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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張家榮
研究生(外文):Jia-rong Chang
論文名稱:岩層受壓選擇形成韌性剪切帶或褶皺之機制-數值模擬探討
論文名稱(外文):Development of Compressed Layer into Fold or Ductile Shear Zone- Numerical Simulation and Analysis
指導教授:盧佳遇盧佳遇引用關係鄭富書鄭富書引用關係
指導教授(外文):Chia-yu LuFu-shu Jeng
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:地質學研究所
學門:自然科學學門
學類:地球科學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2000
畢業學年度:88
語文別:中文
論文頁數:114
中文關鍵詞:斷層褶皺韌性剪切帶數值模擬有限元素法重力彈塑性阻抗比
外文關鍵詞:faultfoldductile shear zonenumerical simulationfinite element methodgravityelastic-plasticcompetence ratio
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本研究為利用有限元素法模擬斷層與褶皺形成選擇之變因,主要就三大類型進行模擬與分析。第一類型為上下方無束制之硬層(competent layer),第二類型為下方存在一彈性介質與硬層相連(welded),第三類型為上下方皆存在與硬層相連之彈塑性行為之介質。
經力學分析與探討進而利用數值模擬驗證發現,影響斷層與褶皺形成選擇之變因包括:(1)初始擾動;(2)硬層材料之力學性質與硬軟層(軟層即模擬案例中之介質)之力學性質的差界(阻抗比);(3)邊界為後阻體或滾輪;(4)重力作用;及(5)物體之尺寸。
初始擾動若在構造的發育過程中,造成局部的應力集中而形成塑性鉸,則較傾向形成尖頂褶皺。材料之力學性質與初始擾動之影響類似,形成塑性鉸之難易,可以影響斷層與褶皺之形成選擇。而阻抗比影響褶皺波長,阻抗比較小的情形下,褶皺波長愈小,形成褶皺所需之作用力愈大,愈不易形成褶皺;阻抗比較大的情形下,易形成褶皺。邊界為後阻體或滾輪之影響為剪力行為之存在與否,無剪力行為存在邊界,斷層不易發育而有形成褶皺的可能。
本研究將重力納入分析,發現重力與尺寸、邊界條件與阻抗比之互動,複雜地影響著構造的發育。在第一類型中,厚度超過100m的岩層在重力作用下難以形成褶皺,在第二類型中,尺寸大小與阻抗比交互影響褶皺與斷層之形成選擇。
顯著波長由夾層與介質之阻抗比決定。在第三類型(上下方介質束制)中之模擬模式,以幾何線性模式(即假設小變形)模擬的結果,並無阻抗比影響形成褶皺波長之現象,但在幾何非線性模式中(即假設有限應變),夾層與介質之阻抗比影響形成褶皺之波長。
This research is based on finite element method to explore the factors that effect the selection of geological structures forming ductile shear zone or folding. The simulations are classified into three categories. The first is an unconstrained layer in compression. The second is a competent layer resting on an elastic matrix in compression. The third is a competent layer embedded in incompetent matrix in compression.
Through mechanical analysis and numerical simulation discover that the factors effect the transition of faults and folds are 1. Initial perturbation (initial geometry) 2. Competence ratio 3. Boundary (with roller as boundary or backstop as boundary) 4. Gravity loading 5. The dimension of layer.
Initial perturbation implies the stress concentrations and makes the layer to form chevron folds if there is a plastic hinge. The strength of the material determines forming plastic hinge or not, and this is the factor of developing faults or folds. The competence ratio effects the wavelength of folds. The longer the wavelength; the smaller the force need to produce buckling. The boundary conditions determine if there is shear stress in the boundary. If there were no shear stress in the boundary, there would be no faults.
The effect of gravity, boundary conditions, and competence ratios interact simultaneously. In the first category, the larger the thickness is; the more difficult to form fold. In the second category, the dimensions and competence ratio effect the formations of folds and faults simultaneously.
Dominant wavelength was determined by the competence of matrix and layer. In the third category was simulated illustrates that with linear geometry simulations. There is no buckling behavior. But, under the simulation of non-linear geometry, the dominant wavelength was determined by the competence ratio.
目錄
第一章 概論 1
1.1研究動機 1
1.2研究目的與方法 2
1.3本文研究 2
第二章 前人研究 4
2.1褶皺的力學分析 4
2.2褶皺的數值模擬與物理模型 5
2.2.1褶皺的物理模型 5
2.2.2褶皺的數值模擬 6
2.3斷層的數值模擬與物理模型 7
2.3.1以FEM模擬正斷層 7
2.3.2以DEM模擬砂箱正斷層 7
2.3.3以FEM模擬逆斷層 8
2.3.4數值模擬中力學行為模式的選擇 8
2.4地質構造模擬上的尺度理論 8
第三章 地質構造之數值模擬 10
3.1關於構造地質與力學 10
3.1.1彈性力學 10
3.1.2塑性力學 11
3.1.3塑性行為描述 12
3.2關於數值模擬 16
3.2.1數值模擬分析方法簡介 17
3.2.2有限差分法(Finite Difference Method) 17
3.2.3有限元素法(Finite Element Method) 18
3.2.4個別元素法(Distinct Element Method; DEM) 21
3.2.5地質構造之物理模型與數值模擬 21
3.2.6構造地質學與數值模擬 21
3.2.7地質構造與數值模擬 22
3.3數值模擬中之褶皺與斷層 23
第四章 無束制岩層受水平壓縮所產生之構造 25
4.1數值分析模型規劃 25
4.1.1關於幾何外形 25
4.1.2關於彈性行為之力學參數 25
4.1.3允許拱彎行為發生之設計 26
4 .2初始波形之影響-以彈性材料為例 27
4 .2 .1數值模擬之基本案例 27
4.2.2初始擾動波長的影響 27
4 .2 .3相角的影響 27
4 .3材料性質之影響 28
4 .3 .1幾何外形對褶皺與斷層形成選擇之影響 28
4 .3 .2岩層強度對褶皺與斷層形成選擇之影響 29
4 .4重力作用-正交流與非正交流之模擬 31
4 .4 .1重力作用之模擬之基本案例 31
4.4.2重力作用之塑性非正交流行為之模擬 33
4 .5重力作用-相似形尺寸(P0g/P1g) 33
4 .5 .1重力作用下的拱彎行為力學分析 33
4 .5 .2重力作用下相似形尺寸之模擬 37
4 .5 .3自然界與構造地質的尺寸現象 38
4.6無初始波形之模擬-以預壓縮擾動法模擬無束制岩層 38
4 .7討論 39
4 .8結論 40
第五章 底部介質束制岩層受水平壓縮所產生之構造 41
5.1彈性行為之分析與模擬 41
5.1.1底部介質束制岩層拱彎行為之力學分析 42
5.1.2褶皺波形與傅利葉分析 45
5.1.3底部介質束制岩層拱彎行為彈性模式數值模擬 47
5.2彈塑性行為之模擬 49
5.2.1 阻抗比對褶皺與斷層形成之影響 50
5.2.2 阻抗比行為模擬之模型規劃 50
5.2.3 阻抗比行為模擬之結果與觀察 50
5.3重力作用-正交流與非正交流之模擬 51
5.3.1非正交流模擬之案例 51
5.3.2非正交流對斷層與褶皺形成選擇之影響 52
5.4重力作用-相似形尺寸 52
5.5重力作用-不同g值下之預壓縮彎矩擾動法之模擬 53
5.6討論 54
5.7結論 55
第六章 介質束制岩層受水平壓縮所產生之構造 57
6.1應用無限元素之模擬 57
6.1.1應用無限元素數值模型相關設定 57
6.1.2模擬結果 58
6.1.3不使用無限元素之同參數案例模擬結果 59
6.2線性幾何模式與非線性幾何模式之模擬 59
6.2.1有限應變之模擬 59
6.2.2線性(小應變)與非線性幾何模式(有限應變)之比較 60
6.2.3波長選擇之行為 60
6.3討論 61
6.4結論 61
第七章 結論與建議 63
7-1結論 63
7-2建議 64
表目錄
表4.1.1 第四章模擬案例使用力學參數、擾動方式列表 69
表4.5.1 不同尺寸下有無重力作用形成拱彎所需作用力圖 70
表5.1.1 第五章模擬案例使用力學參數、擾動方式列表 71
表5.1.2 y=cos(0.02466 x)之DFT結果 73
表5.1.3 理論計算波長與數值模擬結果列表 74
表6.1.1 第六章模擬案例使用力學參數、擾動方式列表 75
圖目錄
圖2.1 Biot(1959),黏彈性行為下顯著波長理論推導之模型 76
圖2.2 Currie(1962)提出之彈性行為褶皺波長 76
圖2.3 Cobbold所用之三種不同的擾動方式 77
圖2.4 Saltzer (1992)模擬砂箱物理模型 77
圖2.5 由左側元素開始左移 78
圖3.1.1 彈性行為 79
圖3.1.2 塑性行為 79
圖3.1.3 A-B點:理想塑性行為 79
圖3.1.4 剛塑性行為 80
圖3.1.5 O-A-B點:理想彈塑性行為 80
圖3.1.6硬化(hardening)行為 80
圖3.1.7 Extended Drucker-Prager伏服準則 81
圖3.1.8 Drucker-Prager’s Criteria 81
圖3.2.1 模擬(simulation)的流程 81
圖4.1.1 第四章之模擬基本數值模型外觀 82
圖4.2.1 1-layer-01初始擾動波形 82
圖4.2.2 1-layer-01位移圖,左側推移量為90m 83
圖4.2.3 1-layer-01軸向應力等應力圖(s11) 83
圖4.2.4 1-layer-03初始擾動波形 84
圖4.2.5 1-layer-04初始擾動波形 84
圖4.2.6 1-layer-03軸向應力等應力圖(s11) 84
圖4.2.7 1-layer-04軸向應力等應力圖(s11) 85
圖4.2.8 1-layer-05初始擾動波形 85
圖4.2.9 1-layer-05軸向等應力圖,左側推移90m 85
圖4.3.1 1-layer-11變形圖 86
圖4.3.2 1-layer-11塑性變形量分佈圖 86
圖4.3.3 1-layer-12變形圖 87
圖4.3.4 1-layer-12塑性變形量分佈圖 87
圖4.3.5 1-layer-12 1方向應力分佈圖 88
圖4.3.6 1-layer-12初始擾動波形 88
圖4.3.7 1-layer-15變形圖 88
圖4.3.8 1-layer-15之塑性應變量分布圖 89
圖4.3.9 1-layer-15之1方向的應力分布圖 89
圖4.3.10 1-layer-16變形圖 90
圖4.3.11 1-layer-16塑性應變分布圖 90
圖4.3.12 1-layer-16之1方向的應力分布圖 91
圖4.3.13 1-layer-16主應力向量圖 91
圖4.4.1 1-layer-21之模型外觀 92
圖4.4.2 1-layer-21塑性應變分布圖 92
圖4.4.3 1-layer-21-elas-0g變位圖 92
圖4.4.4 1-layer-21-elas-0g之1方向應力圖 93
圖4.4.5 1-layer-21-bf塑性應變分布圖 93
圖4.4.7 1-layer-24-bf塑性應變分布圖 94
圖4.5.1 受水平壓應力與重力作用之岩層外觀 95
圖4.5.2 受壓縮岩層縮短與中點側向變位 95
圖4.5.3 不同尺寸下有無重力作用形成拱彎所需作用力 96
圖4.5.4 1-layer-22-1-10變形圖,左端推移量為3.4m 96
圖4.5.5 1-layer-22-1-10塑性應變分布圖 97
圖4.5.6 1-layer-22-1-10 1方向應力分布圖 97
圖4.5.7 大甲蟲與小非洲象 98
圖 4.6.1 不同模擬方式下左側反力與位移作圖 99
圖 4.6.2 位移相對能量作圖 99
圖5.1.1 彈性行為數值模型外觀 100
圖5.1.2 彈性行為數值模型邊界條件 100
圖5.1.3 不同束制狀況下樑的拱彎行為 100
圖5.1.4 於時間域(time domain)的函數f(t)與頻率域(frequnecy)的函數F(iw) 101
圖5.1.5 y=cos(0.2466 x)函數之DFT值函數圖 101
圖5.1.6 h-space-02-r200變位圖 101
圖5.1.7 h-space-02-r100變位圖,左側推移250m 102
圖5.1.8 h-space-02-r050變位圖,左側推移250m 102
圖5.1.9 h-space-02-r020變位圖,左側推移250m 102
圖5.1.10 四個不同阻抗比之理論分析與數值模擬結果之傅利葉分析 103
圖5.2.1 hs-01之數值模型 104
圖5.2.2 hs-01-1g-r400與r050塑性應變分布圖 104
圖5.3.1 hs-04-1g塑性應變分布圖 105
圖5.3.2 局部放大之塑性分布圖 105
圖5.5.1 hs-10-0g-elas模型幾何外觀與變位圖 109
圖5.5.2 不同g值下之變位圖 109
圖5.5.3 彈塑性模型位移對反力作圖 110
圖6.1.1 應用無限元素模型外觀 111
圖6.1.2 塑性應變分佈圖,水平縮短量20%,中央部份達較高之塑性 112
圖6.1.3 各階段水平方向變形量,應變最終集中在中央 112
圖6.1.4 不使用無限元素之案例1-3-pt-r200塑性應變圖,水平壓縮量為10% 113
圖6.1.5 不使用無限元素之案例1-3-pt-r200 113
圖6.2.1 使用線性與非線性幾何模式模擬結果(R=200) 113
圖6.2.2 不同R(competence ratio)值下之塑性應變分佈圖 114
中文部份:
徐秉業,劉信聲 (1993) 應用彈塑性力學。北京清華大學出版社,525頁。
楊永鈺譯;Vogel, Steven 著 (1999) 貓掌與彈弓─當自然設計遇上人類科技,先覺出版社,491頁。
何春蓀 (1989) 普通地質學,第三版。五南圖書出版公司,751頁。
卿建業 (1995),人工軟弱岩石承載行為之數值分析,國立台灣大學碩士論文,台北。
蕭銘璽 (1996) 北港基盤高區附近新構造運動之數值模擬,國立台灣大學地質學研究所碩士論文,台北。
張國禎 (1998),台灣西部基盤高區對鄰近主要新構造影響之三維模擬,國立台灣大學碩士論文,台北。
張迺禎 (1999),褶皺之數值模擬與力學機制初探,國立台灣大學碩士論文,台北。
張家榮、張國楨、蔣正興(1998),應用有限元素法模擬正斷層,地質學會年會摘要。
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