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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳曉琦
研究生(外文):Wu, Shiau-Chi
論文名稱:利用數值模擬探討覆瓦狀構造的力學機制
論文名稱(外文):The study on the mechanism of imbricate fan using numerical methods
指導教授:鄭富書鄭富書引用關係
指導教授(外文):Fu-Shu Jeng
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:2008
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:增積楔狀體褶皺衝斷帶覆瓦狀構造離散元素法滑脫面
外文關鍵詞:accretionary wedgefold-and-thrust beltimbricate fault systemdistinct element methoddecollements.
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臺灣島位於板塊邊界上,是一造山作用仍然活躍的活動帶,故地質活動相當頻繁,間接地構成了台灣豐富的地質景觀。此一活動造山帶,由一系列的褶皺及斷層所形成的增積楔狀體(accretionary wedge)組成。豐富而多樣的褶皺及斷層相互疊置,形成了造山帶前緣典型的一系列相互疊置褶皺及斷層所組成的褶皺衝斷帶(fold-and-thrust belt)。然而此規則排列的覆瓦狀構造(imbricate structure),其形成的條件、原因等力學機制至今仍尚未完全被了解。此一機制的了解,也有助於探究造山帶發育的過程。
本研究採用離散元素法PFC2D以及有限元素法ABAQUS模擬覆瓦狀構造的形成,希望藉由數值方法模擬岩層受到推擠、擾動後產生覆瓦狀構造的過程,了解覆瓦狀構造其生成的機制,包括其生成的力學機制以及推估自然界主應力方向的改變以及應力場對其它構造發育之影響。
目前的研究成果顯示,在一覆土深度較深,並允許顆粒與顆粒間具有互相傳相傳遞力矩的膠結作用之環境下能夠適當地模擬出一連續之斷層系統(imbricate fault systems),即覆瓦狀構造。
當岩層受到推擠作用時,其速度量值可區分成三個部分:(1) 等速區、(2)斷層錯動區、(3) 速度下降區,代表的意義為岩層受到推擠時,其會有應變能累積的情況產生,當能量累積至一定程度之後造成斷層錯動,受到圍壓束制的影響,斷層錯動不會在一錯動面持續發展,而是將能量持續傳遞,形成一系列的斷層系統,並且與介質交界之層面具有一相對滑移之滑脫面(decollement)產生。
當周圍環境受到影響時也會改變其岩層之行為模式,由本研究可以了解,圍
壓、摩擦係數、鍵結力、以及阻抗比等等皆會影響覆瓦狀構造的演化。
Taiwan is an active orogenic belt formed by oblique convergent between the Philippine Sea Plate and the Eurasian Plate. This active orogeny consists of serials of folds and faults of typical accretionary wedge. Because of high activity, the Island has abundant geological structures. Serials of overlapped fold and fault structures in the foreland regime have been recognized as an imbricated fold-and-thrust belt. Despite of numerous regular distributed imbricate structure has been identified, the conditions and the mechanics still not been fully resolved. By the way, the mechanism of imbricate structure is also a key to discover the orogenic processes.
This research uses distinct element method, PFC2D, as well as the finite element method, ABAQUS, to simulate the formation of imbricated thrust system. By means of numerical simulation, we would be able to understand the mechanism of imbricate fan, the change of principal stress direction, the stress field and stress state, as well as the material proprieties etc. that might affecting the structure evolution.
The primary result demonstrates that the so-called “imbricate fault system” could be achieved under certain conditions, including sufficient overburden and the moment transmission between particles.
Simulating the imbricate trust system, the deformation of competent layer may be divided into three parts: the constant speed domain, the faulted domain, and the speed drop domain. These regions of velocity discontinuity illustrate the phenomena of strain or energy accumulation during the squeezing experiments. Since the threshold has been achieved, the faulting process may occur in order to reduce the strain energy. As a single fault has been developed and confined by the confining pressure, the fault system could not prorogate infinitely. However, a series of thrust system will be formed, and the stick-slip phenomena could be identified in a single fault plane. A serial of faults finally linked together in order to accommodate the total deformation. In this case the decollements have been generated between the interface of competent layer and the matrix.
This research demonstrate the influence of confining pressure, the friction coefficient, the bonding types and strengths, as well as ratio of stiffness of rock materials that strongly affect the development of imbricate thrust system.
目錄
誌謝 I
摘要 II
Abstract III
目錄 V
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1.1背景 1
1.2覆瓦狀構造之基本定義及其相關研究 2
1.3 PFC2D的介紹 4
1.4 ABAQUS 的介紹 6
第二章 研究方法 13
2.1數值模式的建立 – PFC2D 13
2.2數值模式的建立 – ABAQUS 15
第三章 分析結果-覆瓦狀構造的產生機制 28
3.1 褶皺、斷層、覆瓦狀構造的產生 28
3.2 覆瓦狀構造的基本行為(basic case) 29
3.3 影響的因素 34
第四章 有限元素法模擬覆瓦狀構造之初探 63
4.1覆瓦狀構造的基本行為(basic case) 63
4.2 影響的因素 64
第五章 結論與建議 80
5.1 結論 80
5.2 建議 81
參考文獻 83
附錄A PFC2D運算原理 A-1
附錄B 數值模擬案例簡介 B-1
附錄C PFC2D基本案例程式碼 C-1
附錄D 論文口試-問題與回覆 D-1

表目錄
表2.1 基本模型其顆粒排列方式。 17
表2.2 基本模型使用之微觀參數。 17
表2.3 基本模型所使用之宏觀參數。 18
表2.4 PFC2D數值分析模型規劃。 18
表2.5 ABAQUS與PFC2D單壓實驗宏觀參數之參數比較表。 18
表2.6 ABAQUS數值分析模型規劃。 19
表3.1 不同地質構造之參數示意表。 38
表4.1 PFC2D與ABAQUS之綜合比較 67
表A.1 PFC2D程式中各模式所需輸入參數之公式 A-6
表A.2 PFC2D不同鍵結物質所需輸入之完整微觀參數。 A-7
表B.1 3.1節中各案例之邊界條件。 B-2
表B.2 案例O_RCCB01NS之基本材料參數 B-2
表B.3 案例O_RCCB01NS之顆粒排列方式 B-3
表B.4 PFC2D 數值模型案例名稱及其材料參數 B-4
表B.5 PFC2D 雙倍長度數值模型案例名稱及其材料參數 B-5
表B.6 ABAQUS數值模型案例之名稱及其參數 B-6


圖目錄
圖1.1 東北角之覆瓦狀構造 7
圖1.2 圖1.1-A之手繪示意圖 7
圖1.3 覆瓦狀斷層系統與雙衝構造。A:覆瓦狀斷層系統 (IMBRICATE THRUST SYSTEM);B: 雙衝構造 (DUPLEX) 8
圖1.4 岩層初始構造以及形成覆瓦狀構造之示意圖 (BOYER ET AL., 1978)。 8
圖1.5 覆瓦狀構造野外露頭位置示意圖,見圖中紅色標示處,(摘自GOOGLE MAP)。 9
圖1.6 臺灣東北角地區覆瓦狀構造其相關產物。A:石英礦物於裂隙中結晶作用;B:覆瓦狀構造生成之表面波紋。 9
圖1.7 臺灣東北角地區不同規模之覆瓦狀構造 10
圖1.8 圖1.6之覆瓦狀構造之手繪示意圖。 11
圖1.9 PFC2D運算時階流程(ITASCA CONSULTING GROUP INC., 2004) 12
圖2.1 研究流程圖 20
圖2.2 PFC2D模擬尖頂褶皺之模型示意圖 (鄭添耀,2007)。 20
圖2.3 基本模型示意圖。 21
圖2.4 基本模型介質分層示意圖。 21
圖2.5 國內沉積岩單壓強度與楊氏模數的關係 (卿建業,1995)。 22
圖2.6 國內沉積岩單壓強度與柏松比的關係 (卿建業,1995)。 22
圖2.7 國內自然岩石摩擦角分佈範圍 (卿建業,1995)。 23
圖2.8 PFC2D之微觀參數轉換宏觀參數之單壓試驗-以硬層為例,縱坐標為正向應力,橫座標為剪向應力。 23
圖2.9 初始顆粒生成配置示意圖。 24
圖2.10 硬層之均向應力調整過程示意圖。硬層之均向應力為30 MPA。 24
圖2.11 模型浮點顆粒示意圖(少於三個接觸,圖中紅球標示處)。 25
圖2.12 消除浮點數(FLOATERS)之過程示意圖。 25
圖2.13以圍壓球施加圍壓過程之示意圖,圖中紅球為圍壓球。 26
圖2.14 模型完成後之平行鍵結示意圖。 26
圖2.15 將介質微觀參數調整為硬層之微觀參數試驗結果,案例1E_1229。 27
圖2.16 ABAQUS基本模型示意圖 27
圖3.1 案例O_RCCB01NS, ,上方覆土壓力為6 MPA, 39
圖3.2 案例2O_RCCB01NS, ,上方覆土壓力為12 MPA, 39
圖3.3 案例4O_RCCB01NS, ,上方覆土壓力為25 MPA, 39
圖3.4 案例O_RCPB01NS, ,上方覆土壓力為6 MPA, 40
圖3.5 案例4O_RCPB01NS, ,上方覆土壓力為6 MPA, 40
圖3.6 BASIC MODEL案例1229, ,岩層產狀示意圖。 40
圖3.7 BASIC MODEL案例1229之平行鍵結示意圖。 41
圖3.8 BASIC MODEL案例1229硬層速度量值圖,A為岩層顆粒位置示意圖,B為速度量值示意圖,圖B中A為等速區B為速度尖峰區C為速度下降區。 42
圖3.9 BASIC MODEL案例1229, ,岩層之速度向量示意圖,A區硬層等速向右移動;B區硬層受到錯動影響,右側硬層上抬升;C區岩層也在錯動區,故硬層速度一致向上移動;D區硬層速度轉而向下方移動。 43
圖3.10 BASIC MODEL案例1229硬層速度量值圖 至 44
圖3.11 BASIC MODEL案例1229硬層 方向速度量值圖 45
圖3.12 BASIC MODEL案例1229硬層 方向速度量值圖 46
圖3.13 BASIC MODEL案例1229 硬層與上方介質R1與下方介質R1之 方向速度量值示意圖。 47
圖3.14 BASIC MODEL案例1229岩層張力裂縫之示意圖。 48
圖3.15 BASIC MODEL案例1229岩層剪力裂縫之示意圖。 49
圖3.16 案例1229_DOUBLE 80×15.5M之模型示意圖 總顆粒數為25280顆。 50
圖3.17 案例1229_DOUBLE 之推進過程鍵結示意圖 至 。 51
圖3.18 案例1229_DOUBLE  之模型示意圖 52
圖3.19 80×15.5M之模型 不同推進速率之鍵結示意圖。 53
圖3.20 不同圍壓狀況於 之鍵結圖示。 54
圖3.21 不同圍壓狀況下,岩層增高量示意圖 。 55
圖3.22 不同圍壓狀況下,介質分層顏色示意圖 。 56
圖3.23 不同阻抗比於 之鍵結示意圖。 57
圖3.24 固定介質,改變硬層之摩擦係數於 之鍵結示意圖。 58
圖3.25 固定硬層,改變介質之摩擦係數於 之鍵結示意圖。 59
圖3.26 同時改變介質與硬層之摩擦係數於 之鍵結示意圖。 60
圖3.27 不同層間鍵結力於 之鍵結示意圖。 61
圖3.28 不同層間鍵結力情況下,其相對滑移的量值。 62
圖4.1 ABAQUS之TEST MODEL 68
圖4.2 TEST MODEL之測試結果 。 68
圖4.3 基本模型案例KK3E7 之岩層產狀示意圖 。 69
圖4.4 基本模型案例KK3E7之介質之平面最大主應力示意圖 。 69
圖4.5 基本模型案例KK3E7之硬層平面最大主應力示意圖 (變形量放大20.5倍)。 69
圖4.6 不同圍壓狀況之介質平面最大主應力示意圖 。 70
圖4.7 不同圍壓狀況之硬層平面最大主應力示意圖 。(變形量放大20.5倍)。 71
圖4.8 不同阻抗比狀況之岩層平面最大主應力示意圖 。 72
圖4.9 不同阻抗比狀況之硬層平面最大主應力示意圖 。(變形量放大20.5倍)。 73
圖4.10 不同阻抗比情況下於 ,硬層與介質之平均應力狀況示意圖。 73
圖4.11固定硬層-硬層摩擦係數,改變介質-硬層摩擦係數其介質平面最大主應力示意圖 。 74
圖4.12固定硬層-硬層摩擦係數,改變介質-硬層摩擦係數其硬層平面最大主應力示意圖 (變形量放大20.5倍)。 75
圖4.13 基本案例KK3E7正梯形斷層片之 方向變位示意圖 (變形量放大20.5倍), 。 76
圖4.14 改變介質-硬層之摩擦係數,其硬層上方位置於 之示意圖。 76
圖4.15 固定介質-硬層摩擦係數,改變硬層-硬層摩擦係數其介質平面最大主應力示意圖 。 77
圖4.16 固定介質-硬層摩擦係數,改變硬層-硬層摩擦係數其硬層平面最大主應力示意圖 (變形量放大20.5倍)。 78
圖4.17固定介質-硬層摩擦係數,改變硬層-硬層摩擦係數其硬層上方於 之示意圖。 79
圖A.1 球與球接觸型式關係圖    圖A.2 球與牆接觸型式關係圖 A-8
圖A.3 球與牆接觸型式法線向量示意圖 A-8
圖A.4 接觸連結模式下,接觸力與重疊量(相對位移)關係(ITASCA CONSULTING GROUP INC., 2004)。 A-9
圖A.5平行連結模式之等值彈性連結塊體(ITASCA CONSULTING GROUP INC., 2004)。 A-9
圖A.6 顆粒以最終粒徑之二分之一生成,並漸增其粒徑以達到最後粒徑。 A-10
圖A. 7 PFC2D試體內顆粒漸增至最後粒徑(ITASCA CONSULTING GROUP INC., 2004)。 A-10
圖A.8 試體生成程序中調整均向應力之均向應力演化過程(ITASCA CONSULTING GROUP INC., 2004)。 A-11
圖A. 9 調整均向應力後試體之接觸力(CONTACT-FORCE)分佈(ITASCA CONSULTING GROUP INC., 2004)。 A-11
圖A.10 調整均勻應力後之浮點顆粒(FLOATING)示意圖(ITASCA CONSULTING GROUP INC., 2004)。 A-12
圖A.11 消除浮點數中,浮點顆粒數之演化過程(ITASCA CONSULTING GROUP INC., 2004)。 A-12
圖A.12 施加接觸鍵結之後其鍵結網絡示意圖(ITASCA CONSULTING GROUP INC., 2004)。 A-13
圖A.13為鍵結正向強度分佈圖(應力單位)(ITASCA CONSULTING GROUP INC., 2004)。 A-13
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