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研究生:王元度
研究生(外文):Yuan-Tu Wang
論文名稱:小型振動台之模型邊坡動態試驗研究
論文名稱(外文):Dynamic Test of Model Slope Using Small Shaker
指導教授:林美聆林美聆引用關係
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:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:163
中文關鍵詞:模型邊坡振動台動態行為相似律反應分析
外文關鍵詞:model slopeshaking tabledynamic behaviorlaw of similarityresponse analysis
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一九九九年九月二十一日,集集大地震襲擊中台灣,造成人員傷亡、房屋倒塌,許多邊坡嚴重破壞,為更深入了解邊坡之破壞機制,林美聆與王國隆自二○○三年起於國家地震中心進行「大型模型邊坡之振動台試驗」,探索邊坡之動態行為。但礙於大型試驗試體準備時間較長及經費耗費甚鉅,為能於大型試驗進行前預先模擬,因此王國隆開發小型振動台,期利用小型土壤模型振動試驗,進行先期定性研究以降低大型試驗之風險,產生互補作用。

本研究以越南峴港砂為試驗材料,透過剪力波元件試驗與共振柱試驗獲得試驗土壤之動態特性,包括剪力波速、最大剪力模數及剪力模數和阻尼比對剪應變之關係曲線。利用小型振動台進行模型邊坡動態試驗,模擬邊坡受震情形,藉由加速度計記錄與影像判視,觀察其受震行為。最後採用FLAC程式分析並驗證模型邊坡試驗之結果,配合STABL程式與Meymand(1998)之模型相律關係,比較模型與原型間之差異。

試驗結果發現振動台之振動模式,可產生頻率7赫茲,加速度振幅0.2g之簡諧振動,使模型邊坡產生近似圓弧型之淺層滑動破壞。而相對密度較低(約40%)之模型邊坡試體,其坡面滑動破壞較相對密度較高者(約70%)發生時機早,主要滑動發生之延時短暫,滑動量大,坡面滑動速率高,試驗前後模型邊坡幾何形狀改變大。而當試體相對密度上升,模型箱邊界對試體之束制情形會愈加明顯,此時應妥善處理邊界以免影響試驗結果。

以FLAC程式模擬小型振動台模型邊坡試驗,可有效模擬分析試驗結果。以STABL程式進行擬靜態分析其臨界加速度大小,與試驗中是否發生破壞之趨勢一致。Meymand之模型相似律,確實可使剪應變量達到一定程度之相似,然而試體之剪力波速與剪力模數難以滿足相似律之要求,係導致誤差之主要原因之一。
The Chi-Chi earthquake struck the central Taiwan on September 21, 1999 and resulted in severe landslide hazard. In order to understand the dynamic slope behavior, Meei-Ling Lin and Kuo-Lung Wang(2005) conducted “large- scale model slope shaking table test” in National Center for Research on Earthquake Engineering since 2003. However, the large scale test is time consuming and difficult to prepare simple. Therefore, the small shaking table was developed to simulate the large scale test and to perform qualitatively preliminary researches to lower the risk of large scale test. The small shaking table test is supplementary test to the large scale test.

The Vietnam sand was used in this research, its dynamic characters, including shear wave velocity, maximum shear modulus, and the relationships of shear modulus and damping ratio versus shear strain were determined. Model slope test using small shaker were executed to simulate and observe the dynamic behavior of slope. Finally, the test results were verified and compared with results of prototype using FLAC, STABL, and similitude law proposed by Meymand(1998).

The result indicates that the small shaker which generated simple harmonic vibration with frequency 7Hz and acceleration amplitude of 0.2g induced circular shallow failure of model slope. The slope failure of model slope with lower relative density, about 40%, than the model slope with higher relative density, and with about 70%, occurred earlier, within shorter duration, larger slip volume and faster slipping rate, and resulting more change in shape. The constraint of model box boundaries becomes more significant while samples’ relative density increased.

The FLAC program used in this study appeared to be able to effectively analyze small-scale model slope. The critical acceleration computed using STABL in the pseudo-static is consistent with the model slope failure condition. The similitude law by Meymand appeared to satisfy the similarity between model and prototype in shear strain, however, due to the limitation in scaling of shear wave velocity and shear modulus, error was introduced.
誌謝 Ⅰ
摘要 Ⅱ
Abstract Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 1
1.3 研究方法與內容 2
第二章 前人文獻 5
2.1 邊坡破壞之因素與型式 5
2.1.1 引致邊坡破壞之因素 5
2.1.2 邊坡破壞型式 6
2.2 動態邊坡破壞分析方法簡介 9
2.2.1 擬靜態法 10
2.2.2 滑動塊體法 12
2.2.3 動態反應分析 14
2.3 模型邊坡振動台試驗 15
2.3.1 Wartman之試驗 15
2.3.2 Uwabe之試驗 17
2.4 模型相似律 18
2.4.1 岡本舜三 19
2.4.2 香川崇章 21
2.4.3 白金漢π法 24
第三章 試驗土壤之基本物性與動態特性 37
3.1 試驗目的與規劃 37
3.2 基本性質試驗 38
3.2.1 基本物理性質試驗 38
3.2.2 毛細作用與保水特性 39
3.2.3 直接剪力試驗 40
3.3 剪力波元件試驗 41
3.3.1 剪力波元件簡介 41
3.3.2 剪力波元件試驗設備 42
3.3.3 試驗步驟 43
3.3.4 試驗結果 45
3.4 共振柱試驗 45
3.4.1 共振柱試驗原理 46
3.4.2 共振柱試驗設備 49
3.4.3 試驗步驟 50
3.4.4 試驗結果計算 51
3.5 試驗土壤之動態曲線 53
3.5.1 動態剪力模數 53
3.5.2 阻尼比 54
第四章 小型振動台簡介 75
4.1 小型振動台設備 75
4.1.1 小型振動台振動原理 76
4.1.2 小型振動台試驗設備 76
4.2 小型振動台測試 80
4.2.1 空箱測試 80
4.2.2 邊界效應 82
4.2.3 放大效應 83
第五章 模型邊坡試驗 96
5.1 試體製作方法 96
5.1.1 乾霣降法 96
5.1.2 乾搗法 97
5.2 試驗步驟 98
5.3 試驗規劃 100
5.4 模型邊坡試驗結果 101
5.1.1 試驗結果觀察 101
5.3.2 坡面位移場 104
5.3.2 加速度歷時 106

第六章 數值模式分析 127
6.1 數值模式 127
6.1.1 組成律模式 128
6.1.2 動態分析參數設定 131
6.1.3 其它輸入參數設定 133
6.1.4 邊界設定與輸入振動 134
6.2 FLAC程式分析結果 135
6.2.1 試驗4之分析結果 135
6.2.2 試驗6之分析結果 136
6.3 尺寸比為100之原型探討 137
6.3.1 STABL程式分析尺寸比為100之原型 137
6.3.2 FLAC程式分析尺寸比為100之原型 139
第七章 結論與建議 152
7.1 結論 152
7.2 建議 153

參考文獻 155
附錄A 模型邊坡試驗尺寸示意圖 159
附錄B FLAC程式輸入範例說明 161
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