地震衍生之邊坡破壞行為及防治對策研究(I)---子計畫八：以物理模型分析地震衍生邊坡破壞行為之研究

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 地震衍生之邊坡破壞行為及防治對策研究

(Ⅰ)

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※ 以物理模型分析地震衍生邊坡破壞行為之研究

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※ Study on the slope failure behavior induced by ※

※ earthquake and its mitigation methods

(Ⅰ)

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※ The study on behaviors of earthquake-induced slope ※

※ failure using a physical modeling test

(Ⅰ)

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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫

計畫編號：NSC-89

-2218-E-151-007-

執行期間：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日

計畫主持人：許 琦 高雄應用科技大學土木系

計畫參與人員：歐泰林 高雄應用科技大學土木系

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立高雄應用科技大學土木工程系

中 華 民 國 90 年 10 月 30 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

地震衍生之邊坡破壞行為及防治對策研究(Ⅰ)：

以物理模型分析地震衍生邊坡破壞行為之研究(Ⅰ)

Study on the slope failure behavior induced by earthquake and its

mitigation methods(Ⅰ)﹕

The study on behaviors of earthquake-induced slope failure using a

physical modeling test(Ⅰ)

計畫編號：NSC-89

-2218-E-151-007-

執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 7 月 31 日

主持人：許 琦 高雄應用科技大學土木系

計畫參與人員：歐泰林 高雄應用科技大學土木系

A six freedom small shaking table has been installed in the laboratory to conduct experiments for simulation of earthquakes. A control procedure of shaking table test also has developed to control the motion of table using the seismic waves based on 921 Chi-Chi earthquakes. The triaxial accelerometers are set up on the center of table to measure the response of shaking table. The results show that repeatability of acceleration of table is excellently confident. In addition, the acceleration of shaking table is deeply influenced in the flow rate of the oil pressure system.

Keywords : shaking table、seismic waves

二、緣由與目的 台灣位於歐亞大陸板塊與菲律賓海 洋板塊虎口交叉擠壓處，以致台灣地形陡 峻，地質破碎且地震頻發。又由於台灣地 屬海島型氣候，驟雨、豪雨以及颱風雨等 雨量充沛，因此在山區地帶常造成土質沖 刷、地層滑動以及土石流等土石災害。尤 其，921 集集大地震之震度規模高達 7.3 級，造成邊坡破壞之處更多達五百處以上 [1]，並造成嚴重坡地滑動災害，且釀成人 民生命與財產之重大損失。然而，從大地 震後對邊坡之調查，可發現無論是岩石或 土壤邊坡，在集集大地震中均遭受嚴重破 壞，特別是填土之重力式擋土牆及岩石順 向坡，由於受地震中鉛直、水平方向之聯 合地震力作用而發生下滑或剪斷式之破 壞。推求其因，可能係現在有關邊坡穩定 分析或是擋土牆設計對地震力之考慮，往 往使用二維極限平衡之擬靜力分析,對震 波與邊坡或擋土牆之夾角、土岩與擋土牆 之互制作用以及地震引致超額孔隙水壓力 等影響因子之考慮較付之闕如。另外，由 於邊坡災害造成人命損失，往往較不直 接，以至於其所造成龐大的修護成本，亦 因而被嚴重的忽略。此可由邊坡工程設計 規範的訂定，尚付之闕如，亦或可見證。 此外值得一提係「我們的設計規範，絕大 部份是抄襲他國或僅慧數值分析結果而訂 定」，不若美、日等國規範之訂定，均是 經由一系列嚴謹的試驗成果中萃煉而出。 有鑒於此，本研究擬利用計畫主持人在執

行教育部八十九會計年度「土木防災教育 改進計畫」時，所建構之地震模擬平台來 探討邊坡在地震力作用下之破壞行為，俾 以瞭解邊坡及擋土牆之互助作用及其破壞 機制，並冀能由研究團隊之研究成果的比 對，俾以做出一套適用本土的研究成果， 並提供擬定設計規範之參考，而此乃為本 計畫之主要研究動機。 基於以上原因，本年度之研究主題焦 點為地震模擬平台系統之建構及驗證，特 別是如何將 921 集集大地震震波輸入地震 模擬平台之轉換與控制方式的探討，亦是 研究重點之一。 三、研究設備及方法 本 研 究 之 內 容 主 要 包 括 下 列 兩 部 份﹕ 第一部份係針對地震站記錄資料轉 換為地震模擬振動台之最適輸入控制資料 分析，其方法是將 921 集集大地震之地表 加速度積分成位移，再將其轉成振動台的 控制資料，並以探討幾項轉換方式。 第二部份則係以三軸向加速度計擷 取平台運動之反應資料，並將獲得之振動 台加速度與輸入控制平台之加速度以及地 震站之記錄值加以比較，以討論模擬振動 台之運動特性。 本研究所使用之儀器設備如圖一之設 備系統圖所示[2]，其主要包括﹕ (1)三軸向六自由度地震模擬振動台﹕本平 台如圖一所示，其諸元請參考文獻[3]。 (2)油壓伺服控制系統﹕其主要由油壓動力 系統及電動伺服控制閥所組成，用以接 受電腦轉來的控制訊號，並驅動及控制 油壓輸出油量，以推動振動台運動。 (3)資料擷取及回饋系統﹕資料擷取主要是 在振動台中心設置三軸式加速度計，其 係可同時測得 X、Y、Z 三向之加速度。 另外，在六支油壓推動缸上設置 LVDT 六支，以量測各缸的推移量，以作為回 饋分析之應用。 (4)訊號放大器﹕主要目的係將加速度計擷 取到之微電壓加以放大，以利擷取卡之 擷取。 (5)A/D&D/A 擷 取 卡 ﹕ 將 加 速 度 計 以 及 LVDT 所傳來之類比訊號轉換成數位資 料，以利電腦記錄之。 本研究採用之研究方法係先進行震波 分析，並以前、後處理方式進行處理，使 其能適用於振動台之控制資料外，亦檢討 其與地震站實測值加以比對，用以討論 前、後處理方法之失真度。另外，選擇適 合處理後之資料輸入電腦，進行地震模擬 平台之地震模擬測試。在測試前則於振動 平台中央粘貼 kyowa 製之三軸向加速度 計，並將其量測之平台動作反應加速度訊 號經放大器至擷取卡擷取，且由電腦加以 記錄。 四、結果與討論 經由以上之研究，獲得結果及討論如 下﹕ (一)震波處理結果 以 端 點 法 擷 取 測 站 加速度峰點或槽 點，再加以積分，且擷取成模擬平台的控制 值，並據此輸入加速度值與地震站原始資料 比較，並無太顯著之不同（如圖二所示）﹔ 換言之，以此法來改變地震站之資料時距及 資料量，其尚可代表地震之加速度行為。 (二)平台運動性能 1.平台運動的重現性 為探討地震模擬平台在同一組輸入資 料下，其運動再現性，乃對地震模擬平台輸 入多次同樣的控制數據，並量測平台反應之 加速度。圖三為二次輸入三軸向(即 X、Y 和 Z 均給于加速度值)之控制數值，而測得 平台的 X 向加速度表現。從該圖顯示地震 模擬平台之重現度相當的高，因為前後兩次 之試驗數據幾乎完全重合。 2.三軸間相互作用 為探討地震模擬平台三軸間相互作用 之情況，本文乃將地震站資料轉為控制平 台數值後，僅輸給東西 X 向，南北 Y 向， 及垂直 Z 向之單一向加速度值，並監測平 台之三軸向加速度計反應，且將結果繪成 圖四所示。考察圖四可看出單向 X 軸作用 時，對其他兩軸（ Y 和 Z 軸）之影響較小， 但是 Y、Z 兩軸運動時卻對其他兩軸有很大 的影響，尤其以 Z 軸最為嚴重。另外，比 較日月潭與麥寮站，又可發現輸入加速度 越小，三軸間相互作用更嚴重。據研判其 可能原因為﹕

(1)油壓系統之油壓流量不足。 (2)在將 X、Y、Z 線性運動轉換成六支伺服 油壓推動缸的運動量力學計算可能有 誤。 (3)加速度計擷取數值時受到雜訊干擾，以 至使輸入加速度值越小，三軸間相互作 用越嚴重，加以推論引證。 3.平台的加速度反應 為探討動作平台輸入與其輸出之加速 度關係，分別以三軸向與單軸向輸入值， 並由加速度計量測動作平台之 X、Y 和 Z 軸所表現之運動加速度，並將其與地震站 所記錄的原始加速度值加以比較，且將結 果整理成圖五之加速度歷時曲綠。從圖中 可知模擬平台所展現之加速度雖然無法完 全逼近地震站原始資料，但在整個趨勢看 來已有符合之趨向。另外，值得一提係在 高峰與高峰之間卻出現許多加速度雜訊 值，並且在極高峰處有暴衝之現象，推測 其原因可能有﹕ (1)輸入控制平台之加速度頻率過快，且不 夠平滑，致使伺服油壓推動缸瞬間反應 過快，而產生平台的衝力增大，並發生 暴衝之現象。 (2)三軸向運動間之相互影響，亦是平台運 動行為與地震站結果不同之另一重要原 因。而且現單軸向運動比三軸向運動所 產生之暴衝量較小，而可推證。 (3)加速度計擷取系統或平台控制訊號受外 在環境雜訊干擾所致。 (4)在將 X、Y 或 Z 線性運動轉換成六支伺 服油壓推動缸的運動量計算，並未考慮 速度、加速度及阻尼等因素之影響外， 亦可能係運動力學之計算有誤。 (5)油壓流量不足。 (三)建議 1.地震模擬平台之三軸向運動時會有相互 作用的現象，其係因油壓係統之油壓流 量不足或是將 X、Y、Z 三軸向運動轉換 成六支伺服油壓推動缸之運動量的力學 計算有誤所造成，有待近一步釐清。 2.從加速度檢核本地震模擬平台的測試中 可察知，其反應出之加速度無法完全逼 近地震站原始資料，且在高峰與高峰之 間卻出現許多雜訊，尤其在極高峰處有 暴衝之現象。推測其與三軸向運動間相 互作用有關，此仍有加以研究改進之必 要。 3.地震模擬系統是一種整合數學、物理、機 械、控制、電機、電子、電腦以及土木、 建築等跨領域技術，並涵蓋伺服動力系 統、伺服控制系統、電腦系統、機械系 統及動力學等系統科技，本非一蹴可 成﹔相反地更應結合協力廠商--美欣科 技，再繼續研究改進。 4.一年來之測試，反應出協力廠商對地震模 擬平台之控制技術不足，必須另尋廠商合 作，並做出更多之模擬來進行更好的控制 及校正，以期能完全模擬出地震之現象， 以增進地震模擬系統研發技術。 五、參考文獻 [1] 林美聆，翕作新，廖洪釣，大地工程震災調查， 國家地震工程研究中心簡訊，32 民 88.12 頁 6-10。 [2] 許琦，歐泰林，葉雅芸，六自由度小型振動平台 之研發及測試，地震衍生之邊坡破壞行為及防治 對策研討會（Ⅱ）八十九年度期末研究成果研討 會論文集，民國 90 年 6 月 29 日，第 157∼171 頁。 [3] 許琦，歐泰林，葉雅芸，地震模擬振動台於邊坡 模型試驗之可行性研究，地震衍生之邊坡破壞行 為及防治對策研討會（Ｉ）八十九年度期中研究 成果研討會論文集，民國 90 年 1 月 11 日，第 131 ∼147 頁。 振動平台 加速度計 放大器 個人電腦 LVD 圖一 試驗設備系統示意圖 油壓伺服系統 A/D 擷取卡 D/A 擷取卡

圖二 地震站及輸入平台之加速度比較 圖三 輸入三軸向控制加速度，在 X 向的 重現性(日月潭站) (a)平台 X 軸運動，對 Y 與 Z 軸之影響 (b)平台 Y 軸運動，對 X 與 Z 軸之影響 (c)平台 Z 軸運動，對 X 與 Y 軸之影響 圖五 單軸向輸入時，平台與測站之加速 度比較(日月潭站) (a)X 軸向輸入，平台與測站 X 軸向加速度比較 (b)Y 軸向輸入，平台與測站 Y 軸向加速度比較 (c)Z 軸向輸入，平台與測站 Z 軸向加速度比較