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系統識別號 U0002-1802201414305600
中文論文名稱 張力裂縫對邊坡滑動面分佈之影響研究
英文論文名稱 The Influence of Tension Crack on the Slope Failure Surface
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 102
學期 1
出版年 103
研究生中文姓名 陳宏銘
研究生英文姓名 Hong-Ming Chen
學號 600380538
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-01-17
論文頁數 127頁
口試委員 指導教授-楊長義
委員-林銘郎
委員-吳朝賢
中文關鍵字 邊坡滑動面  張力裂縫深度  退縮距  SLIDE  滑出端 
英文關鍵字 Slope Slip Surface  Tension Crack Depth  Crack Location  SLIDE  Slide the End 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 當岩土邊坡發生不穩定時,常於坡頂產生鉛直張力裂縫,使剪力滑動破壞面轉而沿此張力裂縫向地表發展,而使剪力面縮短,導致邊坡整體安全係數之下降。通常張力裂縫易發生於具有凝聚力的岩土材料,在邊坡滑動變位過程中,當坡體內應力超過岩土材料之抗張強度,則產生張力裂縫,當邊坡出現張力裂縫時,可視為邊坡不穩定的預警。
本研究利用SLIDE程式模擬邊坡在不同坡度β、凝聚力C及摩擦角ψ,在臨界破壞時之張力裂縫深度Zc、退縮距b及潛在滑動面特性等關係,並透過SPSS分析β、C及ψ三因子影響之權重。再透過FLAC/Slope分析邊坡張力區分佈與SLIDE分析結果比較,也透過離心機模擬實驗結果之驗證。
結果得致主要結論:(1) 張力裂縫發生在距坡趾b’=0.4H~2H之間、Zc介於0.05H~0.6H之間。相同坡度β下, 越小則Zc越深、退縮距離b’越遠,邊坡滑動量體越大;相同摩擦角 下,β越大則Zc越深、退縮距b’越近坡趾。(2)同張力裂縫深度Zc=3m下,裂縫位置隨著坡度β越大越靠近坡趾。緩坡β=30 o在距坡趾後方b’/H=1.9處、陡坡β=80 o在b’ / H=0.6處,而β=60 o發生在兩者之間(b’/H=0.88),都是邊坡穩定FS值最低處。(3) 經SPSS分析知坡度β、凝聚力C及摩擦角 三因子影響張力裂縫深度之權重比例約為C:ψ:β=2.5 :1.1 :1 都成正比關係,C為主控因子;對退縮距之權重約為C:ψ:β=1: -2 :1,ψ為主控因子,唯 與退縮距成反比關係。(4) 在緩坡β=30 o,有無張力裂縫之滑出端位置均易發生於「坡底、坡趾」;在陡坡β=80 o易發生在「坡面」(坡趾上方0.04H∼0.2H);在坡度β=60 o時,無張力裂縫時滑出端易發生在「坡趾、坡面」,而有張力裂縫時發生在「坡面」(坡趾上方0.05H∼0.08H)。(5) 臨近臨界破壞前,有張力裂縫產生時,在上坡面之潛在滑動面較集中、在坡面可能形成潛在滑出端較多。(6) 在有無張力裂縫情況下,相異處:坡度β=30、60度在滑動面上、下端正應力最小抗剪強度最低;但陡坡90度時在滑動面上端之正應力值最小,最先發生破壞處,相同處:無張力裂縫滑動面上端還有抗張強度。(7) 張力裂縫內之積水高度在50%以下,對邊坡穩定FS下降幅度不多;但當積水超過50%時,對陡坡(β=70、80)的FS會急速下降,表示張力裂縫內的積水對陡坡影響較大。(8) SLIDE分析所得之張力裂縫深度與FLAC/Slope分析之張應力區與剪應力區轉換處ㄧ致(Zc=0.17H∼0.57H);退縮距也位於轉換處向上坡面的位置(b=0.26H∼0.48H)。
英文摘要 Happen when the slope is unstable, often produce vertical tension cracks that destroy the surface tension cracks along the surface development, so that the slope safety factor decreased. And the tensile cracks easily occur in a cohesive material, the sliding slope when the internal stress exceeds the tensile strength of the material, the occurrence of cracks in the tension.
This study analyzes the use of different slope angles SLIDE β, cohesion C and friction angle ψ, tension crack depth at FS = 1:00, the crack location. Then use SPSS proportion β, C, ψ three-factor analysis and make FLAC / Slope analysis of slope tension zone distribution. Simulation results are also verified through a centrifuge.
Conclusions: (1) Happen tension cracks from the slope of the toe position b 'between 0.4H ~ 2H, Zc between 0.05H ~ 0.6H. At the same slope β, β smaller the distance Zc deeper cracks and b 'farther away, the greater the slope of the sliding body block. (2) at the same depth, crack location as close to the slope the greater the slope toe. β = 30 in the toe of the slope behind b '/ H = 1.9, steep β = 80 in b' / H = 0.6, β = 60 in b '/ H = 0.88, slope stability FS values are the lowest. (3) SPSS analysis of β, C and ψ tension crack depth of influence weight ratio of about C : ψ: β = 2.5: 1.1: 1, C is the master factor; flinch from the right to the weight of about C : ψ: β = 1: -2:1, is the master factor. (4) In the gentle slope β = 30, slide the end position of the presence or absence of tension cracks are likely to occur in "its base and toe"; β = 80 in the steep slopes prone on the surface; When the slope β = 60, no tension cracks happen "toe and the surface," and when there is tension cracks happen "surface".(5) Before approaching critical failure, there is tension cracks in the slope of the sliding surface potential more focused, but also in a potential slide slope may end more. (6) Tension fracture height within 50% of water, more than affecting FS decreased;
However, when more than 50% water, the steep slope (β = 70,80) of FS will rapidly decrease, which means the maximum tension of water on steep cracks.
論文目次 目錄I
表目錄III
圖目錄IV
第一章前言1
1-1 研究動機與目的 1
1-2 研究方法3
1-3 研究架構與內容 4
第二章文獻回顧5
2-1 張力裂縫簡介5
2-2 張力裂縫發展過程10
2-3 張力裂縫深度及退縮距之理論12
2-3-1 Rankine之理論12
2-3-2 Hoek-Bray之理論16
2-4 Mohr-Coulomb破壞準則18
第三章 張力裂縫之深度與退縮距20
3-1 室內試驗之介紹與張力裂縫破壞機制行為敘述20
3-1-1 深度破壞過程23
3-1-2 退縮距破壞過程24
3-2 以Rankine主動土壓公式求張力裂縫深度Zc 25
3-3 以Hoek-Bray理論求張力裂縫退縮距離b與深度Zc26
3-3-1 張力裂縫退縮距離b26
3-3-2 張力裂縫深度Zc28
3-4 以SLIDE求張力裂縫深度32
3-5 SLIDE與Rankine公式預測張力裂縫深度之差異 32
第四章 SLIDE數值分析結果與討論36
4-1 變化坡高對張力裂縫深度及退縮距之影響36
4-2 上坡面之張力裂縫深度、退縮距、滑動塊量體38
4-3 張力裂縫之影響因素權重46
4-3-1 深度之影響權重48
4-3-2 退縮距之影響權重50
4-4 張力裂縫之安全係數對邊坡滑動面比較 51
4-4-1 主滑動面相同異處53
4-4-2 臨界破壞時張力裂縫內積水影響邊坡之穩定性 55
4-4-3 同深度時裂縫積水之FS變化57
4-5 張力裂縫位置對邊坡影響之範圍61
4-6 邊坡滑動面之滑出位置64
4-6-1 圓弧型滑動64
4-6-2 含張力裂縫圓弧型滑動面70
4-7 判斷邊坡先發生滑動破壞位置之方法77
第五章 FLAC/Slope數值分析結果與討論 80
5-1 FLAC /Slope與SLIDE之分析結果比較80
5-2 FLAC/Slope在不同網格數之分析結果比較84
第六章 離心模型試驗驗證91
6-1 (中國) 注漿鋼管微型樁加固滑坡的試驗研究91
6-2 (中國) 庫水位升降條件下邊坡失穩離心模型試驗研究94
6-3 (台灣) 台灣公路工程-豐丘地滑機制評析97
第七章 結論與建議 99
7-1 結論99
7-2 建議102
參考文獻 103
附錄一 107
表2-1 實際發生張力裂縫破壞案例之深度8
表2-2 岩土材料常用之剪力強度參數範圍表 (Zhu, 2012)19
表2-3 黏質土壤之剪力強度參數範圍表(游啟亨, 1992)19
表2-4 RMR等級與岩體剪力強度參數範圍 (Bieniawski , 1979)19
表3-1 SLIDE分析張力裂縫深度與Rankine深度公式比較35
表4-1 改變坡高之張力裂縫深度與退縮距比較37
表4-2 以SPSS一般迴歸模式分析各因子影響張力裂縫深度Zc之權重46
表4-3 以SPSS一般迴歸模式分析各因子影響張力裂縫退縮距b之權重47
表4-4 以SPSS逐步迴歸法分析各因子影響張力裂縫深度之權重48
表4-5 以Rankine公式求影響張力裂縫深度之倍數49
表4-6 以SPSS逐步迴歸法分析各因子影響張力裂縫退縮距之權重 50
表4-7 張力裂縫內積水深對各坡度邊坡FS之影響58
表4-8 圓弧型滑動面之滑出端分佈位置(固定C改變 )65
表4-8 圓弧型滑動面之滑出端分佈位置(固定C改變 )(續)66
表4-9 圓弧型滑動面之滑出端分佈位置(固定 改變C) 67
表4-9 圓弧型滑動面之滑出端分佈位置(固定 改變C)(續) 68
表4-10 各類圓弧型滑動破壞之穩定數69
表4-11 含張力裂縫圓弧型滑動面之滑出端分佈位置(固定C改變 )71
表4-11 含張力裂縫圓弧型滑動面之滑出端分佈位置(固定C改變 )(續)72
表4-12 含張力裂縫圓弧型滑動面之滑出端分佈位置(固定 改變C)73
表4-12 含張力裂縫圓弧型滑動面之滑出端分佈位置(固定 改變C)(續)74
表4-13 各類含張力裂縫圓弧型滑動破壞之穩定數75
表4-14 有無張力裂縫圓弧型滑動破壞之穩定數76
表4-15 有無張力裂縫下邊坡滑動面之正應力分佈情形 78
表4-15有無張力裂縫下邊坡滑動面之正應力分佈情形(續)79
表5-1 以FLAC/Slope分析所得張力區與SLIDE張力裂縫位置疊圖比較表 81~83
表5-2 FLAC/Slop在不同網格數張力區位置比較表(β=30)85
表5-3 FLAC/Slop在不同網格數張力區位置比較表(β=40)86
表5-4 FLAC/Slop在不同網格數張力區位置比較表(β=50)87
表5-5 FLAC/Slop在不同網格數張力區位置比較表(β=60)88
表5-6 FLAC/Slop在不同網格數張力區位置比較表(β=70)89
表5-7 FLAC/Slop在不同網格數張力區位置比較表(β=80)90
表6-1 龍潭寺的黏土土壤材料參數92
表6-2 混合土壤之材料參數94
表6-3 現地土樣性質及剪力強度參數98
圖1-1 地滑上方情況 2
圖1-2 地滑沉陷量2
圖2-1 邊坡崩塌地滑分區段及稱呼(Varnes,1978)5
圖2-2 實際邊坡發生張力裂縫之情形(國外) 6
圖2-3 實際邊坡發生張力裂縫之情形(國內) 7
圖2-3 邊坡發生崩塌產生張力裂縫的各種形式(Varnes,1978) 9
圖2-5 邊坡破壞面之發展過程(Feda,1978) 11
圖2-6 Rankine主動土壓理論圖(改編Rankine,1857 ) 13
圖2-7 垂直開挖坡及基底破壞圖(Terzaghi,1943 ) 13
圖2-8 美國工兵署規範之邊坡張力區深度計算14
圖2-9 張力裂縫深度所對應之FS值變化圖 14
圖2-10 臨界破壞時各坡度之張力裂縫深度及退縮距變化(Utili,2013) 15
圖2-11 查退縮距(b)及圓心位置(X,Y)之圖表(完全排水) 16
圖2-12 查退縮距(b)及圓心位置(X,Y)之圖表(有地下水) 17
圖3-1 模型尺寸 (單位:cm) 20
圖3-2 以No.201越南砂堆置之邊坡尺寸(單位:cm) 21
圖3-3 邊坡各部位名稱21
圖3-4 深度破壞過程 23
圖3-5 退縮距破壞過程24
圖3-6 以Rankine公式計算之張力裂縫深度25
圖3-7兩種不同量測張力裂縫退縮距之參考點26
圖3-8 在各坡度下查Hoek-Bray圖所得之張力裂縫退縮距變化27
圖3-9 求b/ H比值 28
圖3-10 求圓心(X,Y)值29
圖3-11 圓心及張力裂縫退縮距位置30
圖3-12 求得張力裂縫深度30
圖3-13 在各坡度下查Hoek-Bray圖所得之張力裂縫深度變化31
圖3-14 各坡度在相同摩擦角下之張力裂縫深度比較圖 32
圖3-15 以SLIDE分析FS=1狀態之張力裂縫深度與Rankine公式比較(β=80 o、90 o)33
圖3-16 以SLIDE分析FS=1狀態之張力裂縫深度與Rankine公式比較(β=30 o、40 o)34
圖4-1 Slide分析FS值最低時之張力裂縫位置37
圖4-2 各坡度在水平上坡面之臨界滑動面38
圖4-3 各坡度在FS=1時之張力裂縫深度變化(α=0 )39
圖4-4 各坡度在FS=1時之張力裂縫退縮距變化 (α=0 )40
圖4-5 各種坡度下在FS=1臨界破壞時之C與 對應關係圖41
圖4-6 各種摩擦角在FS=1臨界破壞時之穩定數及正規化42
圖4-7 各坡度在傾斜上坡面之臨界滑動面 43
圖4-8 在FS=1時各坡度之張力裂縫深度變化(傾斜上坡面α=5 、10 )44
圖4-9 各坡度在FS=1時之張力裂縫退縮距變化45
圖4-10 有無張力裂縫之近FS=1滑動面數量比較圖51
圖4-10 有無張力裂縫之近FS=1滑動面數量比較圖(續) 52
圖4-11 各坡度近臨界破壞時最危險10條滑動面53
圖4-11 各坡度近臨界破壞時最危險10條滑動面(續)54
圖4-12 張力裂縫內積水深度對FS之影響圖 55
圖4-12 張力裂縫內積水深度對FS之影響圖(續)56
圖4-13 有無張力裂縫對各坡度邊坡FS之影響58
圖4-14 張力裂縫內積水深對各坡度邊坡FS之影響59
圖4-15 張力裂縫內積水深對陡坡FS之變化 60
圖4-16 裂縫不影響邊坡穩定性區域示意圖 (UTILI,2013)61
圖4-17 張力裂縫位置對邊坡穩定性之影響 62
圖4-17 張力裂縫位置對邊坡穩定性之影響(續) 63
圖4-18 滑動面形式及正向應力分佈 (Baker,1981) 77
圖6-1 邊坡土體尺寸及位移感應器位置 (單位:cm) 91
圖6-2 無加固試驗後位移及裂縫分佈92
圖6-3 以SLIDE模擬離心機試驗前、後之分析結果(Case 1)93
圖6-4 邊坡土體尺寸(單位:cm) 94
圖6-5 離心機試驗前後對照圖95
圖6-6 位移量及臨界滑動面95
圖6-7 以SLIDE模擬離心機試驗前、後之分析結果(Case 2)96
圖6- 8 滑動破壞前邊坡剖面97
圖6- 9 破壞後的雙滑動面97
圖6-10 坡頂於滑動破壞後尚存之張力裂縫(豐丘地滑機制評析,2009)97
圖6-11以SLIDE模擬邊坡破壞前、後之分析結果98

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