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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李金龍
研究生(外文):Chin-lung Li
論文名稱:探討降雨與淺層崩塌關係之大型試驗
論文名稱(外文):LARGE-SCALE TESTS FOR INVESTIGATING THE RELATIONSHIP BETWEEN RAINFALL AND SHALLOW SLOPE FAILURES
指導教授:黃景川黃景川引用關係
指導教授(外文):Ching-Chuan Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:地震與防災工程研究所
學門:環境保護學門
學類:環境防災學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2006
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:133
中文關鍵詞:淺層崩塌孔隙水壓含水量
外文關鍵詞:Shallow slope failurePore PressureWater content
相關次數:
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本研究使用國立暨南國際大學之室外大型流槽進行土石流源頭崩塌之大型試驗,探討因降雨造成邊坡崩塌之觸發機制,本實驗使用南投縣眉溪河床的砂石建立長為4m,寬為1.5m,深0.75m,坡角為30°之邊坡,進行人工模擬降雨試驗,使用土壤水份計、孔隙水壓計及雙軸向荷重計等儀器量測邊坡內部之反應,根據研究結果顯示,邊坡破壞大都由於坡腳飽和後強度消失,加上受到滲流與降雨作用發生沖蝕與流失,使邊坡的坡趾支撐力消失成為邊坡破壞主要機制。實驗結果顯示,邊坡底部不透水層之土壤含水量與孔隙水壓在濕橍前線到達時皆形成急劇上昇之反應形態,孔隙水壓反應曲線之反曲點(急劇上昇之起始點)與土壤含水量反應曲線之反曲點發生時間相當一致,因此該時間可做為邊坡破壞初期之概略指標。實驗結果亦顯示,距邊坡表面深度0.2m處之土中含水量反應曲線為兩階段之上昇形態;第一階段之反應顯示溼潤前線下降之過程,此時土體尚未飽和狀態,第二階段之反應則顯示飽和水位上昇過程。在深度0.2m處之土壤達第二階段上昇之反曲點時間時,邊坡已達相當嚴重之破壞狀態。
The present study performed artificial rainfall tests on 4m-long, 1.5m-wide, 0.75m-deep sandy slopes with a slope angle of 30°. This study featured soil moisture and pore water pressure measurements. The objective of this study was to investigate the mechanism of shallow slope failure associated with internal soil moisture and/or pore water pressure responses. It was found that failure of the toe of the slope induced by infiltration and/or rainfall should accounted for the initiation of slope failure. The inflection points on the response curves of soil moisture and pore water pressure for the soil moisture and piozometers placed at the bottom of the slope occurred at approximately the same time, suggesting that these points can be good indicators for the onset of shallow slope failure. It was also shown that the moisture responses for the moisture sensors located 0.2m under the surface can be described by two-step rising curves, corresponding to the downward progress of wet front and upward progress of saturation front (or water table), respectively. The time for the second inflection point was always associated with a relatively extensive failure of the slope.
目 錄
誌謝…………………………………………………………………....I
論文摘要…………………………………………………………….. II
Abstract………………………………………………………………III
目錄……………………………………………………………….…..IV
表目錄……………………………………………………………....IVII
圖目錄………………………………………………………………VIII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 1
1.3 研究內容概述 2
第二章 淺層崩塌發展模式及文獻回顧 9
2.1 淺層崩塌發育過程與發生機制 9
2.2 前人研究部分 10
第三章 儀器介紹與試驗準備 21
3.1 儀器與量測系統 21
3.2 土壤水分計儀器介紹 24
3.2.1 土壤水分計簡介 24
3.2.2 土壤水分計原理 26
3.3 校正儀器方法 27
3.3.1 雙軸向荷重計之率定 27
3.3.2 孔隙水壓計之率定 31
3.3.3 土壤水分計之率定 32
3.4 實驗前現地相關工作介紹 36
3.4.1 土石流流槽介紹 36
3.4.2 流槽高程圖測繪 37
3.4.3 模擬降雨系統校正 37
第四章 研究方法與試驗結果 43
4.1 土壤之基本物理性質 43
4.1.1 土壤粒徑大小分析試驗 43
4.1.2 夯實實驗 43
4.1.3 阿太堡限度試驗與塑性限度試驗 44
4.1.4 土粒比重試驗 44
4.1.5 直接剪力試驗 44
4.2 實驗步驟方法 46
4.3 實驗二結果 57
4.3.2 邊坡破壞過程 57
4.3.3 土壤水份計量測結果 61
4.3.4 孔隙水壓計量測結果 65
4.3.5 正向應力與剪應力量測結果 67
4.3.6 發動摩擦角量測結果 69
4.4 實驗四結果 71
4.4.1 邊坡破壞過程 71
4.4.2 土壤水份計量測結果 75
4.4.3 孔隙水壓計量測結果 79
4.4.4 正向應力與剪應力量測結果 81
4.4.5 發動摩擦角量測結果 84
4.5 實驗六結果 85
4.5.1 邊坡破壞過程 85
4.5.2 土壤水份計量測結果 89
4.5.3 孔隙水壓計量測結果 93
4.5.4 正向應力與剪應力量測結果 95
4.5.5 發動摩擦角量測結果 98
第五章 實驗結果比較 99
5.1 邊坡內部不同位置之含水量反應之關係 99
5.2 邊坡內部不同位置之孔隙水壓反應之關係 104
5.3 降雨強度與含水量反應之關係 107
5.4 降雨強度與孔隙水壓反應之關係 111
5.5 降雨強度與關鍵時間之關係 113
5.6 關鍵時間與左右兩側含水量差變化之關係 114
5.7 邊坡破壞位置與破壞時間之關係 118
第六章 結論與建議 121
參考文獻 122
附 錄 126


表 目 錄
表2-1 實驗土壤性質(SASSA ET AL.2005) 17
表3-1 流量與降雨強度之關係表 41
表3-2 降雨強度、流量和均勻係數之關係表 41
表4-1 直接剪力試驗一之正向應力與剪應力關係表(朱奕璋,2005) 45
表4-2直接剪力試驗二之正向應力與剪應力關係表(朱奕璋,2005) 45
表4-3 現場夯實土壤重量計算表 53
表4-4 實驗相關參數表 57
表4-5 實驗二初始正向力與覆土荷重之關係表 67
表4-6 實驗四初始正向力與覆土荷重之關係表 81
表4-7 實驗六初始正向力與覆土荷重之關係表 95
表5-1 降雨強度與各關鍵時間之關係表 113
表5-2 邊坡破壞位置與破壞時間之關係表 118








圖 目 錄
圖1-1 土石流源頭崩塌試驗槽 4
圖1-3 土石流源頭崩塌試驗槽試樣堆積區域斷面圖 5
圖1-4 研究方法架構圖 6
圖1-5 實驗規劃示意圖 7
圖1-6 內容架構圖 8
圖2-1 崩塌示意圖 (SAHASTER AND KRIZEK ,1978) 9
圖2-3 邊坡破壞模擬試驗之破壞模式 (WANG, AND SASSA, 2002) 10
圖2-4土質分佈圖 (A) (B) 11
圖2-5 現地試驗所發現的土石流源頭崩塌模式(A) 平移滑動 (B) 圓弧形滑動(DAI ET AL. 1998) 13
圖2-6 未發生崩塌前之流槽結構與試驗砂之堆積形狀(OKURA ET AL. 2002) 14
圖2-7 流槽前視圖與側視圖(OKURA ET AL. 2002) 14
圖2-8 第一次實驗崩塌前後之變化示意圖(OKURA ET AL. 2002) 15
圖2-9 流槽3M處,第一次實驗歷時與孔隙水壓、體積應變、移動速度之關係圖(OKURA ET AL. 2002) 15
圖2-10 第三次實驗崩塌前後之變化示意圖(OKURA ET AL. 2002) 16
圖2-11 流槽3M處,第三次實驗歷時與孔隙水壓、體積應變、移動速度之關係圖(OKURA ET AL. 2002) 16
圖2-12 SASSA ET AL. 2005總歸納出之水力變化曲線(註:T:TOP;M1:MIDDLE,JUST ABOVE THE CONTACT SURFACE;M2:MIDDLE,JUST BELOW THE CONTACT SURFACE;B:BOTTOM) 17
圖2-13 土石流源頭破壞模式 (A)區間滑動(包括上、下兩層) (B)土體翻轉滑動(C)上層滑動 (SASSA ET AL. 2005) 18
圖2-14 孔隙水壓力與歷時間之關係圖(SASSA ET AL. 2005) 19
圖2-15 流槽實驗設備整體圖(WANG AND SASSA 2003) 20
圖2-16 為孔隙水壓力與滑動距離及歷時之關係圖(WANG AND SASSA 2003) 20
圖3-1 PCI-6220資料擷取卡 21
圖3-2 SCXI-1000正面圖 22
圖3-3 SCXI-1314及接線方式 23
圖3-4 SCXI-1520 正面圖 23
圖3-5 SCXI-1349側面圖 24
圖3-6 模組與電纜聯結器外觀圖 24
圖3-7 土壤水分計資料收集器 25
圖3-8 傾斗式雨量計 25
圖3-9 土壤水份感應器ECH2O 26
圖3-10 雙軸向荷重計埋設前之孔隙水壓計與土壓計(裝在盒子之狀態) 27
圖3-11 雙軸向荷重計垂直向校正 28
圖3-12 雙軸向荷重計水平向校正 28
圖3-13 雙軸向荷重計校正流程圖 29
圖3-14 雙軸向荷重垂直力校正曲線(編號N1) 29
圖3-15 雙軸向荷重剪應力校正曲線(編號S1) 30
圖3-16 雙軸向荷重計防水性測試 30
圖3-17 接頭絕緣性測試 30
圖3-18 水壓計校正中空塑膠圓管 31
圖3-19 水壓計校正曲線(編號:P1) 32
圖3-20 準備工具 33
圖3-21 土壤夯實方式 33
圖3-22 體積含水率和輸出電壓值之關係圖 34
圖3-23 土壤含水量與輸出電壓值之關係圖 34
圖3-24 ECH2O土壤水份計校正流程圖 35
圖3-25 大型土石流槽試驗場所 36
圖3-26 模擬降雨實驗加壓裝置 37
圖3-27 現地高程測量 37
圖3-28 降雨系統圖 38
圖3-29 面積式水用流量計 39
圖3-30 模擬降雨位置圖 39
圖3-31 降雨模擬情形 40
圖3-32 降雨強度測試:位置為邊坡下部 40
圖3-33 降雨強度測試:位置為邊坡中部 40
圖3-34 降雨強度測試:位置為邊坡上部 41
圖3-35 降雨系統校正流程圖 42
圖4-1使用砂料之粒徑分佈曲線 43
圖4-2 土壤夯實曲線 44
圖4-3含水量8%的砂與水泥為摩擦界面之直接剪力試驗關係圖(朱奕璋,2005) 45
圖4-4 飽和砂與水泥為摩擦界面之直接剪力試驗關係圖(朱奕璋,2005) 46
圖4-5 觀察重點示意圖 47
圖4-7 邊坡製作流程圖 48
圖4-9 夯實機側面圖 49
圖4-10 實驗用砂土 50
圖4-11 稱取土樣重量 50
圖4-12 堆土方式 51
圖4-13 夯實邊坡 51
圖4-14 埋設土壤水份計 52
圖4-15 實驗埋設孔隙水壓計與土壓計之鳥瞰圖 54
圖4-16 實驗埋設孔隙水壓計與土壓計位置之縱斷面圖 54
圖4-17 實驗二~五埋設水份計位置鳥瞰圖 55
圖4-19 淺層崩塌實驗流程圖 56
圖4-20 實驗二模擬降雨邊坡初始狀況 58
圖4-21 實驗二開始降雨40分鐘(關鍵時刻1:坡趾處鋸齒狀侵蝕發生) 59
圖4-22 實驗二開始降雨75分鐘(關鍵時刻2:坡趾滲水) 59
圖4-23 實驗二開始降雨150分鐘(關鍵時刻3:距坡趾1.8 M處有細紋裂縫產生) 60
圖4-24 實驗二開始降雨240分鐘(關鍵時刻4:距坡趾1.8 M以下邊坡開始有大規模滑動現象) 60
圖4-25 實驗二水份計(編號:1~4)量得含水量VS. TIME(以分鐘為單位)關係圖(註:水份計(編號1~4)埋設於第一槽溝處) 62
圖4-26 實驗二水份計(編號:5~8)量得含水量VS. TIME(以分鐘為單位)關係圖(註:水份計(編號5~8)埋設於第二槽溝處) 63
圖4-27 實驗二水份計(編號:9~12)量得含水量VS. TIME(以分鐘為單位)關係圖(註:水份計(編號9~12)埋設於第三槽溝處) 64
圖4-28 實驗二孔隙水壓計1、2號VS. TIME關係圖 65
圖4-29 實驗二孔隙水壓計3、4號VS. TIME關係圖 66
圖4-30 實驗二孔隙水壓計5、6號VS. TIME關係圖 66
圖4-31 實驗二之底部正向力VS. TIME關係圖 68
圖4-32 實驗二之底部剪力VS. TIME關係圖 69
圖4-33 實驗二之發動摩擦角VS. TIME關係圖 70
圖4-34 實驗四模擬降雨邊坡初始狀況 72
圖4-35 實驗四開始降雨65分鐘(關鍵時刻1:坡趾處鋸齒狀侵蝕發生) 73
圖4-36 實驗四開始降雨70分鐘(關鍵時刻2:坡趾滲水) 73
圖4-37 實驗四開始降雨90分鐘(關鍵時刻3:破壞至坡趾以上0.5 M處) 74
圖4-38 實驗四開始降雨100分鐘(關鍵時刻4:邊坡開始發生大規模破壞) 74
圖4-39 實驗四土壤水份計(編號:1~4)量得含水量VS. TIME(以分鐘為單位)關係圖(註:水份計(編號1~4)埋設於第一槽溝處) 76
圖4-40 實驗四土壤水份計(編號:5~8)量得含水量VS. TIME(以分鐘為單位)關係圖(註:水份計(編號5~8)埋設於第二槽溝處) 77
圖4-41 實驗四土壤水份計(編號:9~12)量得含水量VS. TIME(以分鐘為單位)關係圖(註:水份計(編號9~12)埋設於第三槽溝處) 78
圖4-42 實驗四孔隙水壓計1、2號VS. TIME關係圖 79
圖4-43 實驗四孔隙水壓計3、4號VS. TIME關係圖 80
圖4-44 實驗四孔隙水壓計5、6號VS. TIME關係圖 80
圖4-45 實驗四底部正向力VS. TIME關係圖 82
圖4-46 實驗四底部剪力VS. TIME關係圖 83
圖4-47 實驗四發動摩擦角VS. TIME關係圖 84
圖4-48 實驗六模擬降雨邊坡初始狀況 86
圖4-49 實驗六開始降雨30分鐘(關鍵時刻1:坡趾處飽和開始滲水發生) 87
圖4-50 實驗六開始降雨55分鐘(關鍵時刻2:坡趾液化破壞) 87
圖4-51 實驗六開始降雨88分鐘(關鍵時刻3:邊坡破壞至距坡趾1.7 M處) 88
圖4-52 實驗六開始降雨116分鐘(關鍵時刻4: 邊坡破壞至距坡趾2.5 M處) 88
圖4-53 實驗六土壤水份計(編號:1~4)量得含水量VS. TIME(以分鐘為單位)關係圖(註:水份計(編號1~4)埋設於第一槽溝處) 90
圖4-54 實驗六土壤水份計(編號:5~8)量得含水量VS. TIME(以分鐘為單位)關係圖(註:水份計(編號5~8)埋設於第二槽溝處) 91
圖4-55 實驗六土壤水份計(編號:9~12)量得含水量VS. TIME(以分鐘為單位)關係圖(註:水份計(編號9~12)埋設於第三槽溝處) 92
圖4-56 實驗六孔隙水壓計1、2號VS. TIME關係圖 93
圖4-57 實驗六孔隙水壓計3、4號VS. TIME關係圖 94
圖4-58 實驗六孔隙水壓計5、6號VS. TIME關係圖 94
圖4-59 實驗六之底部正向力VS. TIME關係圖 96
圖4-60 實驗六之底部剪力VS. TIME關係圖 97
圖4-61 實驗六發動摩擦角VS. TIME關係圖 98
圖5-1選取土壤水份計之反曲點位置圖 99
圖5-2降雨強度I=35MM/HR土壤水份計反曲點時間和埋設位置之關係圖 101
圖5-3降雨強度I=70MM/HR土壤水份計反曲點時間和埋設位置之關係圖 102
圖5-4降雨強度I=105MM/HR土壤水份計反曲點時間和埋設位置之關係圖 103
圖5-5 選取孔隙水壓計之反曲點位置圖 104
圖5-6 降雨強度I=35MM/HR水壓計反曲點時間和埋設位置之關係圖 105
圖5-7 降雨強度I=70MM/HR水壓計反曲點時間和埋設位置之關係圖 106
圖5-8 降雨強度I=105MM/HR水壓計反曲點時間和埋設位置之關係圖 106
圖5-9 降雨強度與邊坡底層含水量反應之關係圖 108
圖5-10 降雨強度與邊坡上層(距坡面20CM深)含水量反應之關係圖 110
圖5-11 降雨強度與孔隙水壓反應之關係圖 112
圖5-12 降雨強度與各關鍵時間之關係圖 114
圖5-13實驗二關鍵時間與左右兩側含水量差變化之關係圖 115
圖5-14實驗四關鍵時間與左右兩側含水量差變化之關係圖 116
圖5-15實驗六關鍵時間與左右兩側含水量差變化之關係圖 117
圖5-16 邊坡破壞面積與破壞時間之關係圖 119
圖5-17 邊坡破壞位置與破壞時間之關係圖(註:D表示為後退式破壞最上緣距坡趾之距離) 120
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