礫石層組構特性對逆斷層引致複合地層變形之影響

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國立臺灣大學工學院土木工程學系碩士論文

Department of Civil Engineering College of Engineering

National Taiwan University Master Thesis

礫石層組構特性對逆斷層引致複合地層變形之影響 The Influence of Gravel Fabric on Deformation of

Composite Strata Induced by Thrust Faulting

洪千惠 Chien-Hui Hung

指導教授：林銘郎博士 Advisor: Ming-Lang Lin, Ph.D.

中華民國 109 年 6 月

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致謝

此篇論文得以完成，首先要感謝指導教授林銘郎老師的用心指導，老師對於工程地質的熱忱與專業以及對於研究的獨到眼光激勵我持續的學習與進步。感謝口試委員張光宗教授、黃文昭教授及楊國鑫教授對於本研究提出的問題與寶貴建議，讓此篇論文更加完整。感謝科技部計畫的專案補助（計畫編號：106-2221-E- 002-085-MY2），使得研究順利完成。

碩士班兩年期間，再次感謝林銘郎老師的帶領，讓我從野外調查、課堂教學與學術研究都得到了珍貴的經驗。謝謝曾經在工程地質實驗室共事的健宏學長、承翰學長、沛宸學長、鈞元學長、劭儒學長、育瑄、忠勳和儒雅的協助與陪伴，大家各有所長，一起出野外、做研究和玩樂的日子裡，我從各位的身上學習成為一個更厲害、更溫柔的人。特別感謝博士班的健宏學長和承翰學長，提供研究上許多的建議與方向，因為我總是想得太多。謝謝大地組的同學在課業上的照應並分享玩樂的喜悅，也謝謝文心在碩士班剛開學時的照顧與生活上的關心。

兩年前來台大大地組的決定有些倉促，謝謝宋見春老師和賴啟銘老師的支持與推薦，讓我擁有碩士班的經歷且著實不虛此行。最後由衷感謝父母與家人在精神上和經濟上的無條件支持，讓我在台北順利完成碩士學位，而且每次回高雄都受到最高級的招待，謝謝你們。

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摘要

根據近年世界著名災害性地震之調查結果，顯示鄰近斷層帶結構物受到地震破壞之原因，除了激發強烈暫態的地震波之外，還有斷層基盤錯動所引致之近地表岩土層變形。過去關於活動斷層引致上覆土層的變形行為與結構互制之研究中，多將覆土材料簡化為圓球狀顆粒的砂層或黏土層，礫石層多變的組構並未被充分考慮。臺灣 33 條活動斷層中，有 29 條活動斷層的近地表有礫石層分布，從斷層帶附近之露頭觀察與斷層槽溝開挖，可以證實斷層基盤上覆非均質的複合地層是普遍存在的，且堆積礫石層中含有不同排列方向、不同形狀、不同尺寸的礫石。

本研究探討含有礫石層之複合地層受逆斷層錯動引致的變形行為，利用小尺度物理砂箱試驗與離散元素法數值模擬軟體（PFC^3D）分別進行基本行為觀察與定量分析，物理砂箱試驗的成果亦用來校核數值分析中的所需的微觀參數。複合地層變形結果顯示，礫石層中的斷層滑動面傾角較緩且發展距離較小，地表影響範圍與三角剪切帶範圍往上盤擴大。礫石層的組構特性由不同體積含量、不同排列方式與不同長徑比的橢球形礫石顆粒所控制，高礫石體積含量與較大的長徑比使礫石層的斷層滑動面發展距離較小；高礫石體積含量以及礫石的長軸方向與斷層滑動方向愈不一致的情況下會讓三角剪切帶的範圍明顯往上盤擴大，礫石排列方式亦影響礫石最後的長軸方向。此外，礫石的轉動特徵指示了三角剪切帶範圍，具有長徑比的礫石可做為觀察礫石層變形行為的指標，且隨著基盤抬升比愈高，礫石旋轉的範圍往下盤擴大，旋轉角度持續增加。

從竹山槽溝剝片取得竹山槽溝的礫石層組構之後，進一步利用數值分析工具模擬了竹山槽溝北牆的變形演育，斷層滑動面發展順序、地質構造演變過程、礫石層變形前緣的礫石轉動情形、生長地層與地層侵蝕作用可被合理重現。

關鍵字：逆斷層、礫石層、複合地層、砂箱試驗、離散元素法、竹山槽溝五次斷層活動逆推

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ABSTRACT

According to the investigations of well-known disastrous earthquakes in recent years, ground deformation induced by faulting is one of the causes for engineering structure damages in addition to strong ground motion. Previous studies which related to the deformation behavior of overburden soil induced by faulting and its impact on structures often simplify the overburden soil as spherical particles like sandy soil or clay, the complex fabric of gravel layer haven’t been fully considered. However, among the 33 active faults in Taiwan, there are 29 active faults with gravel layer distributed near the ground surface. Moreover, based on the trench excavation results in the fault zone, nonhomogeneous composite strata with gravel deposits in different arrangement, shapes and sizes overlay on the basement fault are common.

A small-scale physical sandbox experiment and discrete element method numerical analysis(PFC^3D) are conducted to figure out the basic behavior and do the quantitative analysis. Results from sandbox experiment are also used to calibrate microscopic parameters in numerical analysis. The deformation results of the composite strata show that the fault sliding surface in the gravel layer has a smaller dip angle and a slower development. The triangular shear zone in gravel layer is bigger that extends upward to the hanging wall. The fabric of the gravel layer are controlled by ellipsoidal gravel particles with different volume contents, arrangement and aspect ratios. Higher gravel volumetric content and the larger aspect ratio of gravels make the gravel layer more difficult to deform that developing a shorter fault sliding surface. The volumetric content and the arrangement of gravel mainly affect the range of the triangular shear zone, and the arrangement of gravel also affects the final deposition direction of the gravel. In

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deformation behavior of the gravel layer. As the uplift ratio increasing, the rotation region of gravel expands into the footwall, and the rotation angle continues to increase.

After obtaining the fabric properties of the gravel layer from the stripping of first excavation result of Chushan trench, a full scaled numerical simulation is conducted to identify the evolution of the north wall of the Chushan trench under repeated thrust faulting. The development sequence of fault sliding surface, the evolution of geological structure, the gravel rotation characteristics at the front of the gravel layer deformation, the growth strata and erosion can be appropriately replicated.

Keywords: thrust faulting, gravel layer, composite strata, sandbox experiments, discrete element method（PFC^3D）, inversion of active faulting of Chushan trench

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圖目錄

圖 1. 1 2012 年版臺灣活動斷層分布圖 ... 3

圖 1. 2 各研究方法整合循環圖 ... 6

圖 1. 3 研究流程圖 ... 7

圖 2. 1 不同上覆土層受逆、正斷錯動引致地表變形示意圖 ... 8

圖 2. 2 上覆土層受逆斷層作用的變形型態 ... 9

圖 2. 3 三角剪切帶運動學模式 ... 10

圖 2. 4 新城斷層篤行營區 1 號槽溝 ... 11

圖 2. 5 篤行營區 1 號槽溝北牆剖面 ... 12

圖 2. 6 礫石擠壓破裂現象 ... 12

圖 2. 7 大甲溪河階斷層露頭照片... 12

圖 2. 8 湖口斷層露頭照片 ... 13

圖 2. 9 Schafberg fault 槽溝內礫石層的礫石旋轉特性與破裂情形 ... 14

圖 2. 10 竹山槽溝南牆與斷層破裂跡 ... 15

圖 2. 11 竹山槽溝北牆 ... 15

圖 2. 12 竹山槽溝位置圖 ... 16

圖 2. 13 竹山槽溝南、北牆剖面 ... 17

圖 2. 14 竹山槽溝之沉積單元 ... 18

圖 2. 15 保存於車籠埔斷層保存園區之竹山槽溝... 19

圖 2. 16 保存於車籠埔斷層保存園區之槽溝剝片礫石層部分 ... 19

圖 2. 17 不同上覆土層之變形行為 ... 20

圖 2. 18 逆斷層砂箱試驗與 ABAQUS2D 數值分析模擬 ... 21

圖 2. 19 逆斷層砂箱試驗與 PFC3D 數值分析模擬 ... 22

圖 2. 20 數值分析中的土壤顆粒形狀與粒徑分布... 22

圖 2. 21 覆土層剪裂帶的發展情形 ... 23

圖 2. 22 不同緊密度之分層砂土層的地表變形 ... 23

圖 2. 23 霧峰槽溝剖面與斷層破裂跡發展位置 ... 24

圖 2. 24 霧峰槽溝受盲斷層錯動之數值模型 ... 24

圖 2. 25 數值分析模擬竹山槽溝南北牆之構造差異 ... 25

圖 2. 26 垂直與水平沉積排列之礫石層開挖結果... 28

圖 2. 27 不同顆粒形狀之自由落體試驗 ... 28

圖 2. 28 不規則排列與水平排列之三合圓顆粒落門試驗 ... 28

圖 2. 29 PFC^2D雙軸試驗模型示意圖與模擬結果 ... 29

圖 3. 1 砂箱礫石之採集過程（現地篩分析） ... 31

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圖 3. 5 砂箱礫石之長徑比 ... 34

圖 3. 6 砂箱礫石之粒徑分布曲線... 34

圖 3. 7 色砂與標籤礫石鋪設情形... 35

圖 3. 8 砂土霣降設備 ... 36

圖 3. 9 砂土霣降器開口及霣降高度之率定試驗結果 ... 37

圖 3. 10 砂箱試驗準備過程 ... 37

圖 3. 11 PFC^3D之運算邏輯 ... 39

圖 3. 12 比照彈性梁之變形特性示意圖 ... 40

圖 3. 13 顆粒勁度與接觸勁度之關係 ... 40

圖 3. 14 砂箱數值逆斷層推動示意圖 ... 42

圖 3. 15 小尺度砂箱數值模擬配置圖 ... 43

圖 3. 16 砂箱內各高度的孔隙率監測 ... 44

圖 3. 17 數值分析中的礫石橢球顆粒 ... 46

圖 4. 1 新城斷層野外地點與軌跡... 47

圖 4. 2 河道礫石之覆瓦狀構造 ... 48

圖 4. 3 頭前溪右岸的新城斷層露頭 ... 48

圖 4. 4 三義斷層露頭 ... 49

圖 4. 5 三義斷層斷層尖端附近之礫石旋轉情形 ... 49

圖 4. 6 竹山槽溝北牆剝片礫石顆粒描繪 ... 50

圖 4. 7 影像分析捕捉的礫石 ... 51

圖 4. 8 逆斷層作用引致上覆土層斷層擴展及擴展路徑示意圖 ... 52

圖 4. 9 單一砂層砂箱各抬升比之斷層滑動面發展與擴展距離（逆斷層傾角 30°） ... 53

圖 4. 10 複合地層砂箱試驗配置圖 ... 54

圖 4. 11 複合地層砂箱各抬升比之斷層滑動面發展與擴展距離（逆斷層傾角 30°） ... 55

圖 4. 12 複合地層砂箱各抬升階段之礫石旋轉角度 ... 57

圖 4. 13 砂箱試驗各抬升比之礫石最大旋轉角度... 57

圖 4. 14 單一砂層與複合地層砂箱試驗之斷層擴展距離 ... 58

圖 4. 15 單一砂層砂箱之斷層滑動面發展比對（逆斷層傾角 30°） ... 60

圖 4. 16 單一砂層砂箱之地表變形比對（逆斷層傾角 30°） ... 60

圖 4. 17 複合地層砂箱之斷層滑動面發展比對（逆斷層傾角 30°） ... 61

圖 4. 18 複合地層砂箱之地表變形比對（逆斷層傾角 30°） ... 61

圖 4. 19 地表變形與地表變形斜率之回歸式 ... 62

圖 4. 20 單一砂層砂箱與複合地層砂箱之地表變形斜率與總地表影響範圍 ... 63

圖 4. 21 單一砂層砂箱與複合地層砂箱之地表影響範圍（抬升比 0.25） ... 63

圖 4. 22 複合地層砂箱與數值模型的礫石旋轉角度（逆斷層傾角 30°） ... 65

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圖 4. 24 抬升比 0.1~0.25 之礫石旋轉角度 ... 68

圖 4. 25 抬升比 0.25 時的礫石位置與旋轉角度分布（斷層尖端初始位置 x=45cm） ... 69

圖 4. 26 新城斷層篤行營區 1 號槽溝之礫石旋轉角度 ... 70

圖 4. 27 單一砂物理砂箱與複合地層物理砂箱之三角剪切帶範圍 ... 71

圖 4. 28 單一砂砂箱與複合地層砂箱數值模型之三角剪切帶範圍 ... 72

圖 4. 29 砂層與礫石層之地層變形比較 ... 75

圖 4. 30 四種砂層與礫石層組合砂箱之地表變形斜率與地表影響範圍 ... 76

圖 4. 31 四種砂層與礫石層組合砂箱之地表影響範圍（抬升比 0.25） ... 76

圖 4. 32 不同礫石體積含量之礫石層的地層變形樣貌 ... 78

圖 4. 33 單斜構造的種類 ... 78

圖 4. 34 礫石體積含量 20%與 70%的滑動面發展過程 ... 79

圖 4. 35 不同礫石長徑比之礫石層的地層變形樣貌 ... 80

圖 4. 36 不同礫石初始沉積角度之礫石層地層變形樣貌 ... 82

圖 4. 37 三角剪切帶內的礫石最終沉積角度 ... 82

圖 4. 38 更新測量球位置示意圖 ... 83

圖 4. 39 抬升比為 0.1 時的應變分布 ... 84

圖 4. 40 礫石旋轉量與應變分布 ... 85

圖 5. 1 集集地震引致地表變形之地質構造剖面 ... 86

圖 5. 2 車籠埔斷層的地震歷史 ... 87

圖 5. 3 模型尺寸與初始狀態 ... 88

圖 5. 4 礫石面積含量計算示意圖... 89

圖 5. 5 礫石體積含量與礫石面積含量關係圖 ... 89

圖 5. 6 集集地震後的變形結果與竹山槽溝比對圖 ... 93

圖 5. 7 三角剪切帶與斷層滑動面... 93

圖 5. 8 礫石旋轉情形比對圖 ... 94

圖 5. 9 地震事件 E4 後的地層變形 ... 95

圖 5. 12 集集地震後的地層變形 ... 98

圖 5. 13 不同剖面之地層變形形貌 ... 100

圖 5. 14 槽溝南北牆剖面復原圖 ... 101

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表目錄

表 1. 1 台灣活動斷層參數資料表... 4

表 3. 1 標準石英砂之基本物理性質 ... 34

表 3. 2 砂箱礫石與篤行營區礫石之長徑比比較 ... 35

表 3. 3 小尺度砂箱之微觀參數 ... 45

表 3. 4 小尺度數值分析試驗規劃... 46

表 4. 1 影像分析捕捉的竹山槽溝北牆礫石尺寸數據 ... 51

表 4. 2 不同礫石組構特性之變形結果比較 ... 82

表 5. 1 全尺度砂箱之微觀參數 ... 90

表 5. 2 槽溝北牆剖面復原圖及地質事件整理 ... 91

表 5. 3 竹山槽溝各地震事件後之變形結果比較 ... 99

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符號表

∆H 斷盤垂直抬升量 vertical displacement of bedrock H 地層厚度 thickness of strata

W 斷層擴展距離 fault extension distance E 楊氏模數 Young's modulus

ν 柏松比 Poisson's ratio c 凝聚力 cohesion ϕ 摩擦角 friction angle

ψ 膨脹角 angle of dilatancy n 孔隙率 porosity

R (Ball radius) 數值球顆粒半徑 numerical ball size (PFC^3D) kn 正向勁度 normal stiffness (PFC^3D)

ks 切向勁度 shear stiffness (PFC^3D) E^* 有效模數 effective modulus (PFC^3D)

κ^* 勁度比 normal-to-shear stiffness ratio (PFC^3D) 𝜇 (Fric)

α

摩擦係數 friction coefficient (PFC^3D) 斷層尖端與三角剪切帶範圍的夾角

𝜀_𝑥𝑥 應變張量（xx 方向）strain tensor component 𝛾 工程剪應變 Engineering Strain

AG/VG 礫石所占面積/體積 gravel area/volume content At/Vt 分析總面積/體積 total area/volume

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第 1 章緒論

1.1 研究動機

台灣位於板塊擠壓交界帶，斷層錯動十分活躍，根據地調所 2012 年出版之臺灣活動斷層分布圖（圖 1. 1）及地震地質與地變動潛勢分析計畫及重要活動斷層構造特性調查的研究成果（表 1. 1），目前共有 33 條活動斷層，且滑移特性多屬於逆移斷層。活動斷層是指過去近期曾經活動，並可能在未來再次發生錯動的斷層。斷層一旦發生錯動，除了激發暫時且強烈的地震波外，還有基盤（bedrock）錯動所造成的近地表永久或塑性變形。台灣土地空間有限，許多人工結構物及其基礎、隧道與維生管線不可避免的建設於斷層的影響範圍內，了解基盤之上的地層變形行為與範圍有助於減少與防止地震災害。

綜觀 33 條活動斷層中，絕大多數活動斷層位於山麓地區或沖積平原，上覆土層除了砂土、黏土外，礫石層亦為常見的地層，其中高達 29 條活動斷層的近地表有礫石層分布（表 1. 1）。透過現地斷層帶附近之露頭觀察與斷層槽溝開挖，地層通常由不同種地層堆疊成複合地層，且由不同大小、不同粒形或不同排列方式的礫石組成之堆積礫石層是普遍存在的。以竹山槽溝為例，階地礫石層與黏土質粉砂層被車籠埔斷層多次錯動的破裂跡切穿與變形；篤行營區 1 號槽溝亦紀錄有新城斷層通過砂層與礫石層互層變形樣貌，礫石呈現不同方向的排列，甚至被捲入斷層帶中。

過去利用離散元素法探討活動斷層引致上覆土層的變形行為或與結構互制之研究，多將覆土材料簡化為圓球狀顆粒且不具凝聚力的砂層或圓球狀顆粒且具有凝聚力的黏土層，討論斷層擴展距離、斷層破裂跡發展與三角剪切帶範圍，礫石層的組構特性並未被充分考慮。

與砂土層相比，同樣由顆粒主控力學行為的礫石層邊坡有良好的自立性，故多認為礫石層的力學機制與其他地層不同，目前並無合理的分析方法可用（褚炳麟，

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1996）。觀察高礫石含量的礫石層邊坡，經常含有大粒徑、呈現橢球形且固定方向排列之卵礫石顆粒，其自立性應歸因於橢球顆粒之間的互鎖效應。故本研究嘗試透過顆粒力學的角度模擬礫石層受斷層作用後的變形行為，探討不同礫石體積含量、

長徑比與排列方式之礫石層對於地表變形、斷層擴展距離、斷層滑動面發展、地表影響範圍與三角剪切帶範圍的影響。此外，由於礫石顆粒的大小在野外可由肉眼辨識，因此可以透過觀察礫石顆粒的旋轉特性來判釋三角剪切帶範圍與推測斷層之錯動歷史，做為量化礫石層變形行為的重要指標。

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圖 1. 1 2012 年版臺灣活動斷層分布圖（經濟部中央地質調查所，2012）

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表 1. 1 台灣活動斷層參數資料表（改自經濟部中央地質調查所，2010）

2010.05版平行斷層走向垂直斷層走向精密水準GPS地質證據 22-0.6±5.2-1.2±6.2-2.22.1±10.22.2 13-1.3±5.8-5.0±7.4-10.82.3±12.31.8/1.2 楊梅層二21逆移~40/南0.2±3.24.1±4.2-2.11.2±7.81.7±0.8<70000(6.6) 店子湖層、頭嵙山層二10逆移兼右移~45/南0.9±2.52.9±2.6-2.30.9±8.4~1更新世晚期(6.2) 頭嵙山層一29逆移~30/南0.2±3.01.2±2.5-7.8-0.3±7.9~10.7~1.6/0.2~1.32000<300(6.8) 無一11逆移>60/西-0.7±1.60.9±2.72.1±7.21.3A.D. 19357.1/(6.3) 頭嵙山層、沖積層一34逆移40-60/東-0.20.7-0.1-14.520~34.5全新世？(6.8) 840-50/東1.3±2.92.9±3.1-2-4.1±8.91.7~5.5/ 3.6±1.9552 23/東0.3±2.60.2±1.8-3.12.4±8.4 頭嵙山層、沖積層一13逆移/西1.3±2.92.9±3.10.4-4.1±8.9全新世？(6.4) 紅土台地堆積層一14右移/高角度-3.21.50.145.2~12.7141A.D. 19357.1/(6.4) 頭嵙山層、沖積層一36逆移/東-0.9±2.13.5±2.46.39.2±4.14.3~10.32.0~6.8407全新世？(6.9) 38-3.6±3.24.1±5.04.112.8±9.23.47 38-7.2±7.113.4+±8.23.93.4±6.1 頭嵙山層一69逆移~45/東-34.24.13.58.7~47.82894A.D. 1999(7.2) 頭嵙山層、沖積層二16逆移20-30/東0.8±2.62.3±3.9-15.34.7±8.914.3~20.70.7~0.9199<18540(6.5) 紅土台地堆積一15右移>601.6±3.20.9±3.3-0.85.8±2.35.3162A.D. 19067.1/(6.4) 頭嵙山層一29逆移兼右移>60/東2.6±3.90.5±3.8-11.613.6±10.7A.D. 1999(6.7) 階地堆積層二7逆移/東2.3±2.92.3±2.99.3±8.45.6±2.0 / 6.33±0.0615.1~22.912.7/11.2±4.0430更新世晚期(6.0) 沖積層一16逆移兼左移~30/東2.0±3.62.3±2.90.39.3±8.45.6±2.0/ 6.33±0.0612.7/11.2±4.0430<10000(6.5) 頭嵙山層一27逆移50-60/東3.2±4.211.1±3.43.13.8±7.25.3~16.71314<10000(6.8) 階地堆積層一6右移>608.8±3.91.6±4.2-53.2±8.911.4188A.D. 19466.1(6.0) 無二12逆移>35/西3.5±2.86.2±3.87-0.4±7.65~65.2~9.55.4~5.5936全新世晚期(6.3) 無二13左移>60/北-1.4±8.66.3±7.94.1±7.9更新世中晚期(6.2) 沖積層二8逆移~45/東3.6±2.88.6±3.19.7±8.94.4±0.6/ >3.3±1.114.1~20.2>5.7±1.4867更新世晚期(6.1) 無一26逆移~50/東4.2±5.75.4±7.2-3.6-1.2±13.4<5.0全新世(6.8) 沖積層、階地堆積層二90逆移70-80/東-1.1±3.40.3±1.8-3.66.9±8.4<5.0更新世晚期(7.3) 階地堆積層二16逆移/東-3.9±3.95.4±4.41-0.7±6.27.5±0.14/ >4.1±0.142.1更新世晚期(6.5) 米崙層、沖積層一8左移兼逆移~60-70/東-8.4±5.76.8±6.3-17.98.7±16.9A.D. 20187.3(6.1) 沖積層二236左移兼逆移/東-8.4±5.76.8±6.3-19.68.7±16.9A.D. 2018(6.8) 沖積層一24逆移兼左移40-60/東12.5~16.021.6~27.7/ 24±2170~210A.D. 1951(6.8) 階地堆積層二23逆移~80/東-6.5±2.34.1±8.73.97.9±10.1>2000/更新世晚期(6.8) 舞鶴礫岩、沖積層一23左移兼逆移~30/東-14.5±3.65.6±4.9-0.813.±17.612.5~16.01.9~2.2A.D. 19517.3(6.7) 沖積層一64左移兼逆移~67/東17~19115~16.512~2823.5~2726~30/ 15.6~17.050~125A.D. 20036.6(7.2) 階地堆積層一18逆移/東13~1526~3.0/ 5.5/ 1.855.42100<1890~2110(6.5) 沖積層二25逆移~67/東20~3010~202~3.012.2~13.3*6.5)

沖積層逆移頭嵙山層、沖積層逆移沖積層

(6.8) 一

一 6.6~24.9200~700/546~6.94A.D. 19997.3/(7.3)~40/東

全新世？

(6.9)

GPS跨斷層水平速度變化 (mm/yr)跨斷層垂直速度變化(mm/yr) 二正移>60/東

斷層傾角（度/傾向）短期滑移速率 (mm/yr)長期滑移速率 (mm/yr)再現週期(yr)最近一次活動時間 (yr)可能最大地震規模(M) <11000

台灣活動斷層參數資料表活動分類

斷層長度 (km)滑移特性近地表礫石層分佈1

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1.2 研究目的

本研究欲探討礫石層的組構特性對逆斷層引致複合地層變形之影響，本研究討論之地層變形包括斷層擴展距離、斷層滑動面發展、地表影響範圍與三角剪切帶範圍，礫石層又包括礫石的旋轉特性。研究目的條列如下：

1. 比較含有礫石層之複合地層與單一砂層地層受逆斷層作用後的地層變形。

2. 針對不同組構之礫石層進行一系列的數值模擬，探討由不同體積含量、不同排列方式與不同長徑比之礫石組成的礫石層變形行為影響。

3. 藉由礫石層中的礫石顆粒旋轉特性判釋三角剪切帶範圍，並建立旋轉角度與基盤抬升比的關係。。

4. 利用離散元素法模擬重現竹山槽溝北牆變形演育，比對含有礫石層之複合地層變形特徵與行為，驗證離散元素法應用於複合地層受多次斷層作用、生長斷層與生長地層之變形演育歷史之力學分析可行性。

1.3 研究方法與流程

本研究之方法學包含三個部分，現地調查、物理砂箱試驗以及數值分析，如圖 1. 2，配合研究流程圖如圖 1. 3，研究方法詳述如下：

1. 現地調查：

現地調查的目的在於觀察實際存在的現象、定義待解決的問題以及取得材料。本研究從野外調查與過去槽溝開挖的結果觀察礫石層的變形特徵；

從新城斷層附近的河床採集礫石，並利用影像自動辨識軟體分析礫石層組構特性。此過程可以協助簡化問題，更可以提供物理砂箱試驗與數值分析的配置參考、材料及材料性質。

2. 物理砂箱試驗：

斷層錯動的空間與時間尺度都相當大，且現地材料的組成複雜，因此執行現地試驗有其困難性。小尺度的模型試驗被用來探討含有礫石層之複

(19)

合地層受逆斷層作用的變形，掌握可以被觀察的現象，例如斷層破裂跡、

地表變形與礫石的轉動。砂箱試驗的結果可作為數值分析成果的比對依據，

但若要應用於現地，則必須要考慮尺寸效應。

3. 數值分析：

數值分析不受場地的限制，容易進行重複性試驗，而且可以定量分析。

使用數值分析時，要設定合理的邊界條件與輸入參數，其對於結果有重大影響，因此本研究透過砂箱試驗的成果校核數值分析中的微觀參數，驗證此方法的正確性。本研究使用數值分析軟體 PFC^3D（Particle Flow Code 3D）

來進行小尺度與全尺度的模擬，當小尺度模擬與砂箱試驗吻合後，則可以探討不同控制變因的影響；全尺度模擬用來討論竹山槽溝北牆的演育，了解此真實案例的發生過程，並驗證數值方法的可行性。

圖 1. 2 各研究方法整合循環圖

(20)

圖 1. 3 研究流程圖

(21)

第 2 章文獻回顧

2.1 斷層錯動引致地表變形

斷層的錯動表示斷層兩側的岩層產生了相對位移。活動斷層所在的岩層上方經常被尚未膠結的土層所覆蓋，因此斷層錯動的能量會導致相對軟弱的土層發生變形，形成斷層帶（fault zone）。在斷層作用下，發生相對位移為主的堅硬岩層稱之為基岩（Bedrock），而覆蓋之上的土層稱之為上覆土層（overburden soil）。

Bray et al.（1994）整理過去世界各地發生大地震後的斷層破裂跡的產狀以及上覆土層變形特徵，並根據斷層種類與上覆土層性質加以分類，歸納出影響地表變形的重要因素有斷層面位態、斷層種類、斷層錯動量、上覆土層的性質（圖 2. 1），然而此研究將上覆土層視為單一土層，尚未考慮地層的分層特性。

(22)

Kelson et al.（2001）整理了集集大地震後車籠埔沿線的地表變形，逆斷層的錯動對於上覆土層變形特徵在下盤、斷層崖（fault scarp）和上盤有不盡相同之處，且其上的人工構造物也有不同的破壞模式。野外調查的結果顯示位在下盤的土壤不會或受到很小程度的變形，斷層崖附近會劇烈變形，上盤則有多樣貌的變形模式，

研究將逆斷層引至的地表變形分為 5 類（圖 2. 2）。竹山槽溝的地表變形屬於圖中的(a)類，地表變形集中在地表變形前緣，且沒有產生背衝斷層，然而此研究尚未討論竹山槽溝中含有礫石層之複合地層變形特性。

圖 2. 2 上覆土層受逆斷層作用的變形型態（Kelson et al., 2001）

(23)

野外所觀察到的現象需搭配相關理論來支持研究的合理性。斷層引致地表變形的研究經常使用三角剪切帶運動學模式（Trishear model）來解釋上覆土層的變形行為（Erslev, 1991; Zehnder & Allmendinger, 2000; Lin et al., 2006）。三角剪切帶的運動學模式一開始是為了解釋斷層擴展褶皺（fault-propagation fold）的形貌，因為急折帶運動學模式（kink-band model）無法說明在野外觀察中經常看到斷層引致的地表變形為一曲面的現象，以及土體中複雜的應變分布（Erslev, 1991）。此運動學模式假設斷層是單一的滑動面且剪切帶內的材料體積不變，當斷層在基岩中錯動而將能量向外、向上傳遞時，會形成一個應變集中，形狀為三角形的剪動帶

（Allmendinger, 1998）。控制三角剪切帶發展的頂點為斷層破裂尖端（fault tip），

隨著斷層的滑動，斷層破裂尖端也會逐漸向上發展，因此三角剪切帶會隨著斷層的錯動而演變。如圖 2. 3的應變橢圓所示，愈靠近斷層尖端的土壤，其變形愈大。而灰色虛線包含的土壤都有變形，該區域即為從斷層開始滑動至停止滑動時，曾經是，

或正是三角剪切帶的範圍。在本研究中，定義三角剪切帶的範圍如同灰色虛線所示。

圖 2. 3 三角剪切帶運動學模式（修改自Allmendinger, 1998）

然而有時基岩之上的岩層強度非常軟弱，亦可能形成斷層帶，例如風化泥岩受到車瓜林斷層的錯動而形成三角剪切帶，使得國道三號田寮 3 號橋與中寮隧道北口變形（李健宏等人，2018）。因此斷層錯動引致的地表變形可能包含了「上覆土

(24)

2.1.1 複合地層與礫石層受斷層錯動之案例

過去現地調查在描述地表破裂的形貌時，多將上覆土層視為同一種材料，然而自然界的地層很少是單一材料而且均質的，通常會由不同種類的地層堆疊而成，根據組成的顆粒大小可區分為礫石層、砂層、粉砂層與黏土層。砂層、粉砂層屬於不具凝聚力的顆粒性材料，在後續的文獻回顧中最常被拿來討論；黏土層是有凝聚力的材料，部分學者亦有討論斷層在黏土層中的發展情形。目前礫石層與斷層的互制關係很少被探討，但有許多野外露頭可以證實斷層也經常通過礫石層，且沉積於礫石層中的礫石受斷層錯動後有不同的排列樣貌。

國內斷層槽溝的開挖，經常可見上覆礫石層的變形行為：新城斷層篤行營區 1 號槽溝北牆可以觀察到卓蘭層逆衝到晚更新世的河流相砂礫層之上，受擾動的河道礫石層之中的礫石長軸方向不一，甚至看到幾乎直立的礫石夾雜在地層中，且部分礫石被捲入斷層滑動面（圖 2. 4）。陳文山等人（2003）繪製之槽溝剖面示意圖如圖 2. 5，槽溝開挖範圍內之上下盤無可比對的沉積層，又礫石層中缺乏可定年的材料，上下盤的河道礫石層厚度差異甚大，對應關係尚待釐清，故無法判斷曾經發生有幾次古地震事件及其發生時間。

(25)

圖 2. 5 篤行營區 1 號槽溝北牆剖面（陳文山等人，2003）

三義斷層於大甲溪河階之露頭可觀察到礫石受地震應力擠壓破裂，三義斷層的分支斷層截切與錯移紅土階地礫石層及灰黑色土壤層（圖 2. 6、圖 2. 7）。此露頭觀察從層位高度差判斷三義斷層分支在此處造成約 50cm 的垂直移距，但尚未討論礫石旋轉特性與斷層錯移之關聯性。

圖 2. 6 礫石擠壓破裂現象（梁勝雄、陳建良，2016）

圖 2. 7 大甲溪河階斷層露頭照片（梁勝雄、陳建良，2016）

由於礫石層內之礫石因為肉眼容易辨識其位置與分布，有些關於古地震的研究也使用礫石層的排列方式判釋曾經活動的斷層，例如，桃園地區湖口斷層之露頭

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背衝斷層為活斷層（圖 2. 8），然而礫石的排列情形與斷層滑動面的位置關係並未被定量討論。Kübler et al.（2018）於德國 Schafberg fault 通過的河階地開挖槽溝，

Schafberg fault 為ㄧ條曾經造成板塊內地震的高角度正斷層。槽溝剖面有泥層、粉砂層、砂層與粗顆粒的礫石層，其研究描繪了槽溝剖面上裂成兩半且有相對位移的礫石顆粒，以及其他礫石顆粒的長軸位態。藉由礫石的變形樣貌觀察到在主要變形區中的礫石之長軸方向有較大的旋轉角度，且斷層錯動使得礫石有垂直位移，或可見部分礫石被斷層破裂跡剪裂（圖 2. 9）。此研究強調了古地震的研究可以透過觀察如礫石破裂與旋轉這樣細微的地貌特徵，來證明活動斷層的存在，然而此研究尚未建立礫石旋轉量與斷層錯移量的關係。

圖 2. 8 湖口斷層露頭照片（朱傚祖，2012）

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圖 2. 9 Schafberg fault 槽溝內礫石層的礫石旋轉特性與破裂情形（Kübler, S. et al., 2018）

2.1.2 竹山槽溝挖掘調查

位於竹山鎮的竹山槽溝是集集地震後最知名的挖掘調查，在 2002 年時第一次被開挖研究斷層活動的歷史（圖 2. 10、圖 2. 11），竹山槽溝開挖的方向為東北—西南走向，經過此處的車籠埔斷層錯動了階地堆積層以及沖積層，且附近的鑽孔可鑽

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圖 2. 10 竹山槽溝南牆與斷層破裂跡（劉啟川攝於 2002 年）

圖 2. 11 竹山槽溝北牆（林銘郎攝於 2002 年）

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圖 2. 12 竹山槽溝位置圖（Chen et al., 2007）

竹山槽溝的剖面清晰且獨特，紀錄了車籠埔斷層曾經在此有 5 次錯動歷史，

又僅距離 14m 之南北牆地質構造發育不同。竹山槽溝兩側溝壁呈現了兩種褶皺—

逆衝斷層的褶皺構造結構，北牆類似於斷層擴展褶皺（fault-propagation fold），南牆屬於斷層轉折褶皺（fault-bend fold）（圖 2. 13）。

Huang et al.（2016）將竹山槽溝的開挖剖面之沉積單元分為 9 層（圖 2. 14），由最上層至最下層分述如下：Unit0 為人工填土層；Unit1 為受到農耕擾動的淺灰色粉砂質黏土層，與下層交角不整合；Unit2 為黃棕色黏土質與砂質粉土層夾透鏡狀礫質砂；Unit3 為棕色砂質與黏土質粉砂層，還有深紫色的有機質泥質與砂質粉砂層，這兩種顏色的粉砂層交互出現，可清楚的看出四條帶狀分層在此層上。Unit4 為藍灰色的泥質與砂質粉砂層；Unit5 為棕色砂質與黏土質粉砂層，夾有兩層藍灰

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包含有礫石的沉積層為 Unit7 與 Unit8。Unit7 為砂質與黏土質粉砂層夾透鏡狀沉積礫石，其中的礫石粒徑為細礫至卵石（4mm ~ >64mm），呈現稜角狀。最底層 Unit8 為階地礫石層，由濁水溪夾帶著來自中央山脈的石英質礫石堆積而成，粒徑分布從細礫至巨礫（4mm ~ >256mm），是肉眼非常容易看見的大小。

有鑑於竹山槽溝極具研究與展示的價值並免於被颱風摧毀，於是 2005 年時利用了槽溝剝片保留第一次開挖的地質剖面樣貌，且原址於 2012 年擴挖並於隔年建立車籠埔斷層保存園區，至今竹山槽溝南北牆與槽溝剝片仍被完好的保留在館內

（圖 2. 15、圖 2. 16）。

圖 2. 13 竹山槽溝南、北牆剖面（Chen et al., 2007）

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圖 2. 14 竹山槽溝之沉積單元（修改自Huang et al., 2016）。地層上標註的英文字可對應Chen et al.（2007）繪製之槽溝剖面示意圖。

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圖 2. 15 保存於車籠埔斷層保存園區之竹山槽溝（攝於 2019 年）

圖 2. 16 保存於車籠埔斷層保存園區之槽溝剝片礫石層部分 2.1.3 自由場物理砂箱試驗

研究上覆地層受斷層作用後的變形行為雖然可以透過現地調查或空拍照片來描繪地表破裂跡，但地層中的變形範圍或斷層滑動面位置卻由於尺度過大而難以調查，故在室內操作的物理砂箱試驗即彌補了以上的不足，可提供基本的行為觀察。

Cole & Lade（1984）利用 1g 重力場砂箱試驗觀察無凝聚性之鬆砂與緊砂受不同斷層傾角的正、逆斷層的斷層破裂面擴展路徑，結果顯示上覆土層的厚度、剪脹角以及斷層的傾角會影響斷層破裂面的發展。Bray et al.（1993）利用 1g 重力場砂箱試驗觀察具有凝聚力之飽和黏土的變形行為，其研究指出剪切帶的厚度與基盤抬升量以及黏土的破裂應變有關。

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由於在自然環境中堆積的沉積物很少是均質且均向的，故Tali et al.（2019）使用離心機砂箱試驗探討上覆土層為砂與黏土質砂的變形行為，比較單一砂層、砂層上覆黏土質砂層（厚度 1：1）、黏土質砂層上覆砂層（厚度 1：1）與單一黏土質砂層的地表變形、斷層滑動面發展與三角剪切帶範圍。試驗材料使用淨砂（Firoozkuh sand No.161）做為砂層，而黏土質砂則使用淨砂與高嶺土以重量比 3：1 混合。研究結果顯示單一砂層的斷層滑動面最早發展到地表，此時的基盤抬升比（∆H/H）

為 5.6%，且斷層滑動面發展至近地表的傾角較大。當不同覆土層堆疊時，斷層滑動面的傾角在土層交界處會改變，砂層中的斷層滑動面傾角會比較大（圖 2. 17(a)）。另外，單一砂層受斷層作用後的地表抬升量較多、斷層崖較陡，斷層滑動面傾向於沿著既有的破裂面持續滑動，故地表影響範圍較小（圖 2. 17(b)）。

圖 2. 17 不同上覆土層之變形行為(a)第一條斷層滑動面發展情形(b)抬升比 0.14 時的三角剪切帶範圍與破裂跡發展位置（Tali et al., 2019）

(34)

2.1.4 自由場小尺度數值分析

小尺度數值分析是基於物理砂箱試驗的成果。從物理砂箱試驗觀察到基本行為後再進行小尺度分析，進一步探討參數敏感度且可以量化分析結果。

臺灣大學工程地質研究室併用物理砂箱試驗與數值分析方法，探討斷層錯動引致的地表與地層的變形以及斷層與結構物的互制關係，探討項目包含不同的斷層型式、上覆土層種類以及不同的結構型式，但在此小節僅回顧自由場的模擬內容。

數值分析一開始使用連續體分析程式，鍾春富（2007）使用 ABAQUS^2D探討單一上覆土層之變形行為，探討的斷層傾角和土壤參數包括楊氏模數（E）、柏松比（ν）、 凝聚力（c）、摩擦角（ϕ）與膨脹角（ψ）的影響，研究結果顯示斷層傾角、楊氏 模數及膨脹角是最主要的影響因素（圖 2. 18）。但因為連續體分析無法模擬斷層錯動引致的土壤大變形，亦無法模擬生長斷層，故近年來改用離散元素法數值模擬。

翁培軒（2016）探討平移斷層引致凝聚性覆土層之變形行為，使用高嶺土與水混合作為砂箱試驗中的黏土層，利用離散元素法 PFC^3D校核試驗結果並討論覆土深度、

錯移量對地表變形的影響。Li et al.（2019）進行無凝聚力砂土之逆斷層砂箱試驗，

利用離散元素法 PFC^3D 校核試驗結果並測定數值模擬之微觀參數，作為研究斷層與橋樑基礎互制的基本要素（圖 2. 19）。

圖 2. 18 逆斷層砂箱試驗與 ABAQUS2D 數值分析模擬(a)砂箱試驗照片及描繪圖 (b)數值分析之網格變形及與塑性應變帶（鍾春富，2007）

(35)

圖 2. 19 逆斷層砂箱試驗與 PFC3D 數值分析模擬(a)砂箱試驗(b)數值分析（Li el at., 2019）

Garcia & Bray（2018）利用離散元素法 PFC^3D探討顆粒材料在直剪試驗中，以及斷層錯動所產生的剪裂行為。其研究將土壤製作成非球形的顆粒集合（圖 2. 20），成功模擬出在直剪試驗中使用不同孔隙率土壤的壓縮與剪脹行為；在砂箱尺度數值分析試驗中，藉由觀察土壤顆粒旋轉、摩擦消散、剪應變、體積應變與接觸力可清楚的展現出斷層在覆土層中的剪裂帶（圖 2. 21）。

圖 2. 20 數值分析中的土壤顆粒形狀與粒徑分布（Garcia & Bray, 2018）

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圖 2. 21 覆土層剪裂帶的發展情形（Garcia & Bray, 2018）

上述研究均將覆土層假設為單一種地層來討論斷層引致之上覆土層變形。

Mortazavi Zanjani & Soroush（2019）利用有限元素法探討地表變形與斷層破裂跡在分層的不同緊密度之砂土層中的發展情形，土層模型由緊砂、中等緊砂和鬆砂以不同厚度和與排列順序交疊而成（圖 2. 22）。結果顯示在逆斷層推動的緊砂時，斷層跡在地表的位置較遠、土層中的變形區域較集中，鬆砂反之，而其他排列的地層變形結果則介於鬆砂與緊砂之間。

圖 2. 22 不同緊密度之分層砂土層的地表變形（Mortazavi Zanjani & Soroush, 2019）

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2.1.5 槽溝案例數值分析

使用離散元素法建立土層斷層錯動的數值模型有以下幾項優點：斷層錯動使得土壤大變形時仍可持續運算，由顆粒元素組成的地層可以分離，地層受力後，發生地層倒轉、變厚或變薄的現象可以真實呈現。Yang et al.（2014）利用二維離散元素法（PFC^2D）探討霧峰槽溝在地表附近形成之同震斷層擴展褶皺（圖 2. 23）。首先透過數值方法建立雙軸試驗與直接剪力試驗來校正離散元素法中的微觀參數，

並討論顆粒鍵結模型與鍵結強度的適用性。研究成果將土層模型設定為顆粒接觸鍵結模型（contact bond model），成功模擬出霧峰槽溝由盲斷層錯動造成的斷層擴展褶皺構造，地層厚度變化、複雜的斷層破裂跡發展順序與褶皺前翼地層倒轉等變形特徵（圖 2. 24）。

圖 2. 23 霧峰槽溝剖面與斷層破裂跡發展位置（Yang et al., 2014）

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徐家祥（2016）亦利用二維離散元素法（PFC^2D）討論竹山槽溝南北牆在構造上的差異。數值分析模型之地層依照現地土樣的力學性質分為上層黏土層與下層礫石層，由圓形鋼體顆粒與不同鍵結模型組成。研究成果將斷層假設為一次性錯動，

發現當主斷層傾角為 24 度時，礫石層主要受到側向應力擠壓，使得黏土層之向斜軸受到截切，類似於北牆之構造演育；當主斷層傾角為 32 度時，礫石層傾向向上推擠，黏土層之破裂方向傾向垂直方向，則類似於南牆的構造特徵（圖 2. 25，虛線為斷層演育可能發展的趨勢）。

圖 2. 25 數值分析模擬竹山槽溝南北牆之構造差異（徐家祥，2016）

上述槽溝案例在數值分析中建置土層時，都先透過 PFC 進行力學試驗模擬，

基於現地土層力學性質轉換成離散元素法數值分析中合理的微觀參數。兩研究之土層均由單一圓形顆粒組成，土層變形的結果都是由指準層與模型推動過程決定，

尚未考慮礫石層之組構特性。且竹山槽溝的模擬是假設斷層一次性錯動後的變形趨勢，但實際上竹山槽溝紀錄共 5 次地震事件，值得進一步分階段探討。

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2.2 礫石層之組構分類與工程特性

台灣西部的卵礫石層主要分布於西北部與中部之台地及麓山帶丘陵地，礫石顆粒形狀呈橢球狀至微扁平狀（Woo et al., 1982；禇炳麟，1982）。透過水流搬運沉積的礫石長軸有接近水平的特性，而礫石之間有時候可能會以低角度互相重疊形成覆瓦狀構造。褚炳麟（1996）認為卵礫石堆積層具有複雜的材料組成、地層組構與顆粒排列方向性，使得大地工程性質與行為有異於沖積土層與岩層。在台中八卦山區與林口台地附近，常見超過 30、40m 的自然高陡邊坡且其坡角維持高過 70°以上（蔡明欣等人，1995），顯示礫石材料在垂直於沉積方向上的剪力強度較高，比現地直剪試驗所求得知水平面剪力強度大，此現象即與礫石材料具有異向性有關。

礫石層特殊的工程性質可藉由現地調查加以探討，王文祥（1999）提出礫石邊坡的穩定性與礫石排列方式有關，礫石層的剪力強度與礫石淨間距有相當密切的關係；Chang & Cheng（2014）利用現地卵礫石層之坡度與坡高評估其剪力強度，

並由野外量測之基質強度、拍攝現地礫石層照片進行影像分析取得之礫石含量與粒徑分布等地質特性進行迴歸分析，建立卵礫石層之組成與強度關係。

卵礫石層的強度亦可透過現地或室內試驗來評估，Lin et al.（1998）利用現地平鈑載重試驗求取礫石層的地基反力；Lin et al.（2000）透過物理試驗求取礫石層的剪力模數與剪應變的關係；Chu et al.（2010）利用排水三軸試驗探討在純剪力下的礫質土壤變形行為；Chang et al.（2015）利用震波波速取得彈性力學相關參數，

並從礫石層之坡度與坡高反算地層之剪力強度。

國內對於卵礫石層的探勘、調查、試驗、分類與分析方法至今仍無標準規範可循，過去文獻多以不同方式探討卵礫石層的工程特性，彙整影響礫石層之強度及變形性的因素包含：礫石粒徑大小、形狀及排列因素、礫石與基質含量、基質成份與基質物理性質等，本研究選擇礫石之形狀及排列因素與礫石體積含量作為礫石層

(40)

2.3 礫石層之顆粒力學模擬與應用

以往在數值分析中模擬砂土層時，由於砂土顆粒大小遠小於研究問題的尺寸，

可將土壤假設為連續體材料，但是礫石層的組成包含橢球狀的礫石以及尺寸相對小的基質材料，而且礫石顆粒之間有明顯互相分離的特性，故在模擬礫石材料時，

利用顆粒元素法是一個更貼近材料性質的分析方法。

陳修（1995）透過不連續變形分析法（DDA）探討在卵礫石層內進行深開挖與隧道開挖之行為，其研究利用形狀類似於圓形或橢球形的多邊形塊體來模擬礫石顆粒，探討水平或垂直沉積排列的礫石的坡面穩定性，發現水平沉積排列的礫石層在開挖解壓前的側向應力較小，開挖後的坡面穩定性亦較佳，變位量較小（圖 2.

26）。Chang et al.（2003）利用離散元素法發展出複合圓形顆粒模式（Multi-Circle Granule Model, MCGM）探討二維不規則形狀卵礫石堆積層之力學分析，透過自由落體試驗、落門試驗與室內直剪試驗探討顆粒形狀對力學行為的影響。研究結果顯示，顆粒形狀確實會影響卵礫石堆積體安息角之大小；而顆粒互鎖、排列之異向性、

顆粒間之接觸點數，亦是影響隧道開挖穩定性及抗剪強度之關鍵因素（圖 2. 27、

圖 2. 28）。張光宗等人（2014）利用 PFC^2D探討卵礫石的力學行為，首先進行雙軸

試驗校正微觀參數，再進行複迴歸分析建立宏觀參數與微觀參數的關係，以確認參數的合理性。其研究結果顯示當卵礫石粒徑越大與含量越多，其剪力強度、彈性模數、柏松比、摩擦角也會越大，但凝聚力略為下降（圖 2. 29）。

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圖 2. 26 垂直與水平沉積排列之礫石層開挖結果（陳修，1995）

圖 2. 27 不同顆粒形狀之自由落體試驗（Chang et al., 2003）

圖 2. 28 不規則排列與水平排列之三合圓顆粒落門試驗（Chang et al., 2003）

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圖 2. 29 PFC^2D雙軸試驗模型示意圖與模擬結果（張光宗等人，2014）

2.4 綜合討論

過去文獻探討斷層錯動引致的地表變形研究採用的方法學可包含現地調查、

物理砂箱試驗與數值分析。現地案例可觀察到地層經常為非均質，且有堆積礫石層的存在，但少有研究量化礫石變形形貌且無研究將其與斷層抬升量做連結；亦尚未有研究透過砂箱試驗與數值分析探討礫石層多變的組構特性與斷層作用的關係。