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研究生:張迺楨
論文名稱:褶皺之數值模擬與力學機制初探
指導教授:鄭富書鄭富書引用關係林銘郎林銘郎引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
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:1999
畢業學年度:87
語文別:中文
論文頁數:165
中文關鍵詞:褶皺力學機制數值模擬最厲害的複協調褶皺和諧褶皺不和諧褶皺
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台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊之斜聚合帶,為全球現今活動造山帶之一。在板塊持續聚合所產生的大地應力影響下,造成許多正在活動的褶皺、逆斷層等地質構造。
本研究嘗試以數值分析方法模擬各種褶皺構造的發育演化過程,從而探討其主控變因。希望能對於褶皺構造的發展模式、地質條件、影響因素及其形成之力學機制能有更多的了解。文中所探討的褶皺構造大略可分為三類:(1)岩層上下方無介質束制的情況下所產生的褶皺構造;(2) 岩層上下方有介質束制的情況下所形成的褶皺構造;(3)複層岩層形成之褶皺構造。研究結果顯示:
(1) 對上下方無介質束制的褶皺構造而言,尤拉方程式為主導褶皺構造發生的力學機制。其影響因素除了岩層長度及斷面性質外,岩層發生褶皺時的壓縮應變量對褶皺波長也是一個重要影響因素。褶皺波長的平方與岩層長度成正比,與壓縮應變量成反比。當岩層中包含硬層時,仍可以尤拉方程式估計褶皺波長。
(2) 當岩層底部為剛性基盤時,覆土壓力對岩層的挫曲變形行為有很大的束制力,使岩層不容易發生褶皺構造,需要大的水平向擠壓力才能克服覆土壓力的束制,使岩層發生褶皺構造。
(3) 上下方有介質束制的岩層所產生的褶皺構造的力學機制可以由本研究推導之控制方程式決定,當擠壓外力小於 時,岩層未發生挫曲。所發生的褶皺為折彎作用造成,岩層產生的褶皺形狀為隨距離增大而振幅衰減的正弦函數波形。當擠壓外力大於 時,岩層所產生之褶皺構造為拱彎作用造成。其褶皺波形由二組正弦函數所組成,兩組函數有不同的波長,波長由發生褶皺時的外力及岩層的撓曲勁度、介質的束制反力係數共同決定。上述褶皺構造的相位角及振幅大小皆由邊界條件決定。
(4) 對複層褶皺而言,介質對岩層的側向束制力將影響複層岩層所產生的褶皺構造形態。介質的反力係數越大,對岩層產生越大的側向束制,造成上下兩岩層的變形互相干擾而產生和諧褶皺構造。當介質的側向束制較小時,岩層對介質的側向作用力將在介質中分散、平均化而不會影響另一岩層產生褶皺,故兩岩層將由本身的撓曲勁度各自決定所產生的褶皺構造形態,其力學機制與介質中的岩層發生褶皺構造的機制相同。
(5) 當複層褶皺中的厚岩層的撓曲勁度必須比薄岩層大出許多,且薄岩層與介質的彈性模數比適中時,才有可能產生複協調褶皺。
(6) 岩層的材料性質為彈塑性時,會產生尖頂褶皺構造。
(7) 當岩層與介質間界面可滑動分離時所產生之褶皺波長,與界面不可分離時相同。
誌謝 Ⅰ
摘要 Ⅱ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究內容與方法 3
1.4 本文內容 4
第二章 文獻回顧 5
2.1 褶皺構造之幾何形態及成因5
2.2 以彈性模式解釋單一岩層拱彎理論7
2.3 以能量守恆觀點探討褶皺發生機制9
2.4 以黏彈性理論討論褶皺的產生機制11
2.5 有限元素分析 13
2.6 複層岩層的褶皺理論 16
2.7 褶皺發展的歷史 17
第三章 數值分析方法 20
3.1 分析方法介紹 20
3.2 數值分析模型介紹 21
3.3 數值分析模型規劃 22
第四章 無介質束制岩層所產生之褶皺
構造   27
4.1 均質岩層產生的褶皺構造 27
4.1.1 分析結果  28
4.1.2 力學機制探討 29
4.2 包含硬層的岩層所產生的褶皺構造 33
4.2.1 初始壓縮量的影響 33
4.2.2 硬層與軟層的彈性係數比的影響 35
4.2.3 硬層在岩層中的位置的影響 36
4.2.4 硬層厚度的影響 37
4.2.5 討論 38
4.3 覆土壓力 39
4.3.1 岩層底下為剛性基盤 40
4.3.2 岩層底下為軟岩層 42
4.4 彈塑性材料 45
4.5 討論 47
4.6 結論 47
第五章有介質束制岩層所產生之褶皺
構造 50
5.1 數值模型介紹 50
5.2 初始壓縮量的影響 51
5.3 彈性模數的影響 53
5.4 岩層厚度的影響 55
5.5 覆土壓力的影響 55
5.6 界面元素的影響 56
5.7 力學機制探討 57
5.8 以彈簧元素模擬介質的力學行為63
5.9 結論 65
第六章 複層岩層的褶皺構造 68
6.1 和諧褶皺構造 68
6.1.1 分析結果 68
6.1.2 討論 69
6.2 不和諧褶皺構造 71
6.2.1 岩層厚度的影響 71
6.2.2 介質厚度的影響 72
6.2.3 彈性模數比的影響 74
6.2.4 結論 75
6.3 複協調褶皺構造 76
6.3.1 複協調褶皺構造的發育過程77
6.3.2 力學機制探討 78
6.4 結論 79
第七章 結論與建議 81
7.1 結論 81
7.2 建議 83
參考文獻 85
附表 89
附圖 100
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