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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:沈朝偉
研究生(外文):Chao-Wei Shen
論文名稱:力行產業道路五處崩塌地崩積層的試驗與研究
論文名稱(外文):Testing and Study on Colluvium from Five Sliding Locations Along Lixing Industrial Road
指導教授:徐松圻徐松圻引用關係
指導教授(外文):Sung-Chi Hsu
口試委員:馮正一林基源
口試委員(外文):Zheng-Yi FengJi-Yuan Lin
口試日期:2014-10-04
學位類別:碩士
校院名稱:朝陽科技大學
系所名稱:營建工程系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:132
中文關鍵詞:力行產業道路崩積土大型直剪試驗土柱試驗Geo-Studio
外文關鍵詞:Lixing Industrial Roadcolluvial soillarge-scale direct shear testssoil column experimentsGeo-Studio
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極端氣候下各種天災豪大雨,常造成山區山壁崩塌、路基淘空流失,頻頻傳出坡地災害造成道路封閉,為了解(投89線道)力行產業道路地質、水文、環境及配合現地狀況,本研究針對道路之崩積層進行採樣及大型直剪試驗,以求得相關剪力參數,供後續分析用。
本研究位於南投縣仁愛鄉之力行產業道路沿線12.3K、15.85K、22.53K、32.5K及49K崩塌地,現地進行崩積土層篩分析及現地密度試驗,由統一土壤分類法歸類為越級配礫石土壤。進行室內基本物理、夯實試驗,求得現地土壤溼單位重及最佳含水量約在4.4~8.2%。並改良之大型直剪試驗,推估飽和及不飽和土壤剪力強度參數。為求此類崩積土層之滲透係數,設計一土柱量測滲透係數,其量測結果為0.04cm/sec,及用壓力鍋量土壤之水分特性曲線。大型直剪試驗結果飽和土壤摩擦角約為31.9到42.2度。而22.53K處及49K處之摩擦角較高於其他處,推估原因為夯實試體單位重明顯高於其他處單位重,且夯實試驗所得最大乾密度也大於其他的土樣。除22.53K及49K之摩擦角外,其他摩擦角平均為33度,凝聚力平均為0.83kg/cm2。後續使用Geo-Studio進行數值模擬,以莫拉克颱風時的雨量,分析降雨時邊坡崩塌的情形,以得到目前現地之安全係數及可能崩滑範圍。
關鍵詞:崩積土、大型直剪試驗、土柱試驗、Geo-Studio

The world has faced extreme weather conditions with heavy rainfall and natural disasters very often during past 10 years. The outcome of the results often causes slides and rock falls, debris flow, erosion of road bases, and slope failures in the mountain areas of Taiwan. In order to understand the geology, hydrology, environment, and in situ condition of Lixing industrial road, the colluvium samples are taken in situ to study the material properties. Large direct shear tests are performed to obtain the shear strength of the soil.
The study site is along the Lixing industrial road located in Renai Township of Nantou County. Five major sliding locations, 12.3, 15.85, 22.53, 32.5, and 49 K, are chosen for this study. Sieve analyses are run in situ and in the laboratory. The colluvium soil can be classified as gap-graded gravel. Index property and compaction tests are carried out and the optimum moisture content is around 4.4 to 8.2%. A modified large direct shear test device, 25x25x42 cm, is designed to run unsaturated and saturated shear strengths of the colluvium. The permeability of the soil, 0.04 cm/sec, is measured by using a 15 cm diameter soil column. Pressure plate is used to obtain the soil water characteristic curve (SWCC).
The friction angles of saturated colluvium from large direct shear tests are 31.9~42.2 degrees. The compacted unit weight of the soils from 22.53 K and 49 K are higher than the other places, and may cause the corresponding friction angle is also higher. The average friction angle and cohesion of the other three locations are 33 degrees and 0.83 kg/cm2, respectively. Numerical simulation using the software by Geo-Studio is performed to simulate the rainfall during Typhoon Moraka. The slope stability and range of potential landslide are revealed.
Keywords: colluvial soil, large-scale direct shear tests, soil column experiments, Geo-Studio

目錄
摘要...I
ABSTRACT...II
致謝...III
目錄...IV
圖目錄...VIII
表目錄...XIV
第一章、 緒論...1
1.1 前言...1
1.2 研究動機與目的...1
1.3 研究位置...2
1.4 研究流程與方法...5
第二章、文獻回顧...7
2.1 邊坡破壞與形式之探討...7
2.2 降雨對邊坡破壞之研究...14
2.3不飽和土壤...14
2.4土壤吸力理論...16
2.5土壤水分特性...17
2.6非飽和剪力強度...20
2.7降雨入滲現象...21
2.8土壤滲透係數推估...23
2.9礫石層材料特性研究...24
2.10台灣邊坡災害之相關研究...27
2.11 土壤柱體之相關研究...28
2.12 GEO-STUDIO之相關研究...29
2.13台灣崩積土層之相關研究...30
第三章、力行產業道路背景介紹...32
3.1 地形與地質...32
3.1.1 地形...32
3.1.2地質...34
3.2 氣象及水文...36
3.3 歷年天災及破壞資料...37
3.4 力行產業道路五處現地災害現況...39
第四章、基本物理試驗與結果...45
4.1土壤基本參數試驗...45
4.1.1現地取樣及物理性試驗...45
4.1.2 篩分析試驗...47
4.1.3決定級配曲線及粒徑大小...48
4.1.4 室內夯實試驗...51
4.1.5 夯實能量...61
4.2 壓力鍋試驗...62
4.2.1試驗步驟...63
4.2.2 試驗結果...66
4.3 土壤柱體試驗儀...67
4.3.1 土壤柱體試驗儀介紹...68
4.3.2 MP-406B含水量計...70
4.3.3 MP-406B含水量計校正方法...71
4.3.4 MP-406B含水量計校正結果...73
4.3.5 T5張力值系統...76
4.3.6 T5張力計校正方法與結果...78
4.3.7 量測崩塌點12.3K之土壤滲透係數...79
第五章、大型直剪試驗儀...83
5.1 大型直剪儀器...83
5.2 試驗記讀方式...88
5.3 感應器及摩擦力校正...91
5.3.1 感應器校正及摩擦力試驗結果...91
5.4 大型直剪試驗步驟...94
5.5 大型直剪試驗綜合結果...99
5.5.1 崩塌點12.3K直剪試驗結果...99
5.5.2 崩塌點15.85K直剪試驗結果...102
5.5.3 崩塌點22.53K直剪試驗結果...104
5.5.4 崩塌點32.5K直剪試驗結果...105
5.5.5 崩塌點49K直剪試驗結果...107
5.5.6 大型直剪試驗結果比較...110
第六章、數值模擬分析與結果...112
6.1地層特性參數...113
6.2分析剖面及穩態分析結果...114
6.3降雨時之瞬態分析結果...118
6.4邊坡穩定分析結果...120
第七章、結論與建議...123
7.1結果...123
7.2建議...124
參考文獻...125
圖目錄
圖1- 1力行產業道路沿線邊坡位置圖...3
圖1- 2力行產業道路沿線邊坡研究地點...4
圖1- 3研究流程圖...6
圖2- 1邊坡破壞之類型(摘自Varnes, 1978)...13
圖2- 2不飽和土壤組成示意圖(摘自Fredlund, 1977)...15
圖2- 3不飽和土壤依空氣在土壤中的存在方式(摘自Bao et al. , 1998)...16
圖2- 4典型的土壤水份特性曲線 (摘自Fredlund and Xing, 1994)...18
圖2- 5降雨入滲行為(修改自Mein and Larson,1973)...22
圖3- 1 12.3K、15.85K、22.53K及32.5K等調查區次子集水分區圖...33
圖3- 2 49k調查區次子集水分區圖...34
圖3- 3力行產業道路地層與地質構造圖...35
圖3-4 崩塌點12.3K現況照片...39
圖3- 5 崩塌點12.3K現況照片...40
圖3- 6崩塌點15.85K現況照片...40
圖3- 7 崩塌點15.85K現況照片...41
圖3- 8 崩塌點22.53K現況照片...41
圖3- 9 崩塌點22.53K現況照片...42
圖3- 10 崩塌點32.5K現況照片...42
圖3- 11崩塌點32.5K現況照片...43
圖3- 12 崩塌點49K現況照片...43
圖3- 13 崩塌點49K現況照片...44
圖4- 1力行產業道路12.3k及以等重量替代法所得之粒徑分佈曲線...49
圖4- 2力行產業道路15.85k及以等重量替代法所得之粒徑分佈曲線...50
圖4- 3力行產業道路22.53k及以等重量替代法所得之粒徑分佈曲線...50
圖4- 4力行產業道路32.5k及以等重量替代法所得之粒徑分佈曲線...51
圖4- 5力行產業道路49k及以等重量替代法所得之粒徑分佈曲線...51
圖4- 6 12.3k夯實試驗結果...54
圖4- 7 15.85k夯實試驗結果...56
圖4- 8 22.53k夯實試驗結果...57
圖4- 9 32.5k夯實試驗結果...59
圖4- 10 49k夯實試驗結果...60
圖4- 11壓力鍋及控制閥門...62
圖4- 12壓克力環及紗布...64
圖4- 13陶瓷版飽和過程...64
圖4- 14毛細現象使土樣飽和過程...65
圖4- 15壓力鍋底層陶瓷板及試體飽和情形...65
圖4- 16記錄試體重量變化...66
圖4- 17壓力鍋試驗結果及計算所得之土壤水分特性值及回歸曲線...67
圖4- 18土壤柱體示意圖...68
圖4- 19土壤柱體設計圖...69
圖4- 20土壤水分含量計(MP-406B)...71
圖4- 21 KYOWA UCAM-60A資料擷取器...71
圖4- 22含水量計初步校正結果...72
圖4- 23體積含水量之校正結果(1號)...74
圖4- 24體積含水量之校正結果(2號)...75
圖4- 25體積含水量之校正結果(3號)...75
圖4- 26體積含水量之校正結果(4號)...76
圖4- 27 UMS-T5張力計...77
圖4- 28 GL220型號紀錄器...77
圖4- 29電源供應器...78
圖4- 30張力計校正結果...79
圖4- 31安裝替代鋼針...80
圖4- 32將土柱灌水使其飽和...81
圖4- 33夯實且灌水之情形...81
圖4- 34飽和土壤滲透試驗流程示意圖...82
圖5- 1大型直剪試驗儀,含壓載軸、油壓系統與量測儀器...84
圖5- 2大型直剪試驗儀垂直剖面圖...85
圖5- 3大型直剪試驗儀剪力盒之上視及展開圖...85
圖5- 4大型直剪內之剪力盒大小與尺寸...86
圖5- 5剪動馬達最大推力為98.1kN,最快剪動速率為12mm/min...87
圖5- 6加載正向力之油壓系統...87
圖5- 7 KYOWA UCAM-60A資料擷取器...88
圖5- 8以PC控制資料擷取器之資料及其操作介面...89
圖5- 9 98.1kN荷重計量測試體所承受之剪力...89
圖5- 10利用10cm之LVDT來量測試驗水平變位...90
圖5- 11利用5cm之LVDT來量測試驗垂直變位...90
圖5- 12垂直荷重計校正曲線...92
圖5- 13水平荷重計校正曲線...92
圖5- 14水平變位LVDT校正曲線 ...93
圖5- 15垂直變位LVDT校正曲線 ...93
圖5- 16剪力盒之摩擦力試驗結果...94
圖5- 17分層夯實過程中用修正夯實錘...97
圖5- 18分層夯實過程中用修正夯實錘及需將壓載軸傾斜置放...97
圖5- 19將水灌至剪力面上使其飽和...98
圖5- 20剪速控制面板及使用之剪動速率...98
圖5- 21在12.3K處不同正向力下飽和土壤剪應力與水平位移之關係...101
圖5- 22在12.3K處不同正向力下不飽和土壤剪應力與水平位移之關係...101
圖5- 23在12.3K處正向應力與剪應力之關係...102
圖5- 24在15.85K處不同正向力下剪應力與水平位移之關係...103
圖5- 25在15.85K處正向應力與剪應力之關係...103
圖5- 26在22.53K處不同正向力下剪應力與水平位移之關係...105
圖5- 27在22.53K處正向應力與剪應力之關係...105
圖5- 28在32.5K處不同正向力下剪應力與水平位移之關係...107
圖5- 29在32.5K處正向應力與剪應力之關係...107
圖5- 30在49K處不同正向力下飽和土壤剪應力與水平位移之關係...109
圖5- 31在49K處不同正向力下不飽和土壤剪應力與水平位移之關係...109
圖5- 32在49K處正向應力與剪應力之關係...110
圖6- 1翠巒雨量站的莫拉克雨量歷時資料(經濟部水利署)...113
圖6- 2 A-A’剖面及C-C’剖面分布位置圖...115
圖6-3 A-A’剖面及地層分布...116
圖6-4 C-C’剖面及地層分布圖...116
圖6-5 A-A’之穩態分析結果與孔隙水壓分佈情形...117
圖6-6 C-C’之穩態分析結果與孔隙水壓分佈情形...117
圖6-7 A-A’之瞬態分析邊界設置情形...118
圖6-8 A-A’剖面在第105小時之孔隙水壓分佈...119
圖6-9 A-A’剖面在第115小時之孔隙水壓分佈...119
圖6- 10 C-C’剖面在第93小時之孔隙水壓分佈...120
圖6-11 A-A’剖面在降雨期間之邊坡安全係數...121
圖6-12 A-A’剖面在第115小時之邊坡安全係數及潛在滑動面...121
圖6-13 C-C’剖面在降雨期間之邊坡安全係數...122
圖6-14 C-C’剖面在第93小時之邊坡安全係數及潛在滑動面...122
表目錄
表1- 1台灣重大天然災害損失統計(整理自 內政部消防署網站)...2
表2- 1台灣崩塌地特性(摘自吳佐川,1993)...10
表2- 2台灣卵礫石層透水係數表(整理自陳正勳1988)...24
表2- 3台灣中西部卵礫石層現地直剪試驗(整理自褚炳麟;1989;2010)...26
表2- 4不同地區卵礫石層的摩擦角與凝聚力 鄭敏杰(2011)...27
表2- 5台灣近年崩積土層區域及該區域土壤摩擦角...30
表3- 1 調查區子集水區分布一覽表...32
表3- 2 翠巒雨量站月平均降雨量年表...36
表3- 3 近十年重大事件雨量分析表...37
表3- 4力行產業道路近年災害一覽表...38
表4- 1現地取樣結果...47
表4- 2 12.3k標準夯實試驗結果...53
表4- 3 12.3k修正夯實試驗結果...54
表4- 4 15.85k標準夯實試驗結果...55
表4- 5 15.85k修正夯實試驗結果...55
表4- 6 22.53k標準夯實試驗結果...56
表4- 7 22.53k修正夯實試驗結果...57
表4- 8 32.5k標準夯實試驗結果...58
表4- 9 32.5k修正夯實試驗結果...58
表4- 10 49k標準夯實試驗結果...59
表4- 11 49k修正夯實試驗結果...60
表4- 12 壓力鍋試驗結果...67
表4- 13含水量計初步校正結果...73
表4- 14里程數12.3K之飽和滲透係數...82
表5- 1大型直剪試驗夯實之濕、乾單位重...99
表5- 2大型直剪試驗結果(飽和)...111
表5- 3大型直剪試驗結果(不飽和)...111
表6-1、SEEP/W及SLOPE/W分析時之參數...114



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