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研究生: 葉憲文
Yeh, Hsien-Wen
論文名稱: 雙曲線剪力變位模式之建立與應用
Development and Application of Hyperbolic Stress-Displacement Models
指導教授: 黃景川
Huang, Ching-Chuan
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 131
中文關鍵詞: 邊坡變位分析直剪試驗邊坡穩定分析土壤雙曲線模型
外文關鍵詞: Slope displacement analysis, Direct shear test, Slope stability analysis, Hyperbolic soil models
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  • 邊坡破壞所引發的土石災害時常造成生命與財產的重大損失,為了更準確地預測邊坡因降雨發生的變位與破壞的發生,本研究採用Force-equilibrium-Based Finite Displacement Method (FFDM) 對兩個邊坡滑動案例進行驗證分析。FFDM分析法是以極限平衡之切片法為基礎,加入土壤之剪應力-剪動位移雙曲線構成式,擴充成能計算滑動變位的邊坡穩定分析法。對於兩個有具有長期監測變位紀錄的案例檢驗FFDM分析法之適用性,在有效的參數範圍內,計算結果符合現地的量測值,證明了此改良法在工程上應用的可行性。本研究提出新的邊坡長期變位預測方法即利用第一次邊坡滑動量來反算破壞變滑動變位之相關力學參數再根據後續經由降雨引發之地下水位變化來預測後續的邊坡滑動量。驗證結果顯示,本方法不但可將相當複雜之破壞面力學參數簡單化,預測邊坡變位亦接近量測值,為實用之法。本研究並對於不同密度之砂土進行實驗室之中型直剪試驗,並蒐集9個不同地區與土壤案例之大型直接剪力試驗資料,以回歸分析求其雙曲線之應力-變位模型之控制參數,建立非線性剪應力-變位模型資料庫,提供後續邊坡邊位分析研究之參考。

    Slope failures are major causes of natural hazards which are often associated with with great losses of lives and properties. In order to predict the rainfall-induced slope displacements and failures accurately, a force-equilibrium-based finite displacement method (FFDM) is used to analyze two slopes subjected to periodic rainfall-induced movements. The method is based on a conventional limit equilibrium slice method, with additional nonlinear shear stress vs. shear displacement relationships and displacement compatibility requirements. Case studies on two well-monitored slopes were performed to validate the FFDM. Results of back-analysis and parametric studies show that within the range of hyperbolic model parameters, the computed slope displacements agree with those measured in the field, revealing the applicability of FFDM to the slope displacement problems. Furthermore, a new procedure on predicting periodic rainfall-induced slope displacements based on the model parameters back-calcualted from the first event of slope movement is proposed. Some laboratory medium-size direct shear tests on a silty sand with various densities are performed in conjunction with some large-scale direct shear test data collected from the literatures are analyzed to establish a preliminary database of hyperbolic shear stress-displacement models to facilitate slope displacement analyses in the future.

    摘要 I ABSTRACT II 致謝 V 目錄 VI 表目錄 X 圖目錄 XI 第一章 續論 1 1.1 前言 1 1.2 研究目的 1 1.3 研究內容 2 1.4 研究流程 3 第二章 文獻回顧 4 2.1 直接剪力試驗 4 2.1.1 砂土受剪之力學行為 4 2.2 邊坡破壞模式之成因 7 2.3 邊坡破壞之種類 8 2.4 邊坡之安全係數及穩定分析時條件之簡化 10 2.5 邊坡穩定分析法之分類 10 2.5.1 總應力分析法 11 2.5.2 有效應力分析法 11 2.5.3 短期穩定問題 11 2.5.4 長期穩定問題 12 2.6 邊坡穩定計算方法之分類 12 2.6.1 極限平衡法(Limit Equilibrium Method) 12 2.6.1.1 自由體(Free Body)分析 13 2.6.1.2 切片法 15 2.6.1.3 楔型破壞(Wedge Slip)分析 19 2.6.2 極限分析法 (Limit Analysis) 19 2.6.3 數值方法 23 2.7 土壤雙曲線模型Duncan-Chang hyperbolic model (1970) 27 2.7.1 雙曲線剪力變位模式 28 第三章 剪力變位模式試驗-直接剪力試驗 30 3-1 試驗簡介 30 3.1.1 儀器簡介-直接剪力試驗儀 30 3.1.2 直剪試驗儀之儀器組成 32 3.1.3 土樣簡介 33 3.1.4 實驗步骤 35 3.2 試驗結果 35 3.2.1 剪力變位模式試驗-直剪試驗  = 14kN/m3 35 3.2.2 剪力變位模式試驗-直剪試驗  = 15kN/m3 38 3.2.3 剪力變位模式試驗-直剪試驗  = 16kN/m3 41 3.2.4 土壤剪力-變位之雙曲線模型 44 3.2.5 分析結果歸納 49 第四章 雙曲線模擬參數 55 4.1 松樹根系加勁細砂(大型直剪試驗) 55 4.1.1 松樹根系加勁細砂(大型直剪試驗)模擬曲線 56 4.2 植物根系加勁(大型直剪試驗) 58 4.2.1 植物根系加勁模擬曲線 60 4.3 豐浦砂(Toyoura sand)大型直剪試驗 62 4.3.1 豐浦砂之雙曲線模擬 64 4.4 關東壤土(Kanto loam)直剪試驗 66 4.4.1 關東壤土模擬曲線 67 4.5 銀合歡加勁(大型直剪試驗) 69 4.5.1 模擬曲線 71 4.6 三義地區卵礫石層現地試驗 73 4.6.1 三義地區卵礫石層現地試驗模擬曲線 74 4.7 粉質砂土與黏質粉土直剪試驗 76 4.7.1 粉質砂土與黏質粉土直剪試驗模擬曲線 76 4.8 集集砂土直剪試驗 80 4.8.1 集集砂土直剪試驗模擬曲線 81 第五章 案例分析-五彎仔地滑 88 5.1 五彎仔-案例簡介 88 5.1.1 五彎仔-滑動破壞面 88 5.1.2 五彎仔-地下水位面 91 5.1.3 五彎仔-土壤性質 93 5.2 五彎仔-分析結果 95 5.2.1 繪製五彎仔邊坡幾何條件 95 5.2.2 五彎仔邊坡變位分析與分析參數之選用 95 5.2.3 五彎仔-各參數對計算結果之影響 98 5.2.4 五彎仔-影響水平變位之參數分析 101 5.2.5 五彎仔-滑動歷程 105 第六章 案例分析-廬山地滑 107 6.1 廬山-案例簡介 107 6.1.1 廬山-滑動破壞面 108 6.1.2 廬山-地下水面位 111 6.1.3 廬山-土壤性質 113 6.2 廬山-分析結果 115 6.2.1 繪製廬山邊坡幾何條件 115 6.2.2 廬山邊坡變位分析與分析參數之選用 115 6.2.3 廬山-各參數對計算結果之影響 117 6.2.4 廬山-影響水平變位之參數分析 120 6.2.5 廬山-滑動歷程 123 第七章 結論與建議 126 7.1 結論 126 7.2 建議 128 參考文獻 129

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