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系統識別號 U0002-0607201715195500
中文論文名稱 受剪節理鋸齒面間之接觸應力變化研究
英文論文名稱 Study the development of contact stress on tooth- shape joints by shearing
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 105
學期 2
出版年 106
研究生中文姓名 吳欣儒
研究生英文姓名 Hsin-Ju Wu
學號 604380054
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2017-06-12
論文頁數 189頁
口試委員 指導教授-楊長義
委員-李宏輝
委員-翁孟嘉
中文關鍵字 節理面  接觸應力  富士感壓紙  張力裂縫  剪力破壞 
英文關鍵字 Joint Surface  Contact Stress  Prescale film  Tension cracks 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 節理面之剪力強度具有規模效應(scale effect)問題:意謂,節理面尺寸越小,其抗剪強度愈高;反之,大尺寸節理面則其抗剪強度較低(如Bandis, 1980;Yang& Chen, 1999; 楊長義等,2003)。實際原因,其實與節理面間僅有在局部區域之真實接觸之面積比例有關;因為在粗糙度相近之大小節理面,大的節理面之實際接觸面積之比例非常低,故在該接觸點之節瘤承受甚高之集中應力(如圖1.1示意:Barton,2008),極易發生破壞,致使抗剪強度低於小節理面。
Yang et al.(2011)曾以粗糙度近似的10cm及20cm石膏節理面(稱self-affine profile; Yang et al.,2001)進行剪力試驗結果,如圖1.2,大或小試體之磨損面積比雖與正應力及剪位移多寡有關,但其值均極低(3%~ 15%);且大試體之磨損面積與總面積之比例相對確實較小試體少,故抗剪之剪力強度確實比較低。
在節理剪力試驗研究上,一般是以外部施加的正向力(N)或剪力(T),除以試體整體受剪面積(A)而計算得作用在節理面間的平均正向應力及平均剪應力。但實際上,因真正受力接觸面積僅發生在少數節瘤面上,故作用於節理面間真實的接觸正向應力及剪應力,可能大於其平均應力計算值。本文是嘗試以富士感壓紙薄膜為量測介質,借感壓紙在受不同壓力作用後,會顯示出不同顏色深淺印痕反應。試驗時,特將感壓紙放置於兩節理平面間,透由內部之應力量測值與外部應力衡盒量測得正向應力及剪應力之關係,期望了解比較剪動過程中,在不同剪動情況下,探討實際的接觸應力與平均應力計算值兩者的差異。
本文主要獲致結論如下:在只加壓正向力下(單鋸齒及複合鋸齒): (1) 富士感壓紙之印痕,會受不同正向應力及剪動量,造成印痕顏色發生深淺變化及印痕接觸面積的改變。(2) 因分佈接觸應力值與感壓紙印痕深淺分佈有相關,進而可藉以分析接觸應力值的改變。
在45°鋸齒型節理:(1) 外加正向應力較高時,使鋸齒產生張力裂縫所需施加之剪應力較少,所需驅動剪動距離較短。(2) 上坡面出現張力裂縫的位置,不因外加正向應力高低而有所變化,均出現在上坡面受力區之下緣部位。(3)在高應力狀態下,會先在下緣出現張力破壞,而後出現剪力破壞,看其節瘤破壞面可發現有張力破壞造成較粗糙的表面以及由剪力破壞造成叫平滑的表面。(4)其接觸應力分佈型態,亦不因正向應力高低或錯開位移量不同而有所變化,均為梯型分佈型態,僅在應力最大值分佈位置有所差別。
在30°鋸齒型節理: (1) 上坡面出現剪力破壞的位置,不因外加正向應力高低而有所變化,均出現在上坡面受力區之上緣部位。(2)其接觸應力分佈型態,亦不因正向應力高低或錯開位移量不同而有所變化,均為梯型分佈型態,僅在應力最大值分佈位置有所差別。
在45°+45°鋸齒型節理:(1)不論外加正向應力高低,兩隻鋸齒皆同時破壞,都先出現張力裂縫而後張力破壞。(2)由力位移圖可以發現即使兩隻同角度的鋸齒,其破裂點只有一個,所以是同時破壞。(3)從感壓紙可以觀測到兩隻鋸齒所量測到的力量是相同的。
在30°+30°鋸齒型節理:(1)不論外加正向應力高低,兩隻鋸齒皆同時破壞,都出現剪力破壞將鋸齒上部直接削斷。(2)由力位移圖可以發現即使兩隻同角度的鋸齒,其破裂點只有一個,所以是同時破壞。(3)從感壓紙可以觀測到兩隻鋸齒所量測到的力量是相同的。
在30°+45°鋸齒型節理(45°+30°鋸齒型節理亦同):(1)不論外加正向應力高低,皆由45°高角度先破壞,先出現張力裂縫而後張力破壞,45°破壞完才換30°角開始被剪壞。(2)由力位移圖可以發現兩隻不同角度的鋸齒,其破裂點有兩個。(3)從感壓紙可以觀測到兩隻鋸齒所量測到的力量是不同的。
英文摘要 In general joint shear tests, external normal forces (N) or shear forces (T) are divided by the overall area of a specimen under shear forces (A) to calculate the average normal stress and shear stress applied on joint surfaces. However, the actual contact area under force merely occurs on several asperities. Therefore, the actual contact normal stress and shear stress between joint surfaces may be higher than the calculated average stress values. In this study, Prescale films developed by Fujifilm were used as the measurement material, which displays imprint of varying color shades corresponding to different pressure levels applied.
The primary findings are as follows.In only normal stress(single sawtooth and compound sawtooth):(1) The prints of Fuji prescale film will be subject to different forward stress and shear volume, resulting in print color changes in depth and imprint Change in contact area.(2)Due to the distribution of contact stress value and the film prints are related to the depth distribution, and thus can be analyzed by changing the contact stress value.
In a 30° saw-tooth joint: (1)The location of the shear damage on the slope,not due to the addition of normal stress level changes,its appear in the upper slope edge of the force area. (2) Its contact stress distribution pattern, nor because of the stress level or the amount of displacement is different from the change,only the maximum distribution of stress position difference.
In a 45° saw-tooth joint:(1)When plus the higher normal stress,the tensile force required to produce tension cracks less shear stress required to shear a shorter distance. (2)The cracks on the lower slope, not due to the higher force or lower force.(3)In the high stress state,the first crack appear in the lower edge of the tension damage,and then the tension damage surface can be found it have a rough surface,caused by rough surface and caused by the shear damage caused by smooth surface. (4)Its contact stress distribution pattern, nor because of the positive stress level or the amount of displacement is different from the change,only the maximum distribution of stress position difference.
In a 30°+30° saw-teeth joint: (1)Regardless of the plus normal stress level, two teeth are cracked at the same time, have first tension cracks and then tension damage. (2)By the force displacement can be found even if the two angles of the teeth, the peak point is only one, so it is destroyed at the same time. (3)It is observed that the power measured by the two serrations is the same.
In a 45°+45° saw-teeth joint: (1)Regardless of the plus normal stress level, two teeth are cracked at the same time, have first tension cracks and then tension damage. (2)By the force displacement can be found even if the two angles of the teeth, the peak point is only one, so it is destroyed at the same time. (3)It is observed that the power measured by the two serrations is the same.
In a 30°+45° saw-teeth joint(same of 45°+30° saw-teeth joint): (1)Regardless of the plus normal stress level, all by 45 ° high angle first damage, the first tension cracks and then the tension crack, 45 ° crack after the end of 30 ° angle was started to be broken. (2)By force displacement diagram can be found in two different angles of the peak.(3)It is observed that the strength measured by the two sawteeth is different.
論文目次 章節目錄
章節目錄 I
圖目錄 IV
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機及目的 1
1.2 研究方法與內容 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 節瘤破壞過程 4
2.1.1 Xu之破壞階段 4
2.1.2 Pereira & de Freitas 之破壞過程 5
2.2 節瘤破壞機制 8
2.2.1 Patton之雙直線破壞模式 8
2.2.2 張文城之破壞模式 8
2.2.3 Handanyan之破壞模式 9
2.2.4 江東陽之研究 9
2.3 節理面之剪力強度 12
2.3.1 Patton雙直線剪力強度 12
2.3.2 Ladanyi與Archambault之剪力強度模式 12
2.3張力破裂對節理剪力強度之影響 14
2.4節理面接觸應力量測 15
第三章 節理模型試驗及規劃 19
3.1 試驗儀器 19
3.2 模擬材料石膏之基本性質 30
3.2.1 單壓試體製作及養護 30
3.2.2 試驗材料基本性質結果 31
3.2.3 節理試體之製作 31
3.3 富士感壓紙之放置與命名 41
3.3.1 感壓紙放置位置與尺寸 41
3.3.2 感壓紙命名 45
3.4 影像分析過程 47
3.4.1 MatLab影像分析程式 47
3.4.2建立轉換曲線 47
3.4.3接觸應力之判別 49
3.4.4 節理接觸面之應力分佈圖繪製 49
3.5 節理直剪實驗內容與步驟 56
3.6 感壓紙印痕面積之計算 59
第四章 量測技術可重複性之檢驗與討論 60
4.1 正向應力作用階段 60
4.1.1 對單齒型節理(30°鋸齒) 60
4.1.2對單齒型節理(45°鋸齒) 66
4.1.3 對雙齒型節理(30°+30°鋸齒) 73
4.1.4 對雙齒型節理(45°+45°鋸齒) 81
4.2正向應力及剪應力複合作用階段 89
4.2.1 接觸應力與正向應力之差異 89
第五章 受剪節理接觸應力之演化 92
5.1 單根30°鋸齒 92
5.2 45°鋸齒節理面 103
5.3 雙根30°+30°鋸齒 119
5.4 雙根45°+45°鋸齒 135
5.5 雙根30°+45°鋸齒 153
5.6 雙根45°+30°鋸齒 166
第六章 結論與建議 182
6.1 結論 182
6.2 建議 184






圖目錄
圖1.1 節理面在尖峰強度時少量相互接觸節瘤承受高應力示意(Barton,2008) 2
圖1.2 大小節理模擬試體在尖峰位移時之極少量磨損面積(Yang et al., 2011) 2
圖2.1 Xu將節理之破壞分成6階段(Xu,1987) 6
圖2.2 節瘤之破壞過程分成7階段(Pereira & de Freitas,1993) 7
圖2.3 在接近尖峰強度附近時節瘤之破裂過程:(a)初始鋸齒,(b)開始張裂並向下傳,(c)最終破壞狀(Pereira & de Freitas,1993) 7
圖2.4 Patton雙直線破壞模式(Patton,1966) 10
圖2.5 張文城四種規則鋸齒破壞型式示意圖(張文城,1988) 10
圖2.6 Handanyan 模式規則石膏破壞機制示意圖(Handanyan,1990) 11
圖2.7 Ladanyi剪力強度理論之剪斷面積比 (Ladanyi,1969) 13
圖2.8 節理受剪後鋸齒狀節瘤之破裂情況(Fishman, 1990) 14
圖2.9 以FEM分析平滑節理受各外力後節理面上應力分布型態(Kutter,1971) 16
圖2.10 上下節理試體龕入LVDT量測面間位移之設備(Alvaro Herdocia,1985) 16
圖2.11 以應變計貼在節理試體側壁監測節理面變形之設置(Pereira & de Freitas,1993) 17
圖2.12 應變計黏貼於節瘤側面進行直剪(王景龍,2001) 17
圖2.13 以AE技術測知節理面間節瘤之破裂位置發展(Moradian et al.,2012) 18
圖3.1 50噸齒輪慢式壓力機 23
圖3.2 5噸直接剪力儀 23
圖3.3 Loadcell校正圖 24
圖3.4 LVDT校正圖 24
圖3.5 石膏試體放置於直剪盒示意圖 25
圖3.6 石膏試體位置之感壓紙印痕 25
圖3.7 日本Fuji出產富士感壓紙 26
圖3.8 溫度-濕度對照分類 27
圖3.9 應力-色階濃度之率定曲線圖 27
圖3.10 上下壓克力方塊接觸面積狀況 28
圖3.11 壓克力方塊試驗示意圖 28
圖3.12 感壓紙逐步受荷重之量測值比較 29
圖3.13 模擬材料單壓試驗及巴西人試驗 34
圖3.14 單壓強度與抗張強度之比較 34
圖3.15 基本摩擦角 34
圖3.16 純石膏之剪應力-剪位移曲線 35
圖3.17 純石膏之剪應力-剪位移曲線(續) 36
圖3.18 純石膏之剪應力-剪位移曲線(續) 37
圖3.19 純石膏破壞包絡線 38
圖3.20 圓柱單壓破壞情況 38
圖3.21 #100水砂紙 39
圖3.22 在壓克力模表面貼#100號砂紙模擬粗糙面 39
圖3.23 矽膠母模之翻製過程 40
圖3.24 將感壓紙(Prescale film)放置節理面間示意圖 42
圖3.25 富士感壓紙置於平面型節理面上之情況 42
圖3.26 富士感壓紙置於45°鋸齒型節理面上之情況 43
圖3.27 富士感壓紙置於45°鋸齒型節理面上之情況 44
圖3.28 30°+30°複合鋸齒型節理感壓紙示意圖 46
圖3.29 45°+45°複合鋸齒型節理感壓紙示意圖 46
圖3.30 30°+45°複合鋸齒型節理感壓紙示意圖 46
圖3.31 45°+30°複合鋸齒型節理感壓紙示意圖 46
圖3.32 Fuji公司提供之標準顏色及其對應色階值 51
圖3.33 Matlab讀取顏色之灰階值 51
圖3.34 以Matlab迴歸曲線之公式 52
圖3.35 Matlab迴歸灰階-色階對照曲線圖 52
圖3.36 三種尺寸感壓紙上之印痕像素個數及基本區域大小 53
圖3.37 以基本區域之平均應力值求取各段(22段)節理面上接觸應力平均值 54
圖3.38 將剪動方向上各段(22段)接觸應力值繪成分佈圖(以σn=0.87MPa為例) 55
圖4.1 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.13MPa) 62
圖4.2 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.54MPa) 62
圖4.3 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈值(σn=0.13MPa) 63
圖4.4 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈值(σn=0.54MPa) 64
圖4.5 實測平均接觸應力與外加應力比較(30°鋸齒型節理) 65
圖4.6 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.13MPa) 68
圖4.7 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.54MPa) 68
圖4.8 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.14MPa) 69
圖4.9 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.54MPa) 70
圖4.10 實測平均接觸應力與外加應力比較(45°鋸齒型節理) 71
圖4.11 實測平均接觸應力與外加應力比較(30°&45°鋸齒型節理) 72
圖4.12 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.13MPa) 75
圖4.13 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.54MPa) 76
圖4.14 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.13MPa) 77
圖4.15 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.54MPa) 78
圖4.16 實測平均接觸應力與外加應力比較(30°+30°鋸齒型節理) 79
圖4.17 測平均接觸應力與外加應力比較(30°&30°+30°鋸齒型節理) 80
圖4.18 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.13MPa) 83
圖4.19 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.54MPa) 84
圖4.20 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.13MPa) 85
圖4.21 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.54MPa) 86
圖4.22 測平均接觸應力與外加應力比較(45°+45°鋸齒型節理) 87
圖4.23 測平均接觸應力與外加應力比較(45°&45°+45°鋸齒型節理) 88
圖4.24 測平均接觸應力與外加應力比較(四種鋸齒型節理) 88
圖4.25 外部剪應力-剪位移量測曲線 (σn=0.54MPa) 91
圖4.26 放置在平面試體中未剪動感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 91
圖4.27 模擬節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 91
圖5.1 單根30°鋸齒受0.134MPa剪動後之剪力-剪位移圖 94
圖5.2 單根30°鋸齒受0.544MPa剪動後之剪力-剪位移圖 94
圖5.3 施加正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 95
圖5.4 節理破壞過程(σn=0.134MPa) 96
圖5.5 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 97
圖5.6 節理破壞過程(σn=0.544MPa) 98
圖5.7 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.544MPa) 99
圖5.8 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.134MPa) 100
圖5.9 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.134MPa) 100
圖5.10 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 101
圖5.11 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.544MPa) 101
圖5.12 發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 102
圖5.13 單根45°鋸齒受0.134MPa剪動後之剪力-剪位移圖 105
圖5.14 單根45°鋸齒受0.544MPa剪動後之剪力-剪位移圖 105
圖5.15 低正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 106
圖5.16 節理破壞過程(σn=0.143MPa) 107
圖5.17 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 108
圖5.18 高正向應力時,節理節理破壞裂縫發展示意圖 109
圖5.19 節理破壞過程(σn=0.544MPa) 110
圖5.20 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.544MPa) 111
圖5.21 低、高正向應力時,節理節理破壞裂縫發展示意圖 112
圖5.22 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.134MPa) 113
圖5.23 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.134MPa) 113
圖5.24 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 114
圖5.25 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.544MPa) 114
圖5.26 比較30°鋸齒與45°鋸齒的感壓紙 115
圖5.27 比較30°鋸齒與45°鋸齒的內部應力 116
圖5.28發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較(45°鋸齒) 117
圖5.29發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 117
(30°鋸齒及45°鋸齒) 117
圖5.30 比較30°鋸齒與45°鋸齒的剪應力-剪位移圖、感壓紙分布、破壞形態 118
圖5.31 雙根30°+30°鋸齒受0.134MPa剪動後之剪力剪位移圖 121
圖5.32 雙根30°+30°鋸齒受0.544MPa剪動後之剪力剪位移圖 121
圖5.33 施加正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 122
圖5.34 節理破壞過程(σn=0.134MPa) 123
圖5.35 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 124
圖5.36 節理破壞過程(σn=0.544MPa) 125
圖5.37 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.544MPa) 126
圖5.38 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.134MPa) 127
圖5.39 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.134MPa) 128
圖5.40 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 129
圖5.41 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.544MPa) 130
圖5.42 比較30°鋸齒與30°+30°鋸齒的感壓紙 131
圖5.43 比較30°鋸齒與30°+30°鋸齒的內部應力 132
圖5.44 發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 (30°+30°鋸齒) 133
圖5.45 發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 133
(30°與30°+30°) 133
圖5.46 比較30°鋸齒與30°+30°鋸齒的剪應力-剪位移圖、感壓紙分布、破壞形態 134
圖5.47 雙根45°+45°鋸齒受0.134MPa剪動後之剪力-剪位移圖 137
圖5.48 雙根45°+45°鋸齒受0.544MPa剪動後之剪力-剪位移圖 137
圖5.49 低正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 138
圖5.50 節理破壞過程(σn=0.134MPa) 139
圖5.51 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 140
圖5.52 高正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 141
圖5.53 節理破壞過程(σn=0.544MPa) 142

圖1.1 節理面在尖峰強度時少量相互接觸節瘤承受高應力示意(Barton,2008) 2
圖1.2 大小節理模擬試體在尖峰位移時之極少量磨損面積(Yang et al., 2011) 2
圖2.1 Xu將節理之破壞分成6階段(Xu,1987) 6
圖2.2 節瘤之破壞過程分成7階段(Pereira & de Freitas,1993) 7
圖2.3 在接近尖峰強度附近時節瘤之破裂過程:(a)初始鋸齒,(b)開始張裂並向下傳,(c)最終破壞狀(Pereira & de Freitas,1993) 7
圖2.4 Patton雙直線破壞模式(Patton,1966) 10
圖2.5 張文城四種規則鋸齒破壞型式示意圖(張文城,1988) 10
圖2.6 Handanyan 模式規則石膏破壞機制示意圖(Handanyan,1990) 11
圖2.7 Ladanyi剪力強度理論之剪斷面積比 (Ladanyi,1969) 13
圖2.8 節理受剪後鋸齒狀節瘤之破裂情況(Fishman, 1990) 14
圖2.9 以FEM分析平滑節理受各外力後節理面上應力分布型態(Kutter,1971) 16
圖2.10 上下節理試體龕入LVDT量測面間位移之設備(Alvaro Herdocia,1985) 16
圖2.11 以應變計貼在節理試體側壁監測節理面變形之設置(Pereira & de Freitas,1993) 17
圖2.12 應變計黏貼於節瘤側面進行直剪(王景龍,2001) 17
圖2.13 以AE技術測知節理面間節瘤之破裂位置發展(Moradian et al.,2012) 18
圖3.1 50噸齒輪慢式壓力機 23
圖3.2 5噸直接剪力儀 23
圖3.3 Loadcell校正圖 24
圖3.4 LVDT校正圖 24
圖3.5 石膏試體放置於直剪盒示意圖 25
圖3.6 石膏試體位置之感壓紙印痕 25
圖3.7 日本Fuji出產富士感壓紙 26
圖3.8 溫度-濕度對照分類 27
圖3.9 應力-色階濃度之率定曲線圖 27
圖3.10 上下壓克力方塊接觸面積狀況 28
圖3.11 壓克力方塊試驗示意圖 28
圖3.12 感壓紙逐步受荷重之量測值比較 29
圖3.13 模擬材料單壓試驗及巴西人試驗 34
圖3.14 單壓強度與抗張強度之比較 34
圖3.15 基本摩擦角 34
圖3.16 純石膏之剪應力-剪位移曲線 35
圖3.17 純石膏之剪應力-剪位移曲線(續) 36
圖3.18 純石膏之剪應力-剪位移曲線(續) 37
圖3.19 純石膏破壞包絡線 38
圖3.20 圓柱單壓破壞情況 38
圖3.21 #100水砂紙 39
圖3.22 在壓克力模表面貼#100號砂紙模擬粗糙面 39
圖3.23 矽膠母模之翻製過程 40
圖3.24 將感壓紙(Prescale film)放置節理面間示意圖 42
圖3.25 富士感壓紙置於平面型節理面上之情況 42
圖3.26 富士感壓紙置於45°鋸齒型節理面上之情況 43
圖3.27 富士感壓紙置於45°鋸齒型節理面上之情況 44
圖3.28 30°+30°複合鋸齒型節理感壓紙示意圖 46
圖3.29 45°+45°複合鋸齒型節理感壓紙示意圖 46
圖3.30 30°+45°複合鋸齒型節理感壓紙示意圖 46
圖3.31 45°+30°複合鋸齒型節理感壓紙示意圖 46
圖3.32 Fuji公司提供之標準顏色及其對應色階值 51
圖3.33 Matlab讀取顏色之灰階值 51
圖3.34 以Matlab迴歸曲線之公式 52
圖3.35 Matlab迴歸灰階-色階對照曲線圖 52
圖3.36 三種尺寸感壓紙上之印痕像素個數及基本區域大小 53
圖3.37 以基本區域之平均應力值求取各段(22段)節理面上接觸應力平均值 54
圖3.38 將剪動方向上各段(22段)接觸應力值繪成分佈圖(以σn=0.87MPa為例) 55
圖4.1 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.13MPa) 62
圖4.2 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.54MPa) 62
圖4.3 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈值(σn=0.13MPa) 63
圖4.4 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈值(σn=0.54MPa) 64
圖4.5 實測平均接觸應力與外加應力比較(30°鋸齒型節理) 65
圖4.6 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.13MPa) 68
圖4.7 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.54MPa) 68
圖4.8 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.14MPa) 69
圖4.9 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.54MPa) 70
圖4.10 實測平均接觸應力與外加應力比較(45°鋸齒型節理) 71
圖4.11 實測平均接觸應力與外加應力比較(30°&45°鋸齒型節理) 72
圖4.12 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.13MPa) 75
圖4.13 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.54MPa) 76
圖4.14 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.13MPa) 77
圖4.15 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.54MPa) 78
圖4.16 實測平均接觸應力與外加應力比較(30°+30°鋸齒型節理) 79
圖4.17 測平均接觸應力與外加應力比較(30°&30°+30°鋸齒型節理) 80
圖4.18 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.13MPa) 83
圖4.19 僅施加正向荷重之感壓紙印痕量測比較 (σn=0.54MPa) 84
圖4.20 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.13MPa) 85
圖4.21 僅施加正向應力階段在鋸齒上坡面之接觸應力分佈(σn=0.54MPa) 86
圖4.22 測平均接觸應力與外加應力比較(45°+45°鋸齒型節理) 87
圖4.23 測平均接觸應力與外加應力比較(45°&45°+45°鋸齒型節理) 88
圖4.24 測平均接觸應力與外加應力比較(四種鋸齒型節理) 88
圖4.25 外部剪應力-剪位移量測曲線 (σn=0.54MPa) 91
圖4.26 放置在平面試體中未剪動感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 91
圖4.27 模擬節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 91
圖5.1 單根30°鋸齒受0.134MPa剪動後之剪力-剪位移圖 94
圖5.2 單根30°鋸齒受0.544MPa剪動後之剪力-剪位移圖 94
圖5.3 施加正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 95
圖5.4 節理破壞過程(σn=0.134MPa) 96
圖5.5 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 97
圖5.6 節理破壞過程(σn=0.544MPa) 98
圖5.7 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.544MPa) 99
圖5.8 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.134MPa) 100
圖5.9 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.134MPa) 100
圖5.10 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 101
圖5.11 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.544MPa) 101
圖5.12 發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 102
圖5.13 單根45°鋸齒受0.134MPa剪動後之剪力-剪位移圖 105
圖5.14 單根45°鋸齒受0.544MPa剪動後之剪力-剪位移圖 105
圖5.15 低正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 106
圖5.16 節理破壞過程(σn=0.143MPa) 107
圖5.17 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 108
圖5.18 高正向應力時,節理節理破壞裂縫發展示意圖 109
圖5.19 節理破壞過程(σn=0.544MPa) 110
圖5.20 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.544MPa) 111
圖5.21 低、高正向應力時,節理節理破壞裂縫發展示意圖 112
圖5.22 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.134MPa) 113
圖5.23 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.134MPa) 113
圖5.24 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 114
圖5.25 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.544MPa) 114
圖5.26 比較30°鋸齒與45°鋸齒的感壓紙 115
圖5.27 比較30°鋸齒與45°鋸齒的內部應力 116
圖5.28發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較(45°鋸齒) 117
圖5.29發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 117
(30°鋸齒及45°鋸齒) 117
圖5.30 比較30°鋸齒與45°鋸齒的剪應力-剪位移圖、感壓紙分布、破壞形態 118
圖5.31 雙根30°+30°鋸齒受0.134MPa剪動後之剪力剪位移圖 121
圖5.32 雙根30°+30°鋸齒受0.544MPa剪動後之剪力剪位移圖 121
圖5.33 施加正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 122
圖5.34 節理破壞過程(σn=0.134MPa) 123
圖5.35 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 124
圖5.36 節理破壞過程(σn=0.544MPa) 125
圖5.37 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.544MPa) 126
圖5.38 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.134MPa) 127
圖5.39 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.134MPa) 128
圖5.40 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 129
圖5.41 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.544MPa) 130
圖5.42 比較30°鋸齒與30°+30°鋸齒的感壓紙 131
圖5.43 比較30°鋸齒與30°+30°鋸齒的內部應力 132
圖5.44 發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 (30°+30°鋸齒) 133
圖5.45 發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 133
(30°與30°+30°) 133
圖5.46 比較30°鋸齒與30°+30°鋸齒的剪應力-剪位移圖、感壓紙分布、破壞形態 134
圖5.47 雙根45°+45°鋸齒受0.134MPa剪動後之剪力-剪位移圖 137
圖5.48 雙根45°+45°鋸齒受0.544MPa剪動後之剪力-剪位移圖 137
圖5.49 低正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 138
圖5.50 節理破壞過程(σn=0.134MPa) 139
圖5.51 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 140
圖5.52 高正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 141
圖5.53 節理破壞過程(σn=0.544MPa) 142
圖5.54 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 143
圖5.55 低、高正向應力時,節理節理破壞裂縫發展示意圖 144
圖5.56 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.134MPa) 145
圖5.57 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.134MPa) 146
圖5.58 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 147
圖5.59 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.544MPa) 148
圖5.60 比較45°鋸齒與45°+45°鋸齒的感壓紙 149
圖5.61 比較45°鋸齒與45°+45°鋸齒的內部應力 150
圖5.62 發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 ( 45°+45°鋸齒) 151
圖5.63 發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 151
(45°與45°+45°鋸齒) 151
圖5.64 比較45°鋸齒與45°+45°鋸齒的剪應力-剪位移圖、感壓紙分布、破壞形態 152
圖5.65 雙根30°+45°鋸齒受0.134MPa剪動後之剪力-剪位移圖 155
圖5.66 雙根30°+45°鋸齒受0.544MPa剪動後之剪力-剪位移圖 155
圖5.67 正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 156
圖5.68 節理破壞過程(σn=0.134MPa) 157
圖5.69 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 158
圖5.70 節理破壞過程(σn=0.544MPa) 159
圖5.71 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.544MPa) 160
圖5.72 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.134MPa) 161
圖5.73 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.134MPa) 162
圖5.74 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 163
圖5.75 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.544MPa) 164
圖5.76 發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 165
(30°+45°鋸齒) 165
圖5.77 雙根45°+30°鋸齒受0.134MPa剪動後之剪力-剪位移圖 168
圖5.78 雙根45°+30°鋸齒受0.544MPa剪動後之剪力-剪位移圖 168
圖5.79 正向應力時,節理破壞裂縫發展示意圖 169
圖5.80 節理破壞過程(σn=0.134MPa) 170
圖5.81 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.134MPa) 171
圖5.82 節理破壞過程(σn=0.544MPa) 172
圖5.83 節理破壞後其表面破壞情況(σn=0.544MPa) 173
圖5.84 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.134MPa) 174
圖5.85 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.134MPa) 175
圖5.86 節理面出現張力裂縫時感壓紙之印痕(σn=0.544MPa) 176
圖5.87 節理面出現剪力破壞時之接觸應力分佈(σn=0.544MPa) 177
圖5.88發生剪力破壞時,作用於節理面上計算值與量測值之比較 178
(45°+30°鋸齒) 178
圖5.89 比較30°+45°鋸齒與45°+30°鋸齒的感壓紙 179
圖5.90 比較30°+45°鋸齒與45°+30°鋸齒的感壓紙量測應力值 180
圖5.91 比較30°+45°鋸齒與45°+30°鋸齒的剪應力-剪位移圖、破壞形態 181

表目錄
表3.1 富士感壓紙之規格及適用範圍表 22
表3.2 富士感壓紙厚度適用範圍與精度 22
表3.3 水砂紙號數粒徑 33
表3.4 本研究採用試體材料之基本性質結果 33
表3.5 本研究之試驗項目與研究目的 58
表4.1 平均接觸應力值差(30°鋸齒型節理) 64
表4.2 平均接觸應力值差(45°鋸齒型節理) 71
表4.3 平均接觸應力值差(30°+30°鋸齒型節理) 79
表4.4 平均接觸應力值差(45°+45°鋸齒型節理) 87

參考文獻 參考文獻
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