地層 材料做相關的室內試驗。直接剪力試驗試體採用四號篩以下之顆粒進行重 模進行五組試驗,結果如表 2-10;三軸試驗取自滑動面附近土樣,以自然 沉降的方式進行重模,結果如表 2-11。滑動面的土樣,主要是由黏土、粉 土或黏土質粉土所組成,三軸試驗結果顯示膠結性與抗剪角偏低,性質如 同土壤,剪力試驗的抗剪角則較三軸試驗結果高出很多,推估可能是重模 的夯實能量不同所導致。剪力試驗破壞包絡線與三軸試驗應力應變曲線, 孔隙水壓變化曲線、pq 圖與破壞包絡線結果曲線如附錄 E 之圖 E-1~15。 表2-10 四號篩以下重模直接剪力試驗結果(工業技術研究院能源與資源研 究所,1993) 孔號 深度 c' Φ 備註 BH-2 38.00-39.00 0.6 36 預壓 6(kg/cm 2) BH-3 18.00-19.50 0.2 39 預壓 3(kg/cm 2) BH-9 26.00-27.00 0.2 23 BH-12 47.00-49.00 0 23 BH-13 20.00-21.00 0.05 20 BH-1 19.00-20.00 0.3 38

(70)

49 表2-11 三軸 SCU 試驗結果(工業技術研究院能源與資源研究所,1993) 孔號 參數 BH-2 BH-3 BH-3 BH-5 BH-5 抗剪角 (deg) 10 19 14 19 13 凝聚力 (kg/cm2) 0.07 0 0.04 0 0 有效抗剪角 (deg) 20 34.52 15 45 28 有效凝聚力 (kg/cm2) 0.1 0.08 0.22 0.02 0.01 土樣分類 SC SP-SC SC SP-SM SM

(71)

由上述研究方法與結果可得知︰ 1. 梨山崩坍地滑動層材料,其岩心材料取得不易,因此在大部分實驗以重 模試體為主,然而重模試體的方法與天然試體明顯有差異,因此研究結 果其代表性需要加以討論。 2. 重模試體的方法,以縮小級現地配並以自然沉降法或乾夯法來製作試 體,不論是哪一種方法,可知滑動層材料內部組成顆粒大小不一致,過 去研究結果也得知,岩塊的最大粒徑會影響試驗的結果。 3. 部分試驗利用直接剪力試驗來得到滑動層材料參數,然而直剪試驗的試 驗環境會限制材料的軸向與側向的變形,且控制破壞面的位置,此種試 驗結果並不足以代表滑動層材料的材料參數。另外,三軸試驗的試驗組 數不足,對於材料形為代表性不足。 因此,夲研究認為必須以三軸壓密不排水試驗來討論滑動層材料的行 為,較具有代表性且較符合現地狀況。此外,岩塊與基質土壤含量,以及 岩塊分佈與排列方式對於滑動層材料的行為有較深的影響,因此收集影響 力學試驗結果因素之文獻、土石混合材料與併構岩材料等相關文獻,研究 最後利用試驗結果配合試驗材料表面岩塊分佈與試顆粒組成、含量等因素 加以探討。

(72)

51

2-4 影響力學試驗結果的因子

一般來說地層的組成,不外乎為土壤與岩石所構成,土壤又可區分為 砂性土壤、黏性土壤與卵礫石;岩石可以區分成火成岩、沉積岩與變質岩。 ISRM(1981)將凝聚性土壤與岩石材料依強度分為 13 個等級,其中單壓強度 在1MPa 以下為土壤,分級由 S1 至 S6,而單壓強度在 1MPa 以上為岩石, 分級由R0 至 R6,如圖 2-37 所示。 圖2-37 ISRM 土壤與岩石材料依強度分級(Johnston,1993) 影響剪力強度的因素,在砂土主要是受到孔隙比與剪脹性所影響,而 黏土則是以應力歷史來決定強度的強弱,正常壓密黏土強度要比過壓密黏 土強度低。Marachi(1972)指出卵礫石的強度受到試體內組成顆粒所影響, 試體內的顆粒粒徑會影響尖峰內摩擦角,粒徑愈大摩擦角愈小。Holtz(1961)

(73)

指出在相同的重模製作過程下,細粒料含量愈高,抗剪強度愈低,而當細 粒料為砂土成分居多時,其內部顆粒會產生互鎖效應。

Zeller(1957) 與 Wullimann(1957) 、 Kjaernsli(1963) 與 Sande(1963) 、 Orr(1981)研究材料含水量與飽和度對材料本身強度的影響,得到材料顆粒 在較濕潤的狀態下,會因為顆粒間受到潤滑作用,而使得材料抗剪應力減 少,因此乾燥試體的強度會比飽和試體高,在三軸狀態、相同圍壓下,內 摩擦角與凝聚力會隨含水量增加而減少。 吳偉康(1983)研究含水量對於夯實礫石土強度的影響,發現在固定圍壓 的狀況下破壞軸差應力會隨含水量升高而降低,內摩擦角隨飽和度增加而 下降,當細粒料含量較低時,飽和度自 70%增加時,凝聚力會隨著飽和度 增加而增加,再到達臨界值後就隨飽和度增加而降低。 其他會影響材料強度的因素還有孔隙率與顆粒形狀等,孔隙率愈小材 料強度愈大。Lee(1967)研究發現孔隙率或孔隙比的變化對於材料強度的改 變相當敏感。 在顆粒形狀方面,Holtz(1980)以礫石(最大粒徑 7.62cm)研究結果顯示, 顆粒形狀為角形的材料其強度比顆粒形狀為圓形的材料強度來的高,因為 顆粒形狀的不同會影響顆粒表面相互間的摩擦力,因而造成強度上的不同。

(74)

53

2-5 土、岩混合材料之力學特性

梨山崩坍地材料受到反覆的地層滑動與地下水風化影響頗深,由鑽探 結果可知,容易發生滑動的地層材料之組成為風化岩塊與基質土壤,因此 對與類似此種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:「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

block/tan

φ

matrix ≥2.0

E

block

/E

matrix

2.0

其中之ㄧ

的條件才可稱此材料為Bimrock (Block-in-Matrix),他認為低於此標準時,

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

塊的粒徑與分佈會影響破壞面的形式與抗剪強度;岩塊粒徑分佈範圍大, 抗剪強度高,破壞面扭曲蜿蜒;岩塊粒徑分佈範圍小,抗剪強度低,呈現 平滑波浪的破壞面。

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。

(75)

依不同量測面積所的岩塊大小出現的相對頻率。為易於比較各種不同面積 的粒徑皆以各面積的平方根除之,而相對出現頻率則以各面積的各粒徑總 數目除以各面積的總顆粒數目。圖2-38 顯示在不同的取樣面積下岩塊尺寸 的相對頻率分佈曲線類似,各面積取樣合理的最大岩塊粒徑為0.75 A。他 認為粒徑小於0.05 A的顆粒僅所佔的比例小於 1%,不影響整體 Melange 的性質,因此建議粒徑0.05 A為基質與岩塊的分界。他提出特徵工程尺寸

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。

圖 2-38 不同取樣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)

(76)

55

Holtz 及 Willard (1961)探討土壤礫石混合物力學參數的變化,分別在粘 土及砂土中加入礫石施作試驗,發現礫石含量增加時,有效摩擦角相對增 加,而凝聚力c′ 卻降低,如表 2-12。

表2-12 卵礫石含量對粘土砂土強度參數的影響(Holtz 與 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

Marsal(1969)認為試體直徑 D 與顆粒最大粒徑 dmax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(圖 2-39)。 圖2-39 試體強度受到尺寸效應影響結果圖(Marsal,1969)

(77)

Marachi(1972)研究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 2.8 in, 12 in, 36 in ) ,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2-40;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。 圖 2-40 最大粒徑與內摩擦角關係(Marachi ,1972)

(78)

57

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 2-41,圖 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。

(79)

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(圖 2-42),假設岩塊不可壓縮以便得到應變門檻值 εmax與岩塊含量p 的關係; G V p= V………..(公式 2-1) P :岩塊體積含量比 V:複雜土基質加岩塊體積含量 VG: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 圖 2-42 多個立方體元素所構成單一個試體示意圖(Montrasio,1998)

(80)

59 由公式 2-2 可得到應變門檻值 εmax與岩塊含量 p 的關係,如圖 2-43, 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 而產生滑動破壞;岩塊體積含量比(p)達到 50%時,試體內岩塊彼此互相接 觸,剪力強度將由岩塊相互摩擦所控制。 圖2-43 應變門檻值 εmax與岩塊含量p 之關係圖 (Montrasio , 1998)

(81)

Vallejo 與 Mawby(2000)認為粗顆粒接觸型態是由孔隙率所控制,他們 將五組不同比例砂土與粘土的混合材料以靜態夯實法製作重模試體,並進 行單向度直剪試驗,試驗結果如表2-13。 根據試驗結果,Vallejo 與 Mawby(2000)推導出砂與黏土混合物之孔隙 率公式(nmix ,公式 2-3);另外根據單剪試驗尖峰剪力強度與含量比關係(圖 2-44)顯示在砂土含量比低於 40%時,力學行為由黏土控制;砂土含量比在 40%~70%之間時,強度由砂土與粘土相互所提供;當砂土含量比再 75%以 上,力學行為則由砂土所控制。 表2-13 5 組不同含量比的砂-黏土混合試體(Vallejo,(2000))

(82)

61

……….(公式 2-3)

(nmix : 砂與黏土混合物之孔隙率;Ws : 砂子重量;Wc : 黏土重量;γs : 砂

子單位重;γc : 黏土單位重;V0 : 靜態夯實 24 小時後的試體體積)

(83)

Medley(2001)研究北加州一帶的剪裂帶之材料特性,認為材料內岩塊的 分佈與含量為影響著併構岩(Bimrock)力學行為的主要因素;含量高的岩塊 形成較蜿蜒的破壞面形式,破裂路徑較長造成材料的摩擦阻抗增加。室內 三軸試驗結果指出岩塊含量增加使有效摩擦角提高(圖 2-45)。 圖 2-45 併構岩體積含量比與有效摩擦角關係圖

(84)

63 蔡文傑(2002)研究不同比例的基質與岩塊所構成材料的力學行為,基質 材料使用高嶺土,岩塊為水泥漿所製成粒徑 1cm 之圓球狀塊體,將拌合完 成的混合材料逕行等向壓密,壓密完成後利用岩心鑽機鑽出試體進行試 驗。試驗結果指出: 1.單軸壓縮狀態下,材料力學行為由基質或界面性質控制,在基質與岩塊界 面容易產生破壞面;在三軸狀態下,材料受到側向的束制,此時基質與 岩塊共同控制材料的力學行為,因此破壞強度與岩塊體積比成正比關 係,圖 2-46。 2. 楊氏模數會隨著岩塊體積比增加而上升,圖 2-47。 3. 材料內岩塊體積含量 0%~46%時,凝聚力隨岩塊體積比增加而降低,內 摩擦角隨岩塊體積比增加而提高,圖2-48 與 2-49。

(85)

圖 2-46 破壞強度與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑,2003)

(86)

65

圖 2-48 凝聚力與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑,2003)

(87)

2-6 強度準則與材料破壞行為

2-6-1 土壤的破壞行為

本研究之研究對象為梨山崩坍地 B-9 滑動體主要滑動面的軟弱材料。 黃玉麟(2006)及唐禎國(2007)認為材料內基質粘土含量超過 50%時,此材 料可分類為灰色黏土夾灰色板岩。本併構材料內具有沙土顆粒性的組構以 及黏土,因此在此介紹砂土受剪行以用來解釋崩積土與風化板岩的受剪行 為;同時滑動層材料具有黏土含量,並以黏性土壤的受剪行為加以探討。 在砂土中,剪力強度受到顆粒形狀、級配、礦物種類、初始孔隙比、 圍壓與加載速率而有不同的大小,緊砂與鬆砂的應力應變曲線有明顯的差 異,緊砂受到剪脹性的影響,使得尖峰強度與殘餘強度有明顯的差異,同 時也在不排水的狀況下產生負的超額孔隙水壓,而鬆砂剪強度尖峰值則不 明顯,土粒對水產生正的超額孔隙水壓。 Alarcon(1988)對砂土受剪時的行為提出顆粒結構瓦解的觀念,當砂土受 剪時應變軟化造成收縮性的砂土處於不穩定的狀態,顆粒組構逐漸瓦解, 這時如有極小的剪應變便足夠讓顆粒重新排列,在不排水的狀況下,此現 象會導致原本顆粒組構所承受的應力轉移至水,導致孔隙水壓增加,對於 收縮性砂土強度明顯降低,在持續變形的作用下,達到穩定的狀態,因此 當顆粒組構排列方式,使得瓦解趨勢愈高時所激發的孔隙水壓愈大。Alarcon

(88)

67 研究也指出對於收縮性砂土,當強度到達殘餘狀態時,砂土的組構呈現流 態為穩定狀態的強度,也顯示應變軟化的行為與砂土顆粒特性與孔隙率有 關。Poulos(1981)認為砂土受剪過程中,顆粒重新排列組合,而達到穩定的 狀況。 Atkinson(1978)指出黏性土壤,由於顆粒相互間的作用力不及相互間電 化作用影響,因此有效應力、孔隙比、應力歷史、飽和度、毛細管張力等 因素都會影響黏性土壤的剪力強度,正常壓密黏性土壤行為如圖 2-50,當 正常壓密黏土受到壓密應力 ' C P ,比體積ν0位在N-N 曲線上 C 點,不排水時 比體積不變,應力路徑以C-A”行徑,最後破壞於 A”。過壓密黏土行為如圖 2-51。

(89)

圖 2-50 正常壓密黏性土壤行為(摘自 Atkinson,1978)

(90)

69

2-6-2 Mohr-Coulomb 剪力強度破壞準則

Coulomb(1776)提出影響岩石與土壤材料的剪力強度包含兩個因子,材料 的凝聚力與正向力影響材料顆粒摩擦性,其與剪力強度之關係: φ σntan c s= + 公式(2.4) (s:剪力強度、σn:破壞面正向力、c:凝聚力、φ:材料內摩擦角) 由材料單元示意圖(圖 2-52)可推導出剪力強度(τ )與破壞面正向力與最大 (σ1)、最小(σ3)正向力以及破壞面與水平面夾角(β)的關係:: β σ σ σ σ σ ( )cos2 2 1 ) ( 2 1 3 1 3 1 + + − = n (2.5) β σ σ τ ( )sin2 2 1 3 1− = = s (2.6)

由Mohr circle 的關係圖(圖 2-53)中,可以看出 Mohr circle 與破壞包絡線的 關係,破壞面與水平面夾角(β)與材料內摩擦角(φ)的關係公式: 2 4 φ π β = + (2.7) 由公式(2.4)到公式(2.7)可得最大主應力與最小主應的關係公式: φ φ σ φ σ sin 1 ) sin 1 ( cos 2 3 1 + + = c (2.8) 當無圍壓時σ3 =0帶 入 公 式(2.8),可以得到無圍壓縮強度(單軸壓縮強 度)σc,當最大主應力為零σ1 =0時,可以得到材料的張力強度σT: φ φ σ sin 1 cos 2 − = c c (2.9) φ φ σ sin 1 cos 2 + = c T (2.10)

(91)

圖2-52 材料單元受力示意圖(Coulomb,1776)

圖2-53 Mohr circle 與破壞包絡線示意圖(Mohr Coulomb,1910)

參考文獻

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