國立交通大學
土木工程學系碩士班
碩士論文
由虛擬力學試驗探討併構崩積土之力學行為與性質-以梨山地滑區為例
A Study of Mechanical Behavior/Properties of Block-in-matrix Colluvium through Virtual
Mechanical Testing－Li-Shan LandSlide Area as an Example
研究生：張永奇
指導教授： 潘以文 博士
由虛擬力學試驗探討併構崩積土之力學行為與性質-以梨山地滑區為例
A Study of Mechanical Behavior/Properties of
Block-in-matrix Colluvium through Virtual Mechanical Testing－Li-Shan LandSlide Area as an Example
研究生：張永奇 Student:Yung-Chi Chang
指導教授： 潘以文 博士 Advisor: Dr. Yii-Wen Pan
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 2008
Hsinchu, Taiwan, Republic of China
中華民國九十七年七月
由虛擬力學試驗探討併構崩積土之力學行為與性質
由虛擬力學試驗探討併構崩積土之力學行為與性質
由虛擬力學試驗探討併構崩積土之力學行為與性質
由虛擬力學試驗探討併構崩積土之力學行為與性質
-以梨
以梨
以梨
以梨山
山
山
山地滑區為例
地滑區為例
地滑區為例
地滑區為例
學生：張永奇 指導教授：潘以文 博士 國立交通大學土木工程學系碩士班中文摘要
中文摘要
中文摘要
中文摘要
地滑區之崩積層組成相當複雜，由軟弱的沈泥質黏土至堅硬的新鮮岩盤均屬 於其範疇。由於其組構行為複雜，常具不均質性與高變異性，未必適合以一般土 壤或岩石之行為視之，本研究以「併構崩積土」的名稱來描述其組成，針對併構 崩積土之行為，藉由數值模擬進行「虛擬力學試驗」，進而討論併構崩積土之力 學行為與性質。 本研究以梨山地滑區為研究場址，梨山地滑區內的併構崩積土岩塊與基質的 強度與勁度的差異性極大，與以往其他學者所研究之「併構岩」材料間的差異性 有甚大差距，因此其力學行為也與他人針對併構岩之研究結果不盡相同。本研究 同時以三維與二維之條件進行虛擬三軸試驗，比較三維與二維虛擬三軸試驗結 果，探討併構崩積土行為之重要參數。 研究結果顯示：(1) 三維虛擬試體之破壞面較為蜿蜒拉長，故強度比二維結 果高，(2) 試體極限強度隨岩塊比之增加而遞增，(3) 岩塊方向影響併構崩積土 力學性質之異向性，及(4)模擬二維露頭面二維虛擬三軸試驗結果與謝孟修(2007) 所得影響因素趨勢相似，可於現地觀察時初步研判現地之材料參數範圍。 關鍵字：崩積層、併構崩積土、數值模擬、虛擬力學試驗
A Study of Mechanical Behavior/Properties of Block-in-matrix Colluvium through Virtual Mechanical Testing－Li-Shan LandSlide Area as an Example
Student：Yung-Chi Chang Advisor：Dr. Yii-Wen Pan
Department of Civil Engineering National Chiao Tung University
ABSTRACT ABSTRACT ABSTRACT ABSTRACT
Colluvial materials are often complex mixtures of geo-materials of various sizes, shapes, fabrics, and porosities depending on the parent strata and the slope-failure mechanism. Very often, colluvium from previously failed rock slopes is composed of both hard rock blocks and soft clay matrix, and may be considered as a complex composite geo-material which can be treated as a “blocks-in-matrix (BIM) geo-material. A BIM geo-material contains relative stronger rock blocks embedded in relatively softer and weaker matrix. This type of colluvium is termed as “BIM colluvium” in this study. The present work attempts to simulate and analyze the mechanical behavior of block-in-matrix (BIM) colluvial materials using virtual specimens. This study carried out a series of numerical simulation as virtual mechanical tests in order to look into the important factors that affect the mechanical properties of BIM colluvium.
The study site for the thesis is within the Li-Shan huge landslide area. This area has been subjected to repeated and reactivated landslides with various depths of sliding surfaces according to several intensive investigations in the past. The colluvial deposit in this landslide region is often composed of both rigid slate blocks and soft clay, which is the “BIM colluvium”, referred to in this paper. A series of two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) virtual triaxial tests were carried out by varying the block proportion and block orientation to compare the results of 2D and 3D virtual mechanical tests and to identify important factors that control the mechanical behavior and properties of BIM colluvium.
Major findings obtained from this study are as follows. (1) Comparing to the 2D case, the failure plane in the 3D tends to be tortuous in 3D; hence, results in higher strength. (2) The strength of BIM colluvium increases with increasing block proportion. (3) Rock-block orientation affects the anisotropy of mechanical properties. (4) The general trends of engineering properties versus block proportion obtained from 3D and 2D virtual mechanical tests are similar at least qualitatively.
for laboratory tests, it may be possible to adopt virtual mechanical tests to complement insufficient data of laboratory tests, provided an appropriate calibration can be made.
Keywords: Colluvium; Block-in-matrix colluvium; Numerical simulation; Virtual
誌謝
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誌謝
誌謝
本論文承蒙指導教授 潘以文博士在學生研讀期間耐心指導與多方啟發，並 時常督促及關懷著學生，使本論文能順利完成學生在此致上萬分的感謝與敬意， 感謝恩師費心審閱並提供寶貴意見。 口試期間幸蒙 黃燦輝教授、 田永銘教授、 陳昭旭副教授以及 吳建宏助理 教授給予諸多的建議及錯誤的指正，使本論文趨於更加完善嚴謹，特於此表示由 衷的感謝與致意。 求學期間，承蒙 廖志中教授、 黃安斌教授、 方永壽教授、 單信瑜教授以 及 林志平教授在課堂學識上的指導，致上感恩的心。 另外感謝研究所一起同甘共苦的同學，同為潘門弟子奮戰到底的聰吉，一起 在梨山上度過風吹日曬雨淋的同學智仁，還有陪我唱歌唱到沒聲音的文凱，以及 所有大地組同學全修、阿德、比爾、謝帥、法師陪我打球共度愉快的研究生活及 學弟小錞錞、彭桑、偉欽及一年級的學弟妹們，在我論文做到分身乏術時給予我 支援，也感謝前期研究的謝孟修、唐禎國、劉盛華及羅文驤學長提供我們很多需 要的參考資料，為我們進一步研究打下好基礎。大地組所有的同學們、學長和學 弟還有國際處的同仁們感謝大家陪我度過兩年快樂的研究生涯。 最後感謝永遠都支持著我照顧我的阿公、阿嬤還有我的父母、大姐、弟弟、 妹妹及我的女朋友謝謝他們在精神與生活上的支持與鼓勵讓我在最無助的時候 給我信心及鼓勵，求學期間常常無法陪伴著你們及幫忙處理家裡大小事家人也總 是體諒著我，真的很感謝也很感動。 經過兩年研究所生涯所學的不僅是研究的方法更重要的是做學問的態度，以 及勇於面對問題解決問題且讓自己培養出更加積極的態度，也慶幸自己所做的正
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第一章 第一章第一章 第一章 前言前言前言前言 ... 1111 1.1 研究動機與目的...1 1.2 研究方法與流程...2 第二章 第二章第二章 第二章 文獻回顧文獻回顧文獻回顧文獻回顧 ... 4444 2.1 崩積層之定義與型態...4 2.2 梨山試驗區之環境與地滑特性 ...6 2.3 梨山地區相關研究...10 2.3.1 梨山以往研究成果 ...10 2.3.2 梨山崩積層依材料特性分類 ...18 2.3.3 梨山崩積層依力學參數分類 ...21 2.4 崩積層材料特性與力學行為模式 ...24 2.4.1 併構崩積土之簡介與特性 ...24 2.4.2 併構岩定義與劃分 ...25 2.4.3 併構岩之力學行為模式 ...29 2.4.4 併構岩之異向性相關研究 ...34 2.4.5 併構崩積土各影響因素下之差異 ...38 2.5 力學試驗之數值模擬...46 第三章 第三章第三章 第三章 地質鑽探取樣與岩心地質分類地質鑽探取樣與岩心地質分類地質鑽探取樣與岩心地質分類地質鑽探取樣與岩心地質分類 ... 49494949 3.1 鑽探規劃...493.2 地滑區岩層分類準則...51 3.3 岩心判釋與統計...53 第四章 第四章第四章 第四章 虛擬力學試驗方法與規劃虛擬力學試驗方法與規劃虛擬力學試驗方法與規劃虛擬力學試驗方法與規劃 ... 58... 585858 4.1 分析方法與工具 ...58 4.2 虛擬試體之建立 ...59 4.2.1 網格建立...60 4.2.2 邊界條件設定 ...60 4.2.3 試體岩塊形狀大小之選定 ...61 4.2.4 試體產生方式 ...63 4.2.5 模擬三軸加載方式 ...64 4.3 介面性質之考量 ...65 4.4 虛擬三軸試驗 ...69 4.5 虛擬力學試驗規劃 ...70 4.5.1 模擬試體流程 ...70 4.5.2 虛擬三軸試驗規劃 ...71 4.5.3 虛擬試體規劃 ...72 4.6 材料參數對併構崩積土之影響 ...76 第五章 第五章第五章 第五章 虛擬三軸試驗結果虛擬三軸試驗結果虛擬三軸試驗結果虛擬三軸試驗結果... 77... 777777 5.1 介面性質之影響結果...77
5.1.2 結果與討論 ...80 5.2 網格密度之影響分析...81 5.3 虛擬試體 3D 與 2D 之差異...85 5.3.1 試體模擬結果 ...85 5.3.1.1 低岩塊比（45%）情形 ...86 5.3.1.2 高岩塊比（70%）情形 ...97 5.3.2 結果與討論 ...108 5.4 虛擬試驗結果與前人結果比對 ...110 5.4.1 岩塊體積比對力學性質之影響 ...110 5.4.1.1 高傾角情況（0°為例） ...110 5.4.1.3 中傾角情況（45°為例） ...114 5.4.1.2 低傾角情況（90°為例） ...117 5.4.2 岩塊體積比對力學性質影響之比較與討論 ...120 5.4.3 岩塊方向性對力學性質之影響 ...124 5.4.4 岩塊方向性對力學性質影響之比較與討論...127 5.5 材料參數對併構崩積土行為之探討 ...127 第六章 第六章第六章 第六章 結論與建議結論與建議結論與建議結論與建議 ... 130... 130130130 6.1 結論...130 6.2 6.2 6.2 6.2 建議建議建議...131 建議
參考文獻
參考文獻參考文獻
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圖 1- 1 研究流程圖 ...3 圖 2- 1 (a)岩塊堆積崩積層(b)土石混合堆積崩積層(c)岩層滑動崩積 層(董家鈞、楊賢德，2001) ...5 圖 2- 2 梨山交通位置圖(工業技術研究院能源與資源研究所，1993) 7 圖 2- 3 梨山地區區域地質圖(劉岫雲，2003) ...9 圖 2- 4 崩積土細料含量(F)與凝聚力(c)之關係(劉啟鋒，1990)...15 圖 2- 5 崩積土細料含量與內摩擦角之關係(劉啟鋒，1990)...16 圖 2- 6 岩心分類流程圖(黃玉麟，2006) ...19 圖 2- 7 岩心分類流程圖(唐禎國，2007) ...20 圖 2- 8 鑽探孔地理位置示意圖 ...21 圖 2- 9 第一類：灰色黏土夾灰色板岩顆粒（賴忠良，2006）...22 圖 2- 10 第二類：破碎板岩岩體（賴忠良，2006）...22 圖 2- 11 第三類：灰色板岩內含有節理(節理厚度不可忽略) （賴忠 良，2006） ...23 圖 2- 12 第四類：灰色板岩內含有節理(節理厚度可忽略) （賴忠良， 2006） ...23 圖 2- 13 Franciscan Melange 露頭在不同的尺度下粒徑分布狀況 （Medley，1994) ...26圖 2- 14 不同尺度下岩塊粒徑分布曲線（Medley，1994)...27 圖 2- 15 不同取樣面積內顆粒粒徑累積分布圖（Medley，1994)...27 圖 2- 16 不同取樣樣面積岩塊粒徑對取樣面積平方根正規化後出線機 率分布圖（Medley，1994) ...28 圖 2- 17 岩塊粒徑對最大岩塊正規化後出現岩塊數量與體積累積分布 圖（Medley，1994) ...28 圖 2- 18 變形模數與不同岩塊體積比關係圖(Lindquist 1994)....30 圖 2- 19 凝聚力與不同岩塊體積比關係圖(Lindquist，1994)...30 圖 2- 20 內摩擦角增量與不同岩塊體積比關係圖(Lindquist，1994) ...31 圖 2- 21 混成岩破壞模態(Lindquist，1994) ...31 圖 2- 22 破壞強度與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2003)....32 圖 2- 23 楊氏模數與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2003)....33 圖 2- 24 凝聚力與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2003)...33 圖 2- 25 內摩擦角與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2003)....34 圖 2- 26 試體示意圖（吳偉豪，2006） ...35 圖 2- 27 岩塊體積比 20%試體在不同圍壓下之破壞強度試驗值（吳偉 豪，2006） ...36 圖 2- 28 岩塊體積比 40%試體在不同圍壓下之破壞強度試驗值（吳偉
豪，2006） ...36 圖 2- 29 不同圍壓下岩塊體積比 20%試體之異向性指標 K（吳偉豪， 2006） ...37 圖 2- 30 不同圍壓下岩塊體積比 40%試體之異向性指標 K（吳偉豪， 2006） ...37 圖 2- 31 岩塊具方向性不同岩塊體積比(謝孟修，2007)...38 圖 2- 32 岩塊體積比對 ψ 角之影響趨勢(謝孟修，2007)...39 圖 2- 33 岩塊體積比對軸差應力之影響趨勢(謝孟修，2007)...39 圖 2- 34 岩塊體積比對 c 值之影響趨勢(謝孟修，2007)...40 圖 2- 35 岩塊體積比對 E 值之影響趨勢（指數座標）(謝孟修，2007) ...40 圖 2- 36 岩塊具不同方向性(謝孟修，2007) ...41 圖 2- 37 岩塊傾角對 ψ 角之影響趨勢(謝孟修，2007)...41 圖 2- 38 岩塊體傾角度對軸差應力之影響趨勢(謝孟修，2007)....42 圖 2- 39 岩塊傾角對 c 值之影響趨勢(謝孟修，2007)...42 圖 2- 40 岩塊體傾角度對 E 值之影響趨勢(謝孟修，2007)...43 圖 2- 41 岩塊具方向性不同長短軸比(謝孟修，2007)...44 圖 2- 42 岩塊長短軸比值對 ψ 角之影響趨勢(謝孟修，2007)...44 圖 2- 43 岩塊長短軸比值對軸差應力之影響趨勢(謝孟修，2007)..45
圖 2- 44 岩塊長短軸比值對 c 值之影響趨勢(謝孟修，2007)...45 圖 2- 45 岩塊長短軸比值對 E 值之影響趨勢(謝孟修，2007)...46 圖 2- 46 模擬試體之示意圖(張家銓，2007) ...47 圖 2- 47 實驗與模擬之 σ1－σ3 之破壞包絡線 (張家銓，2007)..48 圖 3- 1 鑽孔位置示意圖 ...50 圖 3- 2 B1 鑽孔位置及深度圖(修改自富國工程，2001) ...50 圖 3- 3 B2 鑽孔位置及深度圖(修改自富國工程，2001) ...51 圖 3- 4 梨山崩積層內崩積土之併構崩積土岩心照片...53 圖 3- 5 梨山崩積層內漸變帶之併構崩積土岩心照片...53 圖 3- 6 崩積土及漸變帶岩塊體積比出現頻率 ...54 圖 3- 7 鑽取岩心圖崩積土內之併構崩積土 B-1 孔 4m ...56 圖 3- 8 鑽取岩心圖崩積土內之併構崩積土 B-1 孔 4~8m...56 圖 3- 9 鑽取岩心圖崩積土內之併構崩積土 B-2 孔 0~4m...56 圖 3- 10 鑽取岩心圖漸變帶內之併構崩積土 B-1 孔 12~16m...57 圖 3- 11 鑽取岩心圖漸變帶內之併構崩積土 B-1 孔 16~20m...57 圖 3- 12 鑽取岩心圖漸變帶內之併構崩積土 B-1 孔 20~22m 及 24~26m ...57 圖 4- 1 FLAC 程式運算 ...59 圖 4- 2 模擬試體邊界條件 ...61
圖 4- 3 模擬併構崩積土岩塊體 ...63 圖 4- 4 模擬鑽孔所得到之試體 ...64 圖 4- 5 無介面材料時岩塊體積比對併構岩試體ψ值之影響趨勢...67 圖 4- 6 無介面材料時岩塊體積比對併構岩試體 c 值之影響趨勢...67 圖 4- 7 有介面材料時岩塊體積比對併構岩試體ψ值之影響趨勢...68 圖 4- 8 有介面材料時岩塊體積比對併構岩試體 c 值之影響趨勢...68 圖 4- 9 虛擬試體與虛擬三軸試驗規劃 ...70 圖 4- 10 岩塊具方向性不同岩塊體積比試體 ...71 圖 4- 11 岩塊具不同方向性試體 ...72 圖 4- 12 岩塊體積比 30%三維虛擬試體於不同方位之剖面 ...73 圖 4- 13 岩塊體積比 45%三維虛擬試體於不同方位之剖面 ...74 圖 4- 14 岩塊體積比 55%三維虛擬試體於不同方位之剖面 ...74 圖 4- 15 岩塊體積比 70%三維虛擬試體於不同方位之剖面 ...75 圖 5- 1 模擬併構崩積土之虛擬試體範例 ...78 圖 5- 2 有無介面材料下極限軸差應力影響趨勢比較...79 圖 5- 3 有無介面材料下 c 值影響趨勢比較 ...79 圖 5- 4 有無介面材料下 ψ 值影響趨勢比較 ...79 圖 5- 5 不同網格密度及不同岩塊體積比下之網格圖...81 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 ...82 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 ...83 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 ...83 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 ...84 圖 5- 10 不同網格密度下岩塊體積比與 c 值影響趨勢 ...84 圖 5- 11 不同網格密度下岩塊體積比與ψ值影響趨勢 ...84 圖 5- 12 岩塊傾角 0°岩塊體積比 45%時之各種方向剖切面...88 圖 5- 13 岩塊傾角 0°岩塊體積比 45%時，二維與三維虛擬試體岩塊體 積比分佈頻率 ...89 圖 5- 14 岩塊傾角 0°岩塊體積比 45%時，二維與三維虛擬三軸試驗之 極限軸差應力分佈頻率 ...89 圖 5- 15 岩塊傾角 0°岩塊體積比 45%時，二維與三維虛擬三軸試驗之 E 值分佈頻率...89 圖 5- 16 岩塊傾角 0°岩塊體積比 45%時，圍壓 200kPa 下二維與三維虛 擬三軸試驗應力應變曲線 ...90 圖 5- 17 岩塊傾角 90°岩塊體積比 45%時之各種方向剖切面...91 圖 5- 18 岩塊傾角 90°岩塊體積比 45%時，二維與三維虛擬試體岩塊體
積比分佈頻率 ...92 圖 5- 19 岩塊傾角 90°岩塊體積比 45%時，虛擬三軸試驗之極限軸差應 力分佈頻率 ...92 圖 5- 20 岩塊傾角 90°岩塊體積比 45%時，虛擬三軸試驗之 E 值分佈頻 率 ...92 圖 5- 21 岩塊傾角 90°岩塊體積比 45%時，圍壓 200kPa 下二維與三維 虛擬三軸試驗應力應變曲線 ...93 圖 5- 22 岩塊傾角 45°岩塊體積比 45%時之各種方向剖切面 ...94 圖 5- 23 岩塊傾角 45°岩塊體積比 45%時，二維與三維虛擬試體岩塊體 積比分佈頻率 ...95 圖 5- 24 岩塊傾角 45°岩塊體積比 45%時，虛擬三軸試驗之極限軸差應 力分佈頻率 ...95 圖 5- 25 岩塊傾角 45°岩塊體積比 45%時，虛擬三軸試驗之 E 值分佈頻 率 ...95 圖 5- 26 岩塊傾角 45°岩塊體積比 45%時，圍壓 200kPa 下二維與三維 虛擬三軸試驗應力應變曲線 ...96 圖 5- 27 岩塊傾角 0°岩塊體積比 70%時之各種方向剖切面 ...99 圖 5- 28 岩塊傾角 0°岩塊體積比 70%時，二維與三維虛擬試體岩塊體 積比分佈頻率 ...100
圖 5- 29 岩塊傾角 0°岩塊體積比 70%時，二維與三維虛擬試體之極限 軸差應力分佈頻率 ...100 圖 5- 30 岩塊傾角 0°岩塊比體積 70%時，二維與三維虛擬試體之 E 值 分佈頻率 ...100 圖 5- 31 岩塊傾角 0°岩塊體積比 70%時，圍壓為 200kPa 下二維與三維 虛擬三軸試驗之應力應變曲線 ...101 圖 5- 32 岩塊傾角 90°岩塊體積比 70%時之各種方向剖切面 ...102 圖 5- 33 岩塊傾角 90°岩塊體積比 70%時，二維與三維虛擬試體之岩塊 體積比之分佈頻率 ...103 圖 5- 34 岩塊傾角 90°岩塊體積比 70%時，二維與三維虛擬試體之極限 軸差應力分佈頻率 ...103 圖 5- 35 岩塊傾角 90°岩塊體積比 70%時，二維與三維虛擬試體之 E 值 分佈頻率 ...103 圖 5- 36 岩塊傾角 90°岩塊體積比 70%時，圍壓為 200kPa 下二維與三 維虛擬三軸試驗之應力應變曲線 ...104 圖 5- 37 岩塊傾角 45°岩塊體積比 70%時之各種方向剖切面 ...105 圖 5- 38 岩塊傾角 45°岩塊體積比 70%時，二維與三維虛擬試體之岩塊 體積比之分佈頻率 ...106 圖 5- 39 岩塊傾角 45°岩塊體積比 70%時，二維與三維虛擬試體之極限
軸差應力分佈頻率 ...106 圖 5- 40 岩塊傾角 45°岩塊體積比 70%時，二維與三維虛擬試體之 E 值 分佈頻率 ...106 圖 5- 41 岩塊傾角 45°岩塊體積比 70%時，圍壓為 200kPa 下二維與三 維虛擬三軸試驗之應力應變曲線 ...107 圖 5- 42 三維虛擬試體剪應變圖 ...109 圖 5- 43 二維虛擬試體剪應變圖 ...109 圖 5- 44 三維與二維虛擬三軸試體達破壞狀態之元素比例比較圖.110 圖 5- 45 傾角為 0°時，二維岩塊體積比對極限軸差應力之影響趨勢 ...112 圖 5- 46 傾角為 0°時，三維岩塊體積比對極限軸差應力之影響趨勢 ...112 圖 5- 47 傾角為 0°時，岩塊體積比對 c 值之影響趨勢 ...112 圖 5- 48 傾角為 0°時，岩塊體積比對ψ角之影響趨勢 ...113 圖 5- 49 傾角為 0°時，二維岩塊體積比對 E 值之影響趨勢 ...113 圖 5- 50 傾角為 0°時，三維岩塊體積比對 E 值之影響趨勢 ...113 圖 5- 51 傾角為 45°時，二維岩塊體積比對極限軸差應力之影響趨勢 ...115 圖 5- 52 傾角為 45°時，三維岩塊體積比對極限軸差應力之影響趨勢
...115 圖 5- 53 傾角為 45°時，岩塊體積比對 c 值之影響趨勢 ...115 圖 5- 54 傾角為 45°時，岩塊體積比對ψ角之影響趨勢 ...116 圖 5- 55 傾角為 45°時，二維岩塊體積比對 E 值之影響趨勢 ...116 圖 5- 56 傾角為 45°時，三維岩塊體積比對ψ角之影響趨勢 ...116 圖 5- 57 傾角為 90°時，二維岩塊體積比對極限軸差應力之影響趨勢 ...118 圖 5- 58 傾角為 90°時，三維岩塊體積比對極限軸差應力之影響趨勢 ...118 圖 5- 59 傾角為 90°時，岩塊體積比對 c 值之影響趨勢 ...118 圖 5- 60 傾角為 90°時，岩塊體積比對ψ角之影響趨勢 ...119 圖 5- 61 傾角為 90°時，二維岩塊體積比對 E 值之影響趨勢 ...119 圖 5- 62 傾角為 90°時，三維岩塊體積比對 E 值之影響趨勢 ...119 圖 5- 63 三維虛擬三軸試驗傾角 0°時，圍壓 200kPa 不同岩塊體積比之 應力應變曲線 ...120 圖 5- 64 三維虛擬三軸試驗傾角 90°時，圍壓 200kPa 不同岩塊體積比 之應力應變曲線 ...121 圖 5- 65 三維虛擬三軸試驗傾角 45°時，圍壓 200kPa 不同岩塊體積比 之應力應變曲線 ...121
圖 5- 66 傾角 0°時，岩塊體積比對極限軸差應力之影響趨勢...121 圖 5- 67 傾角 90°時，岩塊體積比對極限軸差應力之影響趨勢....122 圖 5- 68 傾角 45°時，岩塊體積比對極限軸差應力之影響趨勢....122 圖 5- 69 岩塊傾角對極限軸差應力之影響趨勢 ...125 圖 5- 70 岩塊傾角對 c 值之影響趨勢 ...125 圖 5- 71 岩塊傾角對ψ值之影響趨勢 ...126 圖 5- 72 岩塊傾角對 E 值之影響趨勢 ...126 圖 5- 73 不同基質凝聚力於不同圍壓下之極限軸差應力與應變曲線 ...129
表目錄
表目錄
表目錄
表目錄
表 2- 1 山崩之分類(Varnes,1978) ...4 表 2- 2 歷年來梨山地層組成材料力學相關研究成果...11 表 2- 3 一般物理性質試驗結果(方世杰，1990)...13 表 2- 4 崩積土與砂質黏土基本參數(劉啟鋒，1990)...14 表 2- 5 不同粒徑凝聚力與摩擦角大小(劉啟鋒，1990)...15 表 2- 6 砂質黏土強度參數(劉啟鋒，1990) ...15 表 2- 7 四號篩以下重模直接剪力試驗結果(能資所，1993)...18 表 2- 8 三軸 SCU 試驗結果(能資所，1993) ...18 表 2- 9 模擬與真實試體參數比較(Cundall，2004)...47 表 2- 10 材料幾何參數(張家銓，2007) ...47 表 2- 11 實驗與模擬之 c、ψ 值比較 (張家銓，2007)...48 表 3- 1 本研究鑽探孔之岩心描述 ...55 表 4- 1 N1 12 ~ 16 m 岩塊長短軸與厚度比 ...62 表 4- 2 N2 48 ~ 52 m 岩塊長短軸與厚度比 ...62 表 4- 3 模擬 Lindquist（1994）人造併構岩之材料參數 ...66 表 4- 4 模擬梨山地滑區併構崩積土之材料參數...66 表 4- 5 虛擬試驗規劃表 ...76 表 5- 1 模擬梨山地滑區併構崩積土之材料參數...77
表 5- 2 併構崩積土材料參數 ...86 表 5- 3 模擬之材料參數 ...128 表 5- 4 模擬之結果 ...128
第一章
第一章
第一章
第一章 前言
前言
前言
前言
1.1
研究動機與目的
研究動機與目的
研究動機與目的
研究動機與目的
地滑區之崩積層組成相當複雜，由軟弱的沈泥質黏土至堅硬的新鮮岩盤均屬 於其範疇。由於其組構行為複雜，常具不均質性與高變異性，未必適合以一般土 壤或岩石之行為視之，本研究以「併構崩積土」的名稱來描述其組成。併構崩積 土材料之組合性複雜，試體重複性不高，想取得相同之試體幾乎不可能，再加上 因試體藉由鑽探取樣困難、及試體經常尺寸過小等原因，實在難以藉由實驗室之 系列試驗掌握其確實之工程行為與工程性質。但若藉由虛擬產生之試體（虛擬試 體）再經由數值模擬進行「虛擬力學試驗」，則可能用以深入探討併構崩積土之 力學行為與性質。 謝孟修（2007）針對『崩積層之類併構岩材料力學行為與模式』論文研究中， 以一系列二維虛擬力學試驗的方法，建構二維虛擬試體再進行虛擬力學試驗，繼 而由該等虛擬試驗之結果歸納出影響併構崩積土力學行為與性質之重要因素與 其影響趨勢，他也主張虛擬力學試驗應可改善現地對併構崩積土取樣困難，而室 內實驗又常無足夠試體做出具代表性之結果的困境。 本研究以梨山崩積地滑區作為試驗場址，延續謝孟修（2007）的研究概念， 進一步以三維與二維模式分別建構虛擬試體與進行虛擬力學試驗，以比較三維與 二維虛擬力學試驗之結果。透過虛擬力學試驗，並可進一步模擬現地可能出現之 各種露頭面，檢討直接由併構崩積土露頭面條件進行二維虛擬力學試驗所得結果可能之變異性。透過虛擬力學試驗，若能藉由掌握影響併構崩積土力學行為的主 要參數，或可將此類複雜之複合性材料行為簡化成一等值均質化之材料行為，進 而推估其材料性質並利於工程應用。
1.2
研究方法與流程
研究方法與流程
研究方法與流程
研究方法與流程
本研究以梨山崩積地滑區作為試驗場址，先針對該地滑區相關文獻、監測資 料及調查報告加以與整理，再根據鑽孔岩心瞭解地滑內各層地質的組成，依其風 化程度與相似的力學行為做分類。 為便於對崩積層內組成岩體做更細部之分類、統計及歸納，本研究結合同期 與前期相關論文研究於場址完成一系列鑽探取樣，針對併構崩積土材料的區段進 行岩心影像分析以統計其組成的岩塊體積比。 本研究分別以三維與二維模式分別建構虛擬試體與進行虛擬力學試驗，比較 三維與二維虛擬力學試驗之結果，探討影響併構崩積土力學行為與性質之重要因 素與其影響趨勢，並與謝孟修（2007）所探討在各影響因素下之行為差異結果進 行比較。 本研究之相關流程如圖 1- 1 所示。除本章以外，第二章為相關之文獻回顧。 第三章為地質鑽探取樣與岩心分類統計。第四章為虛擬力學試驗方法與規劃。第 五章為模擬結果分析與討論。第六章為本研究的結論與建議。圖 1- 1 研究流程圖 研究開始 研究開始 研究開始 研究開始 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 文獻回顧 蒐集梨山相關試驗參數及國內外併 構崩積土力學研究 地質鑽探 地質鑽探 地質鑽探 地質鑽探 二孔共100m B-1 40M B-2 60M 岩心之岩塊判釋與整理 岩心之岩塊判釋與整理 岩心之岩塊判釋與整理 岩心之岩塊判釋與整理 統計岩心岩塊之體積 比、方向、顆粒大小 材料參數之整理 材料參數之整理材料參數之整理 材料參數之整理 整理前人所研究相關試驗成果 對併構崩積土進行三軸試驗之 對併構崩積土進行三軸試驗之 對併構崩積土進行三軸試驗之 對併構崩積土進行三軸試驗之虛虛虛虛 擬力學試驗 擬力學試驗 擬力學試驗 擬力學試驗模擬模擬模擬模擬 依岩心判釋結果建立併構崩積土 虛擬試體設定合理參數進行虛擬 三軸試驗參數探討 現地資料彙整 現地資料彙整 現地資料彙整 現地資料彙整 統整前兩年所鑽探資料結果加上本年度 之資料結果 整理 整理整理 整理虛擬三軸試驗之模擬結果虛擬三軸試驗之模擬結果虛擬三軸試驗之模擬結果 虛擬三軸試驗之模擬結果 得到其影響之力學參數 虛擬三軸試驗 虛擬三軸試驗虛擬三軸試驗 虛擬三軸試驗與與與真實室內試驗結果與真實室內試驗結果真實室內試驗結果比真實室內試驗結果比比比 較 較較 較 針對室內試驗之試體進行模擬並與其 實驗所得之結果進行討論 結果與探討 結果與探討結果與探討 結果與探討 模擬試驗 模擬試驗 模擬試驗 模擬試驗 模擬試體流程 圖4-9
第二章
第二章
第二章
第二章 文獻回顧
文獻回顧
文獻回顧
文獻回顧
2.1
崩積層
崩積層
崩積層
崩積層之
之
之
之定義與型態
定義與型態
定義與型態
定義與型態
邊坡往往因地質、地形或自然環境因素等，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。 崩積層之特性多與山崩種類有密不可分之關係。山崩種類可按移動方式及移 動物質之不同加以分類如表 2- 1 山崩之分類(Varnes,1978)。 表 2- 1 山崩之分類(Varnes,1978) 移動物質 土壤 移動方式 岩石 粗粒 細粒 墜落 岩石墜落 土石墜落 土泥墜落 傾翻 岩石傾翻 土石傾翻 土泥傾翻 旋滑 岩石崩移 土石崩移 土泥崩移 滑動 平滑 岩層滑動 岩石滑動 土石塊滑動 土石滑動 土泥塊滑動 土泥滑動 側滑 岩石側滑 土石側滑 土泥側滑 流動 岩石流動 土石流動 土泥流動洪如江(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。 按山崩型態與堆積材料特性將崩積層分為三類：(1)岩石墜落或傾覆所形成 之岩塊堆積崩積層；(2)土石崩移或滑動所形成之土石混合堆積崩積層；以及(3) 岩石崩移或岩層滑動所形成之岩層滑動崩積層，三類崩積層之示意圖如圖 2- 1。(董家鈞、楊賢德，2001) 圖 2- 1 (a)岩塊堆積崩積層(b)土石混合堆積崩積層(c)岩層滑動崩積層(董家鈞、 楊賢德，2001) (1)岩塊墜落或傾覆-岩塊堆積崩積層 因岩石墜落或傾覆型山崩機制所形成之崩積層規模較小，泥質含量低，岩塊 多呈顆粒支持構造(圖 2- 1 (a))，亦即岩塊間相互接觸而填充少量之土壤。此 類崩積層多分佈於節理發達之陡坡坡址。 (2)土石崩移或滑動-土石混合堆積崩積層
土石崩移或滑動易形成土石混合堆積崩積層(圖 2- 1(b))。土石混合堆積之 崩積層屬基質支持。此類崩積層與降雨所造成之地下水升高關係甚為密切，當遇 較大之暴雨時地下水位可迅速升高，此類地下水造成土石潰流之情形。 (3)順向坡岩石滑動-岩層滑動崩積層 屬岩層滑動之崩積層堆積，此一崩積層應屬原邊坡發生順向滑動後堆積之岩 層(請參閱圖 2- 1(c))。此類崩積層不易由鑽探柱狀圖探知，因崩積地層層次多 與斜坡坡面相同，故若有透水岩層上覆不透水岩層，則極易形成受壓水層，因降 低崩積層之穩定性，然此類之崩積層移動方式應以潛變為主，由調查發現存有此 類崩積層之上邊坡亦仍有高滑動潛能。
2.2
梨山試驗區之環境與地滑特性
梨山試驗區之環境與地滑特性
梨山試驗區之環境與地滑特性
梨山試驗區之環境與地滑特性
本研究以梨山崩積地滑作為研究場址，針對崩塌地區做相關文獻及調查報告 的蒐集與整理。 (1)地理位置與交通狀況 梨山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- 2)，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。集集九二一地震當時，梨山雖幸而無 恙，但是中橫公路上谷關至德基路段嚴重坍方，後經重新修築卻又遭遇民國 94 年 72 水災破壞，使得梨山進出必須繞行大禹嶺、合歡山，經霧社、埔里才能抵 達梨山。梨山賓館圓環區，因中橫的開通而繁榮，也因中橫的中斷而沒落，若說 中橫是梨山的命脈，實不為過。 圖 2- 2 梨山交通位置圖(工業技術研究院能源與資源研究所，1993) (2)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。 地質分類方面，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- 3)， 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 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- 3 梨山地區區域地質圖(劉岫雲，2003) (3)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、 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。
2.3
梨山地區相關研究
梨山地區相關研究
梨山地區相關研究
梨山地區相關研究
2.3.1
梨山
梨山
梨山
梨山以往
以往
以往研究成果
以往
研究成果
研究成果
研究成果
鑑於梨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，在過去此區域材料力學研究上主要有蘇苗彬(1990)、亞新顧問 (1990)、林柄森(1991)、蔡光榮(1987)、工業技術研究院能源與資源研究所(1993) 等。 以往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- 2，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， 本身各種材料的膠結性不良，劈理發達，並帶部分的節理，因此材料較為破碎、 強度低。在鑽探取樣並不容易，因此在部分的研究中，試驗材料來源以重模試體 為主，部分的天然試體為明坑開挖所取得的崩積土塊。表 2- 2 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) 林柄森(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 c (t/m^2 ) Φ (°) c (t/m^2 ) Φ (°) c (t/m^2) Φ (°) c (t/m^2) Φ(°) c (t/m^2) Φ (°) c (t/m^2) Φ (°) 崩積土 0 35 0 29.0-34.5 0.17-1.6 0 33.0-38. 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 20-2 3 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)
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- 3)：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%。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，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)進行直接剪力試驗與三軸試驗(三段式飽和壓密 不排水)，結果顯示凝聚力 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)得到結果為凝聚力 0.29 kg/cm2 ，摩擦角 18.5° ； 單 向 壓 密 試 驗 結 果 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。
表 2- 3 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 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長寬高各為一公尺之明坑開挖，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 1.1 米的試井開挖(深度 6.3 米)，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 2-4)，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
(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，試驗結果如表 2- 4、表 2- 5、表 2- 6。經由粒徑分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- 4、圖 2- 5、表 2- 6 可看出凝聚力(c)、 摩擦角ψ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ψ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。 表 2- 4 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- 5 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- 6 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
圖 2- 5 崩積土細料含量與內摩擦角之關係(劉啟鋒，1990) 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。 其研究將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，
單壓強度也愈低。 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 ， 直接剪力試驗凝聚力 0.13 kg/cm2 、摩擦角 18.2，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。 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五組重模試 驗，結果如表 2- 7；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- 8。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。
表 2- 7 四號篩以下重模直接剪力試驗結果(能資所，1993) 項目 c＇ ψ＇ 備註 1 0.6 36 預壓 6(kg/cm 2 ) 2 0.2 39 預壓 3(kg/cm 2 ) 3 0.2 23 4 0 23 5 0.05 20 6 0.3 38 表 2- 8 三軸 SCU 試驗結果(能資所，1993) 項目 1 2 3 4 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
2.3.2
梨山崩積層依材料特性分類
梨山崩積層依材料特性分類
梨山崩積層依材料特性分類
梨山崩積層依材料特性分類
黃玉麟(2006)由其所規劃之鑽孔 N-1 即 N-2 岩心資料經判釋歸納後，由地質材料、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，提出針 對梨山地區崩積地區之岩心分類方法如圖 2- 6。第一類灰色板岩夾黃色黏土(SY) 主要分布在滑動體淺層靠近地表部分，位置位於地水位以上，黃色黏土可能為地 表細料土壤順著地表水沿裂隙下滲而膠結於板岩裂隙之間；第二類灰色板岩夾灰 色黏土(SG)，其板岩所夾之灰色黏土，應為原崩積物之母岩因風化作用而生；第 三類灰色完整板岩(S)則為新鮮岩盤的部分；第四類灰色黏土夾灰色板岩碎屑(C) 則為軟弱層，其可能為滑動面。 圖 2- 6 岩心分類流程圖(黃玉麟，2006) 唐禎國(2007)對規劃場址在梨山崩坍地滑動體 B-9、B-1、及 B-4 分別規劃三 個鑽探孔(X1、X2 及 X3 孔，鑽孔位置如圖 2- 8)，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，提出對於滑動體內材料的分類 方式，岩心分類流程圖如圖 2- 7。
X1 X2 X3
B1滑動體
滑動體
滑動體
滑動體
B4滑動體
滑動體
滑動體
滑動體
B9滑動體
滑動體
滑動體
滑動體
B5滑動體
滑動體
滑動體
滑動體
X1 X2 X3 X1 X2 X3B1滑動體
滑動體
滑動體
滑動體
B4滑動體
滑動體
滑動體
滑動體
B9滑動體
滑動體
滑動體
滑動體
B5滑動體
滑動體
滑動體
滑動體
圖 2- 8 鑽探孔地理位置示意圖2.3.3
梨山崩積層依力學參數分類
梨山崩積層依力學參數分類
梨山崩積層依力學參數分類
梨山崩積層依力學參數分類
賴忠良（2006）依照黃玉麟(2006)材料分類之準則進一步以材料之力學行為 模式做為分類，如下所示。 第一類崩積層材料：灰色黏土夾灰色板岩顆粒(如圖 2- 9 所示)。 第一類材料屬於極軟弱的地質材料，由灰色黏土夾板岩顆粒所組成、偶夾一 些石英顆粒，抗剪強度相當低。此層軟弱地質材料可視為軟弱夾心層，由於其材 料性質軟弱明顯具彈塑性的特性，可視為土壤情形進行力學分析，其力學模式可 採用摩爾-庫倫彈塑性模式。圖 2- 9 第一類：灰色黏土夾灰色板岩顆粒（賴忠良，2006） 第二類崩積層材料：破碎板岩岩體 (如圖 2- 10 所示) 第二類崩積層材料之材質屬於破碎的岩體材料，由灰色板岩及灰色黏土所 組成，內含極高密度節理面， 此類的地質材料，大都屬於強到中度風化性的板岩， 因此多形成灰色板岩夾灰色黏土，板岩顆粒排列不規則性。此外因板岩乃原生岩 石曾經過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，往往易形成整齊破碎的狀態。因此雖弱面上有些許灰色板岩夾灰色黏土， 但是板岩塊片仍緊密排列整齊的存在。此類崩積層材料本身具有極高密度節理 面，其行為可模擬為彈-塑性體，可採用彈塑性力學模式，破壞準則可考慮 Hoek-Brown 準則。 圖 2- 10 第二類：破碎板岩岩體（賴忠良，2006） 第三類崩積層材料：灰色板岩內含有節理(節理厚度不可忽略) (如圖 2- 11 所示) 第三類崩積層材料屬於具有較完整的板岩塊，其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，而節理面，大部 分夾有灰色黏土，材質具有彈-塑性體加弱面的特性，可採用 PANDE(1993)組構性 彈塑性力學模式（如 PANDE，1993）。 圖 2- 11 第三類：灰色板岩內含有節理(節理厚度不可忽略) （賴忠良，2006） 第四類崩積層材料：灰色板岩內含有節理(節理厚度可忽略)(如圖 2- 12) 第四類崩積層材料具有完整的板岩塊，近似完整岩體情形，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，而節 理面厚度小到可以忽略或根本沒有。第四種崩積層材料，其由近彈性體之完整岩 體再加上幾組的節理弱面(節理弱面可忽略)所組成，屬於新鮮岩盤，因此彈性範 圍可採用如林建宏(1992)之異向性等值岩體力學彈性關係來描述屈服前之應力-應變關係。屈服後則採用 Hoek-Brown 或摩爾-庫侖岩石破壞準則。 圖 2- 12 第四類：灰色板岩內含有節理(節理厚度可忽略) （賴忠良，2006）
2.4
崩積層材料特性與力學行為模式
崩積層材料特性與力學行為模式
崩積層材料特性與力學行為模式
崩積層材料特性與力學行為模式
2.4.1
併構崩積土
併構崩積土
併構崩積土
併構崩積土之簡介與特性
之簡介與特性
之簡介與特性
之簡介與特性
根據地質詞彙對 melange 的定義為：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，中文翻譯成「混同層」或「混成岩」(許靖華， 1988)。此種岩體構造最早在英國威爾斯的安哥西(Anglesey)被發現，目前世界上 約有六十幾個國家具有此種地質構造，我國被發現有混成岩的地區共有臺東利 吉、屏東墾丁與花蓮天祥三處。 就工程觀點來看，混成岩及其類似岩石，只要是軟弱的基質材料中鑲嵌有硬 質岩塊，即使形成的地質作用、過程迥異，但大地工程及力學行為的分析模式理 應相似，因此 Medley(1994)刻意忽略地質學上的名詞，定義此種組成的岩石為 Bimrock (Block-in-Matrix)。林銘郎等人(2000)將之譯為「併構岩」。 本研究之材料為梨山崩基層內之複合性材料，形成機制是由軟弱的沉泥質粘 土與風化的板岩塊所構成，因性質較為軟弱且為崩積層內之岩塊風化而得，其內 容差異性高，故以「併構崩積土」之名稱來描述。雖與併構岩之組構型態略同， 然以往針對併構岩所進行之模擬，其岩塊與基質間之強度差異性皆頗為相近，相 差僅在幾倍之間，然而併構崩積土之岩塊與基質間之強度差異性甚高，因此無法 推定併構崩積土與併構岩之力學行為完全雷同。然就整體之趨勢而言，針對併構 岩之研究成果對瞭解併構崩積土之特性仍頗具參考價值，也值得作為一參考指 標。2.4.2
併構
併構
併構
併構岩
岩
岩
岩定義與劃分
定義與劃分
定義與劃分
定義與劃分
Medley(1994) 曾 針 對 加 州 北 方 的 Franciscan Melange 做 研 究 ， 發 現 Franciscan Melange 中的破碎岩塊尺寸分佈極為廣泛（圖 2- 13），任何尺寸皆 存在，也以不同的取樣面積作影像分析，分析岩塊的 dmax(岩塊之最大粒徑)與其 出現的頻率，發現在不同的取樣面積下岩塊尺寸的分佈曲線類似，僅有最大岩塊 其 dmax 與取樣面積成正比，如圖 2- 14 及圖 2- 15。因此判定 Franciscan Melange 中岩塊之尺寸分佈不受尺度的影響（scale independent）。 而在界定岩塊與基質以及岩塊與完整岩體間之分界時，Medley 則以取樣面積 內岩塊的尺寸分佈做為依據，將岩塊粒徑與取樣面積的平方根作正規化後，取 0.05 A作為基質與岩塊尺寸的界線，取 0.75 A作為岩塊與完整岩體的界線，其 中 A 即為取樣面積（圖 2- 16）。因為取樣面積內的所有岩塊中 95％以上其粒徑 是小於 0.05 A，但這些岩塊的總面積卻小於取樣面積 1％，可忽略其對力學行 為的影響，故取 0.05 A 作為基質與岩塊的界線，粒徑小於 0.05 A即視為基質； 而所有岩塊中約有 99％左右粒徑皆小於 0.75 A，故取 0.75 A 最為岩塊最大粒 徑的分界，大於 0.75 A 及視為完整岩體（圖 2- 17）。 由於不受尺寸影響，因此在可在一可靠的維度下來定義併構岩的基質與岩 塊，故定義出工程尺寸（engineering dimension）Lc，Lc = A ，亦可為地質圖 上顯示的岩塊最大粒徑、地滑中破壞區或剪裂帶的厚度、隧道直徑、基腳寬度或 室內試驗之試體寬度等…。
Medley(2001)亦定義符合 Block-in-Matrix 即被稱為 Bimrock 的條件須滿足
2.0 /tan
tan
φ
blockφ
matrix ≥ 或 Eblock/Ematrix ≥ 2.0，當當複合岩體之強度比或勁度比低於此標準，剪力破壞時將破壞面可能轉變為穿過岩塊。由於 Bimrock 岩塊粒徑 分佈範圍廣泛，且岩塊的粒徑對於破壞面的扭曲有直接影響，故對於抗剪強度亦 有直接影響。當岩塊粒徑分佈範圍大，破壞面扭曲蜿蜒，抗剪強度高；當岩塊粒 徑分佈範圍小，破壞面成平滑波浪狀抗剪強度低。
圖 2- 14 不同尺度下岩塊粒徑分布曲線（Medley，1994)
圖 2- 16 不同取樣樣面積岩塊粒徑對取樣面積平方根正規化後出線機率分布圖 （Medley，1994)
圖 2- 17 岩塊粒徑對最大岩塊正規化後出現岩塊數量與體積累積分布圖 （Medley，1994)
2.4.3
併構
併構
併構
併構岩
岩
岩
岩之力學行為模式
之力學行為模式
之力學行為模式
之力學行為模式
併 構 岩 之 材 料 性 質 組 構 複 雜 且 不 均 質 變 異 性 高 ， Medely(2008) 、 Wakabayashi(2008)等針對併構岩之性質作相關研究，但其工程性質與工程行為往 往相當困難且複雜，造成工址調查之困難，以其力學性質不容易決定，頗值得深 入瞭解併構岩之特性。Lindquist(1994)採用一系列不同粒徑(0.5~4.5 英吋)之人 造岩塊材料，控制粒徑≧1.5 英吋的顆粒傾角(β=0°、30°、60°、90°)，製作出 人造混成岩試體，以直徑 5.9 英吋、高 12 英吋之岩心，進行三軸試驗，探討其強 度和變形等特性與岩塊體積比之關係。經由實驗結果可得下列結論。 (1) 岩塊材料體積比增加時，併構岩的勁度增加。（如圖 2- 18） (2) 岩塊材料體積比增加時，併構岩的凝聚力降低。（如圖 2- 19） (3) 岩塊材料體積比大於 25%時，每增加 10%之體積比，則內摩 擦角增加 3°。（如圖 2- 20） )) ( tan( ) -(1 cmatrix matrix p θ σ φ φ θ τ = + +∆ ……… (2.1) 其中 τp :材料剪力強度 cmatrix :基質材料內聚力 θ :岩塊體積含量 σ :正向應力 ψmatrix :基質材料內摩擦角Δψ (θ) :內摩擦角隨岩塊體積含量之增量
(4) 大顆粒岩塊材料會明顯的影響破壞面的幾何形狀，破壞面會沿著岩塊材
料界面延伸。（如圖 2- 21）
圖 2- 18 變形模數與不同岩塊體積比關係圖(Lindquist 1994)
圖 2- 20 內摩擦角增量與不同岩塊體積比關係圖(Lindquist，1994)
蔡文傑(2002) 將水泥混合高嶺土後，以不同的配比分別模擬基質材料與岩塊 材料；岩塊顆粒為粒徑 10mm 之圓球狀水泥漿硬固體，用以模擬試體整體力學性 質的等向性。試體的製作方式係使用大型等向壓密儀將拌合完成的混合材料進行 等向壓密，待試體壓密與養護完成後，以岩石鑽心機取得岩心試體。 由其試驗結果可得以下結論： (1) 在單軸壓縮狀態下，整體材料主要由基質或界面性質所控制，破壞易由 兩材料的界面發生。當加上圍壓後，材料四周因束制作用，整體的性質由基質與 岩塊材料共同控制，故破壞強度隨著岩塊體積比增加而上升(如圖 2- 22)。 (2) 整體材料因岩塊的加勁效果，故楊氏模數會隨著岩塊體積比增加而提高 (如圖 2- 23)。 (3) 岩塊體積含量為 0%～46%時，試體的凝聚力隨岩塊體積比增加而降低(如 圖 2- 24)；內摩擦角則隨岩塊體積比增加而提高(如圖 2- 25)。 圖 2- 22 破壞強度與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2003)
圖 2- 23 楊氏模數與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2003)
圖 2- 25 內摩擦角與不同岩塊體積含量關係圖(蔡文傑，2003)
2.4.4
併構
併構
併構
併構岩
岩
岩
岩之異向性相關研究
之異向性相關研究
之異向性相關研究
之異向性相關研究
吳偉豪(2006)將水泥混合高嶺土後，以不同的配比來分別模擬基質材料與岩 塊材料；岩塊顆粒為粒徑 15mm 之圓形片狀水泥漿硬固體，用以模擬整體力學性 質的橫向等向性。實驗採用二種不同的岩塊體積比(20%、40%)七種不同傾角 (β=0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)如圖 2- 26。 利用不同傾角及岩塊體積比之試體作三軸及單壓試驗，結果發現高傾角 β=90°～60° 之試體破壞強度並無劇烈之變化，最大破壞強度大多發生在傾角 β=90°與傾角 β=0°之處；而最低破壞強度大多發生在傾角 β=30°之處(如圖 2- 27、圖 2- 28)，由此可見具有特定方向性之岩塊對於整體強度異向性之影響不可 忽視其影響。另外又探討到強度異向性與圍壓之關係，雖然試體強度隨著圍壓增加而遞 增，但強度之異向性卻隨圍壓增加而遞減。定義 K 為同一圍壓下各傾角試體最大 破壞強度與最小破壞強度之比值( K=σ1(max) /σ1(min))為異向性指標，則可發現 K 值(如圖 2- 29、圖 2- 30)隨著圍壓增加而降低，此結果說明著強度異向性隨著 圍壓增加而減小。 圖 2- 26 試體示意圖（吳偉豪，2006）
圖 2- 27 岩塊體積比 20%試體在不同圍壓下之破壞強度試驗值（吳偉豪，2006）
圖 2- 29 不同圍壓下岩塊體積比 20%試體之異向性指標 K（吳偉豪，2006）
2.4.5
併構崩積土各影響因素下之差異
併構崩積土各影響因素下之差異
併構崩積土各影響因素下之差異
併構崩積土各影響因素下之差異
謝孟修(2007)模擬併構崩積土試體，分別考慮當岩塊具有特定角度，在不同 的角度下對強度及整體材料參數之影響。在改變岩塊長短軸比討論強度及整體材 料參數之影響，除了改變單一條件如岩塊角度、長短軸比外，其餘因子皆固定。 另外岩塊體積比也是併構岩力學行為影響的重要參數之ㄧ，所以也把岩塊體積比 在不同的情形下所得之結果比較其差異性。 岩塊體積比之差異，方向皆固定為 60 ﾟ，岩塊種類、尺寸及位置皆以隨機產 生，岩塊體積比分別是以 30%、45%、60%及 75%四種岩塊體積比來討論如圖 2- 31。 結果發現併構岩整體的材料參數極限的軸差應力、凝聚力(以下簡稱 c)、摩擦角 (以下簡稱ψ)與楊氏模數(以下簡稱 E)皆隨岩塊體積比增加而提升，但因岩塊與 基質間的 E 值相差甚大，即使岩塊有加勁作用但整體展現 E 值仍為基質所主控。 圖 2- 31 岩塊具方向性不同岩塊體積比(謝孟修，2007)0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0.00% 20.00% 40.00% 60.00% 80.00% 100.00%
Rock block proportion
U l t i m a t e D e v i a t o r i c S t r e s s ( M P a
) confining pressure 200kPa confining pressure 400kPa confining pressure 800kPa
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 0.00% 20.00% 40.00% 60.00% 80.00% 100.00% Rock block proportion
ψ (d eg re es ) 圖 2- 32 岩塊體積比對ψ角之影響趨勢(謝孟修，2007) 圖 2- 33 岩塊體積比對軸差應力之影響趨勢(謝孟修，2007)
10 100 1000 10000 100000 0.00% 20.00% 40.00% 60.00% 80.00% 100.00%
Rock block proportion
Y ou ng 's m od u lu s (M Pa )
confining pressure 200kPa confining pressure 400kPa confining pressure 800kPa
圖 2- 34 岩塊體積比對 c 值之影響趨勢(謝孟修，2007) 圖 2- 35 岩塊體積比對 E 值之影響趨勢（指數座標）(謝孟修，2007) 岩塊方向性之差異，改變岩塊傾角，岩塊體積比固定為 45%，尺寸及位置皆 0 50 100 150 200 250 300 350 0.00% 20.00% 40.00% 60.00% 80.00% 100.00%
Rock block proportion
c(
k
P
以隨機產生如圖 2-36。結果得併構岩整體力學行為隨著不同岩塊傾角的改變而具 異向性，當傾角為 30°～60°各參數值皆出現相對低值，行為類似具有特定方向性 層面之岩石。 圖 2- 36 岩塊具不同方向性(謝孟修，2007) 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 0 15 30 45 60 75 90
Rock block orientation (degrees)
ψ (d eg re es )
圖 2- 37 岩塊傾角對ψ角之影響趨勢(謝孟修，2007)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0 15 30 45 60 75 90
Rock block orientation(degrees)
Ul t i m at e D ev i a to r i c S t r es s ( MP a )
confining pressure 200kPa confining pressure 400kPa confining pressure 800kPa
圖 2- 38 岩塊體傾角度對軸差應力之影響趨勢(謝孟修，2007) 0 30 60 90 120 150 180 0 15 30 45 60 75 90
Rock block orientation(degrees)
c( k P a)
圖 2- 39 岩塊傾角對 c 值之影響趨勢(謝孟修，2007)
0 50 100 150 200 250 300 0 15 30 45 60 75 90
Rock block orientation (degrees)
Young's
modulus
(MPa)
confining pressure 200kPa confining pressure 400kPa confining pressure 800kPa
圖 2- 40 岩塊體傾角度對 E 值之影響趨勢(謝孟修，2007) 岩塊長短軸比之差異，改變岩塊長短軸，岩塊體積比固定為 45%，岩塊形狀 為三角形及四邊形，傾角為 60∘，尺寸及位置皆以隨機產生如圖 2- 41。 由其虛擬力學試驗結果整理可知併構岩整體材料參數ψ、E 與極限的軸差應 力隨著岩塊長短軸比增加而漸增，但影響的強度差異與整體強度相較並不明顯， 據以研判岩塊長短軸比可能非併構岩考慮其力學行為的重要參數。
圖 2- 41 岩塊具方向性不同長短軸比(謝孟修，2007) 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Rock block aspect ratio
ψ (d eg re es )
圖 2- 42 岩塊長短軸比值對ψ角之影響趨勢(謝孟修，2007)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Rock block aspect ratio
U l t i m a t e D e v i a t o r i c S t r e s s ( M P a )
confining pressure 200kPa confining pressure 400kPa confining pressure 800kPa
圖 2- 43 岩塊長短軸比值對軸差應力之影響趨勢(謝孟修，2007) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Rock block aspect ratio
c( kP a)
圖 2- 44 岩塊長短軸比值對 c 值之影響趨勢(謝孟修，2007)
100 110 120 130 140 150 160 170 180 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Rock block aspect ratio
Yo u ng ' s mo du l us ( MP a )
confining pressure 200kPa confining pressure 400kPa confining pressure 800kPa
圖 2- 45 岩塊長短軸比值對 E 值之影響趨勢(謝孟修，2007)
2.5
力學試驗之數值模擬
力學試驗之數值模擬
力學試驗之數值模擬
力學試驗之數值模擬
藉由數值模擬以模擬或預測各種實驗室之力學試驗結果，常可有助於瞭解微 觀之材料力學行為，譬如不少學者即運用 PFC 軟體探討顆粒性組合材料（含土壤、 岩石、與粉末）之各種力學行為，這種目的之數值模擬可視之為一種「虛擬力學 試驗」。 Cundall(2004)以 PFC 軟體建立數值模型探討微觀參數反應在巨觀材料之行 為，藉由模擬三軸、單壓試驗，將微觀材料參數輸入求算出巨觀材料參數之結果 如表 2- 9，模擬之結果凝聚力 c 真實試體之 c 高出許多，而摩擦角ψ比真實試體 還低。表 2- 9 模擬與真實試體參數比較(Cundall，2004) 真實試體 PFC 2D PFC3D E(Gpa) 69 70.9 69.2 ν 0.26 0.237 0.256 qu (MPa) 200 199 198.8 c(MPa) 30 58.5 55.1 ψ( ° ) 59 29.5 32.1 張家銓(2007)也以三維 PFC3D 軟體模擬圓形顆粒元素間之微觀非連體力學行 為，試著將建立顆粒微觀參數與整體巨觀材料參數間相互關係。模擬之試體是參 照黃國忠(2007)對花蓮大理岩試體經實驗後材料參數進行模擬，而將模擬試體設 定為六面牆組立成之方形柱如圖 2- 46，模擬之材料幾何參數如表 2- 10。 表 2- 10 材料幾何參數(張家銓，2007) 尺寸大小 尺寸大小 尺寸大小 尺寸大小(mm)(mm)(mm)(mm) 138.65138.65138.65138.65××55.46 (H××55.46 (H55.46 (H55.46 (H××××D) D) D) D) 孔隙率 孔隙率 孔隙率 孔隙率(%)(%)(%)(%) 35353535 顆粒粒徑 顆粒粒徑 顆粒粒徑 顆粒粒徑(mm)(mm)(mm)(mm) 1.58~2.621.58~2.62 1.58~2.621.58~2.62 密度 密度 密度 密度(kg/m(kg/m(kg/m(kg/m3333 ) )) ) 26302630 26302630
