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研究生:孟建安
研究生(外文):Jien-An Meng
論文名稱:模擬中強岩含不規則節理面之反覆直剪試驗
論文名稱(外文):Simulating the Shear Behavior of Irregular Joints of Medium Strong Rock under Cyclic Shear Test
指導教授:陳俶季陳俶季引用關係
指導教授(外文):Shuh-Gi Chern
學位類別:碩士
校院名稱:海洋大學
系所名稱:河海工程學系
學門:工程學門
學類:河海工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:119
中文關鍵詞:反覆剪動試驗節理面粗糙度膨脹角
外文關鍵詞:cyclic shear testjointroughnessdilation angle
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影響岩石節理面剪力衰減行為之因素有岩石單壓強度(σc)、節理面粗糙度(JRC) 以及摩擦角,本文利用水泥砂料來模擬中強岩含不規則節理面之試體,使用三種不同的鋸齒節理面,分別在兩種不同的試體強度下,於不同之正向應力作用下,進行反覆循環直剪試驗,而後對上述影響因素作探討分析,並根據Huston與Dowding(1990)以及Jafari et al.(2003)等學者的研究,建立了節瘤損傷函數及修正之剪應力比模式,以了解於中強岩體其不同強度、不同節理面粗糙度間之剪力行為。
試驗結果得到以下結論:(1)岩體節理面性質愈堅硬或組成顆粒愈粗,其尖峰剪力強度愈大;(2)在相同正向應力作用下,粗糙度(JRC)越高的試體其剪力強度、膨脹角、以及節瘤的衰減幅度會越劇烈;(3)節瘤損傷函數平均值可以 R=in=i/θ=0.6993exp(-0.0202*θ*σn*Us/JCS) 求得;(4)相同材料試體下,不同強度的試體對Jafari剪力模式中的係數b、c值不會有明顯的影響;(5)係數b、c值有隨JRC值增加而升高的趨勢;(6)修正之剪應力比模式可以 (τ/σn)={b(NCd)^0.12*(in)^0.3+C}/{1+b(NCd)^0.12*(Dn)^0.3}表示之,且係數b與c可以
b=(-0.056JRC^2)+(2.0702JRC)-14.64 以及 c=(-0.015JRC^2)+(0.6061JRC)-3.8825 求得。
The major factors influencing the shear behavior degradation of rock joints are compression strength(σc) of joints、roughness(JRC) and friction angle. This test use cement and sand to simulate the irregular joints of medium strong rock. These specimens has three types of joint surface and two different compression strengths respectively, and use three different levels of normal stress under the cyclic shear test. According to the test results and the researches of Hutson、Dowding (1990) and Jafari et al.(2003), the degradation of asperity function and the model of shear strength are established.

Based on test results, the following conclusions are given: (1) The peaked shear strength will be increased when the rock joints are harder or the particles of rock joints are more aspirate ; (2) The degradation of shear strength、dilation angle and asperities will be decreased acutely when the JRC value is larger during the same level cyclic loading ; (3) The degradation of asperity function can be R=in=i/θ=0.6993exp(-0.0202*θ*σn*Us/JCS); (4) The same material butdifferent compression strength of test samples that can not influence the values of coefficients b、c of Jafari’s shear strength model clearly ; (5) As JRC is larger the values of coefficients b、c are larger ; (6) The correctional model of shear strength can be (τ/σn)={b(NCd)^0.12*(in)^0.3+C}/{1+b(NCd)^0.12*(Dn)^0.3},
b=(-0.056JRC^2)+(2.0702JRC)-14.64 ,
c=(-0.015JRC^2)+(0.6061JRC)-3.8825
目錄

摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ

第一章 緒論
1-1 研究背景與動機 1
1-2 研究方法及探討 2
第二章 文獻回顧
2.1岩體的破壞理論 4
2-1.1 Mohr-Coulomb 破壞理論 4
2-1.2 Hoek-Brown 經驗破壞準則 5
2-1.3 Griffith 破壞理論 5
2-2節理面之力學行為及破壞形式 7
2-2.1 Patton 模式(1966) 7
2-2.2 Goodman(1968)剪力變形行為模式 8
2-2.3 Ladanyi et al. (1970) 模式 8
2-2.4 Barton et al. (1977)模式 9
2-2.5 Schneider (1976) 模式 11
2-2.6 Truk and Dearman(1985)研究結果 12
2-2.7 Plesha(1987)模式 13
2-2.8 張文城模式(1988) 13
2-2.9 Benmokrane et al. 之研究結果(1994) 16
2-2.10 Kodikara et al. 之研究結果(1994) 16
2-2.11 Haberfield et al. (1994) 模式 16
2-2.12 Amadei et al.(1998)模式 18
2-2.13 Jafari et al.(2003) 模式 19
第三章 物理模擬試驗之內容與步驟
3-1模擬材料之選擇 39
3-1.1 基本力學試驗試體準備 39
3-1.2 基本力學試驗 39
3-1.3 基本力學試驗之試驗結果 41
3-2 鋸齒節理面之設計與試體製作 42
3-3 鋸齒節理剖面之試驗內容與步驟 43
3-3.1 鋸齒節理剖面之試驗內容 43
3-3.2 鋸齒節理剖面之試驗步驟 43
3-4 試驗儀器之操控步驟 43
3-4.1 自動控制系統之進入 43
3-4.2 系統之Shear load與Shear def設定 43
3-4.3 系統之Normal load與Shear def設定 44
3-4.4 剪動時之各項參數設定 44
第四章 試驗結果之分析
4-1 試驗數據計算說明 57
4-1.1 JRC值計算 57
4-1.2 膨脹角之量測 58
4-1.3 Dn值之計算 58
4-1.4 係數b、c值之計算 58
4-2 節理面剪應力衰減行為之影響因素 60
4-2.1 岩體基本性質對節理面剪應力之影響 61
4-2.2 正向應力對節理面剪應力之影響 61
4-2.3 粗糙度對節理面剪應力之影響 62
4-2.4 剪動位移(Us)對節理面剪應力之影響 63
4-3 節理面幾何形狀衰減之影響 63
4-3.1 膨脹角之衰減影響 63
4-3.2 節瘤損傷之影響 64
4-4 建立節瘤損傷函數 65
4-5 鋸齒節理面剪力強度模式 66
第五章 結論
5-1 結論 114
參考文獻 116

表目錄

表2.1 Benmokrane et al.(1994)試驗模擬材料配比與物理性質 21
表2.2 Benmokrane et al.(1994)之直剪試驗結果 21
表3.1 國際岩石力學學會(ISRM,1981)所建議之試驗方法 45
表3.2 模擬材料之基本力學性質 45
表3.3 國際岩石力學學會(ISRM,1981)單壓強度分級表 45
表4.1 各剪動循環之試驗值與計算值 69
表4.2 所有節理面試體之JRC值與係數b、c值 78

圖目錄

圖2.1 Mohr破壞準則 22
圖2.2 Mohr-Coulomb破壞準則 22
圖2.3 Hoek-Bbrown破壞包絡線 23
圖2.4 Griffith假設岩體裂隙受力之情形 24
圖2.5 Griffith破壞包絡線 24
圖2.6 Patton直剪試驗試體之型式(Patton , 1966) 25
圖2.7 鋸齒數目節理面之破壞包絡線 (Patton , 1966) 25
圖2.8 不規則節理面之破壞包絡線 (Patton ,1996) 26
圖2.9 節理面剪應力及剪位移變形曲線(Goodman1968) 27
圖2.10 Barton and Choubey 建議之粗糙度標準剖面 28
圖2.11 Turk粗糙角i0之定義(Turk﹐1985) 29
圖2.12 對鋸齒損傷理論模擬之理想化節理面(Plesha , 1985) 29
圖2.13 試驗試體型式 (張文城 , 1988) 29
圖2.14 規則鋸齒之破壞模式及力平衡關係圖 (張文城 , 1988) 30
圖2.15 不同節理面之剪力強度比較 (張文城 , 1988) 31
圖2.16 Benmokrane et al.(1994)試驗之節理面(單位mm) 32
圖2.17 試體節理表面圖,單位mm (Kodikara et al. 1994) 33
圖2.18 不規則節理面鋸齒剪動順序 ( Kodikara et al. 1994) 34
圖2.19 非剛性之不規則三角形鋸齒節理面剪力行為
(Haberfield et al. 1994) 35
圖2.20 鋸齒破壞時之正向應力分佈(Haberfield et al. 1994) 36
圖2.21 理想化之正向位移 VS.剪位移曲(Amadei et al. , 1998) 38
圖3.1 200噸抗壓試驗機 46
圖3.2 變位量測裝置 46
圖3.3 GCTS所設計製造之岩石直剪機 47
圖3.4 GCTS所設計製造之伺服控制擷取系統 47
圖3.5 GCTS儀器馬達 48
圖3.6 本試驗之節理面示意圖 48
圖3.7 GCTS之操控流程圖 49
圖4.1 膨脹角之量測圖 79
圖4.2 相同正向應力作用下不同強度試體之剪力強度圖 80
圖4.3 在不同正向應力作用下各試體之剪力強度衰減圖 81
圖4.4 在相同正向應力作用下不同節理面之剪力強度衰減圖 84
圖4.5 在不同正向應力作用下各試體之膨脹角衰減圖 87
圖4.5 在相同正向應力作用下不同節理面之膨脹角衰減圖 90
圖4.6 在不同正向應力作用下各試體之節瘤衰減圖 93
圖4.7 在相同正向應力作用下不同節理面之節瘤衰減圖 96
圖4.8 以Hutson建議膨脹角衰減函數所做之指數回歸曲線圖 99
圖4.9 剪應力比試驗結果與計算值結果之比較 104
圖4.10 JRC與b、c值之關係 113
1. 張文城(1988),岩石節理面之粗糙度與剪力強度研究,博士論文,國立台灣大學土木工程研究所。
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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