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系統識別號 U0002-2502201915491000
中文論文名稱 改變單壓端點束制條件以模擬岩爆行為
英文論文名稱 Study the rock-burst behavior by changing the end restraint under uni-axial compressive test
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 107
學期 1
出版年 108
研究生中文姓名 花子鈞
研究生英文姓名 Tzu-Chun Hua
學號 605380103
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-01-09
論文頁數 124頁
口試委員 指導教授-楊長義
指導教授-楊長義
委員-吳朝賢
委員-李宏輝
中文關鍵字 單軸壓縮試驗  岩爆  橡膠墊片  端奌束制  彈性能指數 
英文關鍵字 uni-axial compression test  rock burst  rubber gasket  end restraint  elastic energy index 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 一般模擬岩爆常必須使用高壓力、高衝擊之較貴儀器,但本文研究以一般實驗室之單軸壓縮試驗來模擬岩爆現象。試驗中,分別使用1.鐵氟龍墊片2.壓克力板墊片3.橡膠墊片,把三種墊片放置於壓縮石膏試體的上下端,探討石膏在不同墊片下所導致的破壞型態或岩爆彈射現象。
本文主要獲致結論如下:(1) 以鐵氟龍墊片,試體破壞模式均為張裂破壞,沒有發生任何彈射現象,碎片以剝落的方式圍繞在試體周圍。(2) 以壓克力板上下黏磨砂紙當作石膏單壓之墊片可增加端奌摩擦,其尖峰強度有略微提高1-2MPa,若試體同時破裂形成很多裂面往往強度比較高,如果只形成單一裂面往往強度較低,其破壞模式均為張裂破壞,試體沒有發生任何彈射現象,碎片也以剝落的方式圍繞在試體周圍。(3)以橡膠當墊片能增加端奌摩擦,具有止滑性且能夠箍住試體上下端奌,雖然發現尖峰強度沒有提高,但發生了岩塊彈射的現象且劈裂聲響比一般情況大的許多。本文經由重複性試驗,以橡膠的確可以模擬出岩爆之動力彈射現象。
本文把本實驗模擬岩爆彈射出去的岩塊做動能計算以獲得有效彈射能,並與國外分析岩爆的四個指數進行相關性分析。獲得以下結論:
(1) 脆性指數,只能展現出石膏之脆性,但因脆性不足硬岩,故單獨使用尚不能表達岩爆的關鍵指標。
(2) 彈性能指數,因為累積足夠的彈性應變能是岩爆必要的條件,故透過橡膠墊片確實可讓石膏在受單壓時,得以累積系統上的彈性能,但相較於一般脆性破壞所累積的彈性應變能,單一指標之差距還是不夠顯著。
(3) 應力降指數,是一個很直觀的岩爆指數,觀察岩爆完整荷載位移曲線,在尖峰強度之後會有很明顯的瞬間應力降段,可知發生明顯的瞬時應力降代表岩塊發生彈射現象,此指數可代表是否發生岩爆相關性最高的指數。
(4) 岩爆彈射綜合指數,因此綜合前述三個岩爆指數予以相乘,除了考慮材料本身的脆性,尚有累積的彈性應變能特性、以及岩爆所導致的應力降,可反映岩爆發生整個過程且符合國外岩爆之標準,驗證了本實驗的可行性以及確認可產生岩爆現象。
英文摘要 Generally, it is necessary to use expensive instruments with high-pressure and high-impact to simulate rock burst. However, this article simulates rock-burst phenomenon by using a general applied laboratory uni-axial compression test. In the experiment, the three gaskets: 1. Teflon gasket 2. Acrylic plate gasket 3. Rubber gasket are separately put onto the upper and lower ends of the compressed gypsum specimen to explore the cause of the destructive mode or rock-burst ejection phenomenon in gypsum by using different gaskets.
The main conclusions of this paper are as follow: (1) When using Teflon gaskets, the destructive modes of the specimens are all tensile failure with no ejection phenomenon occurs. The scraps surround the specimen in a peeling manner. (2) Acrylic plate with sand paper pasted onto the top and the bottom can be used as the gasket in uni-axial compression in gypsum, which increases the end restraint and the peak strength is slightly increased by 1-2 MPa. If the specimen breaks into split faces at the same moment, the strength is usually higher. In contrary, the strength is often lower if it only forms a single split face, and the destructive mode is tensile failure with no ejection phenomenon occurs in the specimen, and it shatters around the specimen in a peeling way. (3) Using rubber as a gasket can increase the end restraint, it is slip-proofing and is able to hoop to the top and the bottom ends of the specimen. Although it turns out that the peak strength is not raised, the phenomenon of rock ejection occurs and the cracking sound is louder than in general situation. Through repetitive experiment, this article figures out that rubber can simulate the dynamic ejection phenomenon of rock burst.

論文目次 第一章 緒論 1
1.1 研究目的 1
1.2 研究動機 4
1.3 研究進行流程 5
1.4研究方法與內容 6
第二章 文獻回顧 7
2.1 岩爆的定義 7
2.2 岩爆發生的機制 9
2.2.1 強度理論 10
2.2.2 衝擊性能理論 10
2.2.3 勁度理論 11
2.2.4 能量理論 11
2.3 實驗室內模擬岩爆 12
2.3.1單軸岩爆試驗 12
2.3.2真三軸岩爆試驗 20
2.4岩爆性能指標 27
2.4.1 能量衝擊性能指標法 28
2.4.2岩爆彈射性能指標(Krb) 29
第三章 單軸壓縮試驗模擬岩爆 35
3.1石膏製作 35
3.1.1國際岩石力學學會(ISRM)試件製備 40
3.2試驗儀器 41
3.3單軸壓縮試驗方案與試驗結果 44
3.3.1以鐵氟龍當墊片之破壞模式 44
3.3.2以壓克力板當墊片之破壞模式 44
3.3.3以橡膠當墊片之破壞模式 45
3.3.4綜合比較鐵氟龍、壓克力板、橡膠(雙片)之力-位移圖 46
3.3.5比較石膏與橡膠(雙片)之勁度關係 46
3.4岩爆之有效彈射能與平均速度計算 61
3.5統計噴距(S) 68
3.6岩爆的碎塊分析與級配曲線 70
第四章 岩爆彈射性能分析與有效彈射能 77
4.1 脆性指數(KU) 78
4.1.1 靜態脆性破壞之脆性指數(Ku)分析 78
4.1.2 岩爆破壞之脆性指數(Ku)分析 79
4.1.3 綜合比較有效彈射能(Weff)與脆性指數(Ku)關係曲線 80
4.2彈性能指數(KW) 85
4.2.1靜態脆性破壞之彈性應變能(WE)分析 85
4.2.2岩爆破壞之彈性應變能(WE)分析 86
4.2.3 綜合比較有效彈射能與彈性應變能關係曲線 86
4.2.4試體的彈性能指數(KW) 87
4.3應力下降指數(KΣ) 95
4.3.1靜態脆性破壞之應力降(σdr)分析 95
4.3.2岩爆破壞之應力降(σdr)分析 96
4.3.3 綜合比較有效彈射能與應力降關係曲線 97
4.3.4試體的應力降指數(Kσ) 97
4.4岩爆彈射性能綜合指數(KRB) 105
4.4.1靜態脆性破壞之彈射性能綜合指數分析 105
4.4.2岩爆破壞之彈射性能綜合指數分析 105
4.4.3綜合比較有效彈射能與岩爆彈射性能綜合指數之相關性 106
4.5研究成果與比較 114
第五章 結論與建議 119
5.1結論 119
5.2建議 121
參考文獻 122
表目錄
表1.1-1鐵氟龍相關參數表 3
表2.3-1單軸壓縮試驗方案 13
表2.3-2單軸壓縮試驗分析結果 14
表2.3-3真三軸壓縮試驗方案 22
表2.3-4試驗結果 23
表2.4-1岩爆彈射性能指數分級 34
表3.1-1 取樣三組試體烘乾養護後之重量 39
表3.4-1 不同噴距所對應的噴射速度 64
表3.4-2 鐵氟龍之有效彈射能與平均速度 66
表3.4-3 橡膠之有效彈射能與平均速度 66
表3.6-1 第一組級配(總重W=43G,W大=39G,W中=2G,W小=2G) 74
表3.6-2 第一組級配第二組級配(總重W=32G,W大=26.2G,W中=3.2G,W小=2.6G) 75
表3.6-3 第三組級配(總重W=14.8G,W大=9.6G,W中=2.6G,W小=2.6G) 76
表4.1-1 本實驗所採用石膏之脆性指數計算(墊片:鐵氟龍) 81
表4.1-2 本實驗所採用石膏之脆性指數計算(墊片:橡膠) 81
表4.2-1 本實驗所採用石膏之彈性應變能計算(墊片:鐵氟龍) 88
表4.2-2 本實驗所採用石膏之彈性應變能計算(墊片:橡膠) 88
表4.2-3 本實驗所採用石膏之彈性能指數計算(墊片:鐵氟龍) 94
表4.2-4 本實驗所採用石膏之彈性能指數計算(墊片:橡膠) 94
表4.3-1 本實驗所採用石膏之應力降結果(墊片:鐵氟龍) 98
表4.3-2 本實驗所採用石膏之應力降結果(墊片:橡膠) 98
表4.3-3 本實驗所採用石膏之應力降指數計算(墊片:鐵氟龍) 104
表4.3-4 本實驗所採用石膏之應力降指數計算(墊片:橡膠) 104
表4.4-1 本實驗所採用石膏之彈射性能綜合指數計算(墊片:鐵氟龍) 109
表4.4-2 本實驗所採用石膏之彈射性能綜合指數計算(墊片:橡膠) 112
表4.5-1 岩石彈射烈度分級表 118
表4.5-2 岩爆彈射性能綜合指數KRB烈度分級表 118
圖目錄
圖1.1-1 花崗岩、石灰岩、頁岩三類岩石UCS變異係數COV範圍 2
圖1.1-2 (A)端奌束制之抗壓行為 (B)端奌束制所造成之圓桶狀試體 3
圖1.3-1 研究進行流程圖 5
圖2.2-1 本文岩爆發展過程 9
圖2.3-1 MTS剛性試驗機........................................................................................13
圖2.3-2 GVCM08.B05型高速攝影機 13
圖2.3-3 大理岩之靜態脆性破壞模式 15
圖2.3-4 花崗岩之單軸岩爆試驗 16
圖2.3-5 岩石單壓作用下之可能破裂模式 17
圖2.3-6 岩石及模擬岩石之各類單壓破裂型態 18
圖2.3-7 單壓試驗條件不同導致不同破裂模式之彈性柔度矩陣型表達 19
圖2.3-8 實驗室現場 21
圖2.3-9 高壓伺服動真三軸試驗機 21
圖2.3-10 實驗操作室 22
圖2.3-11 真三軸壓縮試驗圖 22
圖2.3-12 真三軸壓縮試驗應力路徑曲線 23
圖2.3-13 真三軸壓縮岩爆破壞過程(Y-1) 24
圖2.3-14 真三軸壓縮岩爆破壞過程(Y-4) 25
圖2.3-15 真三軸壓縮岩爆試驗破壞過程簡圖 26
圖2.4-1 能量衝擊性能指數法應力應變全過程曲線 28
圖2.4-2 岩爆探討流程圖 29
圖2.4-3 岩爆彈射試驗示意圖 30
圖2.4-4 加解壓之完整荷載-位移曲線過程示意圖 31
圖2.4-5 有效彈射能與脆性指數關係曲線 33
圖2.4-6 有效彈射能與彈性應變能關係曲線 33
圖2.4-7 有效彈射能與應力降關係曲線 34
圖3.1-1 材料配比 36
圖3.1-2 材料拌合 37
圖3.1-3 澆置模具 37
圖3.1-4 養護 38
圖3.1-5 試體重量隨養護天數遞減至穩定圖曲線 39
圖3.2-1 50噸齒輪慢式壓力機 42
圖3.2-2 LOADCELL 校正圖 43
圖3.2-3 LVDT校正圖 43
圖3.3-1 鐵氟龍尺寸 47
圖3.3-2 鐵氟龍之擺設位置 47
圖3.3-3 鐵氟龍當墊片之破壞模式 48
圖3.3-4 石膏單軸壓縮應力應變圖 49
圖3.3-5 壓克力板尺寸 50
圖3.3-6 試體上下壓克力板之擺設位置 50
圖3.3-7 以壓克力板當墊片之破壞模式 51
圖3.3-8 石膏單軸壓縮之應力應變圖 52
圖3.3-9 形成一主要裂面之單壓試驗結果 52
圖3.3-10 橡膠尺寸 53
圖3.3-11 雙層橡膠之厚度 54
圖3.3-12 橡膠之擺設位子 55
圖3.3-13 以橡膠當墊片之岩爆破壞模式 57
圖3.3-14 以橡膠當墊片模擬岩爆應力應變曲線之一致性 58
圖3.3-15 三種不同墊片之力-位移圖比較 59
圖3.3-16 橡膠(兩片)與石膏壓縮特性之勁度比較 60
圖3.4-1 單軸壓縮試驗示意圖 63
圖3.4-2 以同心圓標記落距圖 63
圖3.4-3 各岩塊彈落距及其設有效彈射能與平均速度之計算 65
圖3.4-2 有效彈射能與平均速度關係(鐵氟龍與橡膠兩種材料) 67
圖3.5-1 以鐵氟龍當墊片之平均噴距統計 68
圖3.5-2 以橡膠當墊片之平均噴距統計 69
圖3.6-1 第一組碎塊的尺寸與樣貌 70
圖3.6-2 第二組碎塊的尺寸與樣貌 71
圖3.6-3 第三組碎塊的尺寸與樣貌 72
圖3.6-4 岩爆之碎片分部曲線(1) 74
圖3.6-5 岩爆之碎片分部曲線(2) 75
圖3.6-6 岩爆之碎片分部曲線(3) 76
圖4-1 加解壓之完整荷載-位移曲線過程示意圖 77
圖4.1-1 加解壓完整荷載-位移曲線之脆性指數分析(10) 82
圖4.1-2 加解壓完整荷載-位移曲線之脆性指數分析(9) 82
圖4.1-3 加解壓完整荷載-位移曲線之脆性指數分析(1) 83
圖4.1-4 加解壓完整荷載-位移曲線之脆性指數分析(2) 83
圖4.1-5 有效彈射能與脆性指數之相關性 84
圖4.2-1 加解壓完整荷載-位移曲線之彈性應變能分析(1) 89
圖4.2-2 加解壓完整荷載-位移曲線之彈性應變能分析(2) 89
圖4.2-3 加解壓完整荷載-位移曲線之彈性應變能分析(3) 90
圖4.2-4 加解壓完整荷載-位移曲線之彈性應變能分析(1) 91
圖4.2-5 加解壓完整荷載-位移曲線之彈性應變能分析(2) 91
圖4.2-6 加解壓完整荷載-位移曲線之彈性應變能分析(3) 92
圖4.2-7 有效彈射能與彈性應變能之相關性 93
圖4.3-1 加解壓完整荷載-位移曲線之應力降分析(6) 99
圖4.3-2 加解壓完整荷載-位移曲線之應力降分析(4) 99
圖4.3-3 加解壓完整荷載-位移曲線之應力降分析(9) 100
圖4.3-4 加解壓完整荷載-位移曲線之應力降分析(2) 101
圖4.3-5 加解壓完整荷載-位移曲線之應力降分析(7) 101
圖4.3-6 加解壓完整荷載-位移曲線之應力降分析(13) 102
圖4.3-7 有效彈射能與應力降之相關性 103
圖4.4-1 加解壓完整荷載-位移曲線之彈射性能綜合指數分析(9) 107
圖4.4-2 加解壓完整荷載-位移曲線之彈射性能綜合指數分析(7) 108
圖4.4-3 加解壓完整荷載-位移曲線之彈射性能綜合指數分析(2) 110
圖4.4-4 加解壓完整荷載-位移曲線之彈射性能綜合指數分析(3) 111
圖4.4-5 有效彈射能與岩爆彈射性能綜合指數之相關性 113
圖4.5-1 有效彈射能之烈度分級 116
圖4.5-2 岩爆彈射性能綜合指數之烈度分級 117
參考文獻 1. 王耀輝、陳莉雯、沈峰(2008),「岩爆破壞過程能量釋放的數值模擬」,岩土力學:第29卷第3期,第791-794頁。
2. 李德建、賈雪娜、苗金麗、何滿潮、李丹丹(2010),「花崗岩岩爆試驗碎屑分形特徵分析」,岩石力學與工程學報:第29卷增1,第3280-3289頁。
3. 汪新紅、王明洋(2006),「岩爆與峰後岩石力學特性」,岩土力學:第27卷第6期,第913-919頁。
4. 周輝、楊凡傑、胡大偉(2015),「岩爆發生過程的能量判别指標」,岩石力學與工程學報:第34卷,第2706-2714頁。
5. 姚寶魁、劉竹華、李春元(1994),「礦山地下開採穩定性研究」,地質調查文獻,北京。
6. 莫純(2015),「硬岩岩爆彈射破壞過程試驗研究」,碩士論文,廣西大學結構工程研究所,廣西。
7. 張傳慶、盧景景、陳珺、周輝、楊凡傑(2017),「岩爆傾向性指標及其相互關係探討」,岩土力學:第38卷第5期,第1397-1404頁。
8. 張鏡劍、傅冰駿(2008),「岩爆及其判據和防制」,岩石力學與工程學報:第27卷第10期,第2034-2042頁。
9. 陶振宇(1991),「高地應力區岩體的岩爆現象」,岩石力學原理與方法,第49-50頁。
10. 馮濤、謝學斌、王文星、潘長良(2000),「岩石脆性及描述岩爆傾向的脆性系數」,岩石力學與工程學報:第27卷第10期,第2034-2045頁。
11. 鄧林、武君、呂燕(2012),「基於岩石應力應變過程曲線的岩爆能量指數法」,鐵道標準設計,第108-111頁。
12. 鄭富書、林銘郎、林鴻州(2000) 「脆性材料之裂面形態及機制初探」國立台灣大學台大工程學刊:第85期,第49-57頁。
13. 譚以安、孫廣忠、郭志(1991),「岩爆岩石彈射性能綜合指數Krb判據」,地質科學:第二期,第193-200頁。
14. Young, J. F.,「材料應力行為」,土木工程材料:科學與應用,第126-127頁。
15. Arindam, B., and Mishra D.A.(2013), “Rock failure modes under uniaxial compression, Brazilian, and point load tests, ” Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 457-475.
16. Bewick, R., Amann F., Kaiser P.K. and Martin D. (2015), “Interpretation of UCS test results for engineering design, ” ISRM Congress 2015 Proceedings - Int’l Symposium on Rock Mechanics.
17. BF R. (1994), “Analysis of rock spalling for tunnels in steep valley sides,” Master Thesis of Science, Norwegian Institute of Technology, Trondheim.
18. Brown, E.T. (1981), “Rock characterization, testing & monitoring, ” ISRM Suggested Methods: 171-183. Oxford, Pergamon.
19. Eberhardt, E. (2012), “The hoek-brown failure criterion, ” Rock Mechanics and Rock Engineering 45(6): 981-988.
20. Li, X., Wang S. and Wang S. (2018), “Experimental investigation of the influence of confining stress on hard rock fragmentation using a conical pick, ” Rock Mechanism and Rock Engineering 51(1): 255-277.
21. Langford, J.C. and M.S.Diederichs (2015), “Quantifying uncertainty in Hoek–Brown intact strength envelopes, ” International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 74: 91–102.
22. Kahraman S. (2001), “Evaluation of simple methods for assessing the uniaxial compressive strength of rock, ” International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 38(7): 981-994.
23. Mardalizad, A., Scazzosi R., Manes A., and Giglio M.(2017), “Testing and numerical simulation of a medium strength rock material under unconfined compression loading,” Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 10(2): 197-211.
24. Mogi, K. (1971), “Effect of the triaxial stress system on the failure of dolomite and limestone, ” Tectonophysics 11(2): 111-127.
25. Paterson, M.S. and Wong T. F. (1999), “Experimental studies on the brittle fracture stress,” Experimental Rock Deformation - The Brittle Field. 17-41
26. Ruffolo, R.M. and Shakoor A.(2009), Variability of unconfined compressive strength in relation to number of test sample, Engineering Geology 108(1-2): 16-23.
27. Tarasov B. and Stacey T.R.(2017), “Feature of the energy balance and fragmentation mechanisms at spontaneous failure of class I and class II rocks, ” Rock Mechanics and Rock Engineering 50(4): 2563-2584.
28. Ulusay, R.(2015), “Suggested methods for determining the dynamic strength parameters and mode-I fracture toughness of rock materials,” The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring, pp. 35-44. Ankara, Turkey.
29. Xu, Y.H. and Cai M. (2017), “Influence of loading system stiffness on post-peak stress-strain curve of stable rock failures, ” Rock Mechanics and Rock Engineering 50(9): 2255-2275.
30. Zhao,T. B., Guo, W.Y., Tan, Y.L.,Cai, L.S. and Pan, J.F. (2018) “Discussion of the rock burst mechanism and mitigating strategies,” Case Studies of Rock Bursts Under Complicated Geological Conditions During Multi-seam Mining at a Depth of 800 m, 1555-1561.

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