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研究生:劉保安
研究生(外文):Pao-an Liu
論文名稱:剪裂帶對集集攔河堰及集鹿大橋結構之影響
論文名稱(外文):Influence of shear Bands on the Structures of Jin-Jin Weir and Jin-Lu Bridge.
指導教授:許澤善許澤善引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:土木工程所
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:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:113
中文關鍵詞:邊坡橋梁剪裂帶
外文關鍵詞:slopebridgedamweirshear bands
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對於重大建築物如集集攔河堰及集鹿大橋之細部設計而言,由原始設計圖顯示其設計依據僅含距離這些建築物適當遠的初鄉斷層,在剪裂帶及其影響完全被忽略的情況下,921集集大地震後,政府已付出相當代價來進行損傷堰體之強化及破壞橋梁之修復。
本論文中,作者首先藉由Google Earth衛星影象圖、各水準點水平與垂直相對位移、地層露頭、結構毀損及邊坡滑動破壞等資訊,配合slip及twinning剪裂帶之定義,建構鄰近集集攔河堰及集鹿大橋之各種不同走向之剪裂帶,之後再探討921集集大地震中錯動的剪裂帶與攔河堰相關設施之毀損及其鄰近邊坡持續滑動破壞之關係。
本論文之研究結果顯示集集攔河堰鄰近地區共存在17組不同走向之剪裂帶,而初鄉斷層僅為其中之一小部份;由於所在位置的關係,初鄉斷層對集集攔河堰、集鹿大橋及河岸邊坡之影響均很小,但地震中錯動的多數剪裂帶卻對集集攔河堰所屬結構物及其鄰近邊坡之安全及穩定存在顯著影響;因此建議未來能將剪裂帶對堰(壩)體、橋梁結構及河岸邊坡之影響納入規範中,以確保堰(壩)及橋梁所屬結構物及其鄰近邊坡不會因為剪裂帶錯動而產生毀損或破壞。
When concerning the details of design for important structures such as the Chi-Chi weir and the Chi-Lu Bridge, it is shown from the original design charts that only the Chu-hsiang fault which is some distance away from these structures was adopted as a design basis. Because shear bands and their influences are completely neglected, considerable expenses were therefore paid by the government for strengthening the damaged weir and for repairing the broken bridge after the 921 Chi-Chi Earthquake.
In this thesis, the author first utilized some information that include satellite images of Google Earth, relative displacements for both plane and vertical directions of each benchmark, the exposures of strata, damages of structures and sliding failures of slopes to cooperate with the definitions of shear bands of slip and twinning types such that shear bands with different strikes nearby the Chi-Chi weir and the Chi-Lu bridge were to be constructed. Investigations were then made on the relationships between the clearly moved shear bands during the 921 Chi-Chi Earthquake and damages for the related structures of the Chi-Chi weir or sliding failures of its nearby slopes.
Results from this thesis reveal that seventeen groups of shear bands with different strikes exist in the nearby area of the Chi-Chi weir; and, the Chu-hsiang fault is only a small part of them. Because of the location of the Chu-hsiang fault, the influence of such a fault on the Chi-Chi weir and the Chi-Lu Bridge and slopes of riverbank is small. However, most shear bands moved in an earthquake have significant influence on the safety or stability of structures for the Chi-Chi weir and its nearby slopes. It is therefore suggested that influences of shear bands on the safety of a weir/dam body, bridge structures, and slopes of riverbanks should be included in the related specifications to prevent damages or failures of structures for weirs (dams) or bridges and their nearby slopes.
中文摘要 I
英文摘要 Ⅱ
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII

第一章 緒論 1
1-1研究動機 1
1-2 研究目的 4
1-3 研究流程 5
1-4 論文架構 6

第二章 文獻回顧 7
2-1 地球構造 7
2-2 台灣板塊構造 8
2-3 斷層定義及台灣的活動斷層 10
2-3-1斷層的定義 10
2-3-2 台灣的活動斷層 12
2-4剪裂帶研究之沿革 16
2-4-1 剪裂帶研究之重要文獻 17
2-4-2 剪裂帶研究之數值模擬分析及實驗結果 18
2-4-2-1 側向伸展之剪裂帶模擬分析 18
2-4-2-2 側向壓縮之剪裂帶模擬分析 20
2-4-2-3 竹山開挖槽溝側壁剪裂帶之模擬分析結果 22
2-4-2-4 黏性土壤剪裂帶之模擬試驗 24
2-4-2-5 摩擦性土壤剪裂帶之模擬試驗 25
2-5集集攔河堰及周邊安全評估資料 26
2-5-1初鄉斷層對集集攔河堰之影響調查 27
2-6 集鹿大橋損壞資料 37
2-7 集鹿大橋相關動態分析資料 46
2-7-1 Kenji Kosa等人有關集鹿橋損壞之研究 47
2-7-2顏俊銘有關集鹿橋損壞之研究 51

第三章研究內容及研究方法 56
3-1 集集攔河堰及集鹿大橋結構破壞與剪裂帶錯動關聯性之建構 56
3-1-1 集集攔河堰 56
3-1-2 破壞狀況 57
3-1-3 現地存在成群剪裂帶之代表 61
3-1-4 相對位移分佈圖 62
3-2 集集攔河堰下游河床受剪裂帶影響 65
3-2-1 遭受剪裂帶影響狀況 65
3-2-2 現地存在成群剪裂帶之代表 67
3-2-3 集集攔河堰下游河床區相對位移分佈 68
3-3 集鹿大橋至集集攔河堰邊坡受剪裂帶影響調查 69
3-3-1 剪裂帶及露頭狀況調查 69
3-3-2 遭受剪裂帶破壞狀況調查 73
3-3-3 現地存在成群剪裂帶之代表 76
3-3-4 集鹿大橋至集集攔河堰邊坡受剪裂帶影響相對位移分佈圖 77
3-4 剪裂帶造成損害影響現況調查及影像資料建置 77
3-4-1 斷層露頭地滑資料現況調查 77
3-4-2 斷層露頭地滑資料現況資料庫建立 79
3-4-3集集攔河堰鄰近斷層或剪裂帶 86
3-4-4影響集集攔河堰及集鹿大橋結構安全之剪裂帶 89

第四章 研究結果與討論 91
4-1集集攔河堰及集鹿大橋結構破壞與剪裂帶錯動關聯性之建構結果91
4-1-1 集集攔河堰 91
4-1-2集集攔河堰河床受剪裂帶影響分析 96
4-2 集鹿大橋至集集攔河堰邊坡受剪裂帶影響分析 101
4-3結構安全與剪裂帶之分析與討論 104
第五章 結論與建議 109
第六章 參考文獻 112

圖目錄
圖11 初鄉斷層位置圖(摘自參考文獻[1]) 2
圖12 河道因剪裂帶影響刷深 2
圖1-3 濁水溪新刷深之主河道(參考文獻[2]) 3
圖1-4 集鹿大橋主塔因921大地震受損嚴重(參考文獻[3]) 3
圖1-5 集鹿大橋主塔帽梁因921大地震破壞之情況(參考文獻[4]) 4
圖2-1 地球的構造(參考文獻[5]) 7
圖2-2 台灣周圍地形圖(參考文獻[6]) 9
圖2-3 臺灣板塊構造及陸弧相互擠壓(摘自參考文獻[7]) 10
圖2-4 1998年版本台灣的活動斷層(摘自參考文獻[8]) 14
圖2-5 2000年版本台灣的活動斷層(摘自參考文獻[9]) 15
圖2-6 岩石圈隱沒造成版塊擠壓岩層降伏後應變軟化出現接近直線之成群成組的剪裂帶(參考文獻[18]) 16
圖2-7 側向伸展之剪裂帶模擬分析(參考文獻[12]) 19
圖2-8 側向壓縮之剪裂帶模擬分析(參考文獻[12]) 21
圖2-9 圖2-9 竹山開挖槽溝側壁剪裂帶之模擬分析結果(參考文獻[13]) 22
圖2-10 黏性土壤剪裂帶之模擬試驗結果(參考文獻[12]) 24
圖2-11 圖2-11 摩擦性土壤剪裂帶之模擬試驗結果(參考文獻[13]) 25
圖2-12 圖2-12中央地質調查所南投、埔里地質圖幅接合成果圖(參考文獻[1]) 27
圖2-13 黎明公司調查之初鄉斷層主斷面(摘自參考文獻[1]) 28
圖2-14 濁水溪北岸Nl露頭(參考文獻[1]) 29
圖2-15 濁水溪北岸N2露頭(參考文獻[1]) 30
圖2-16 濁水溪北岸N3露頭(參考文獻[1]) 30
圖2-17 北岸N4露頭(參考文獻[1]) 31
圖2-18 北岸N5露頭(參考文獻[1]) 31
圖2-19 北岸N6露頭(參考文獻[1]) 32
圖2-20 北岸N7露頭(參考文獻[1]) 32
圖2-21 南岸S1區露頭(參考文獻[1]) 34
圖2-22 南岸S2區露頭 (參考文獻[1]) 35
圖2-23 南岸S3區露頭(參考文獻[1]) 35
圖2-24 南岸S4區露頭 (一) (參考文獻[1]) 36
圖2-25 南岸S4區露頭 (二) (參考文獻[1]) 36
圖2-26 南岸S5區露頭(參考文獻[1]) 37
圖2-27 集鹿大橋(參考文獻[14]) 38
圖2-28 集鹿大橋中空板橋標準斷面圖 (參考文獻[14]) 38
圖2-29 集鹿大橋引橋斷面圖 (參考文獻[14]) 39
圖2-30 集鹿大橋標準斷面圖 (參考文獻[14]) 39
圖2-31 集鹿大橋因921大地震受損情形(參考文獻[14]) 41
圖2-32 主樑剛性連結部損害情況(參考文獻[3]) 42
圖2-33 集鹿斜張橋主梁頂版橫向裂縫(參考文獻[15]) 43
圖2-34 L14鬆脫情形(參考文獻[16]) 43
圖2-35 多處鋼纜索帽鬆脫(參考文獻[16]) 44
圖2-36 吊索端錨鋼套管脫離(參考文獻[16]) 44
圖2-37 橋墩損壞情形(摘自參考文獻[14]) 45
圖2-38 四塊預鑄斜撐版及其上部橋面版未施築完成(參考文獻[14]) 46
圖2-39 H/V地微振動頻率之比較(參考文獻[20]) 49
圖2-40 TCU078校正後之加速度歷時曲線(參考文獻[20]) 49
圖2-41 主塔底部的遲滯迴圈 (參考文獻[20]) 50
圖2-42 主塔頂部的遲滯迴圈(參考文獻[20]) 51
圖2-43 主梁端點之位移歷時曲線圖(參考文獻[19]) 52
圖2-44 斜張橋與鄰橋I 型梁對撞示意圖(改繪自參考文獻[19]) 52
圖3-1 集集攔河堰集水區地形圖 (參考文獻[1]) 57
圖3-2 集鹿大橋因剪裂帶經過,墩柱沉陷 58
圖3-3 集鹿大橋南下車道橋面明顯落差 59
圖3-4 橋梁伸縮縫受剪裂帶影響產生挫動位移 60
圖3-5 集集攔河堰未受剪裂帶影響之橋梁伸縮縫 60
圖3-6 經Google Earth衛星影像判識剪裂帶存在於本區域 61
圖3-7a 921地震前後鄰近集集攔河堰水平向之相對位移分佈圖 62
圖3-7b 921地震前後鄰近集集攔河堰垂直向之相對位移分佈圖 63
圖3-8 水流沖刷剪裂帶加劇河槽深槽化速度 65
圖3-9 濁水溪河床沖刷狀如九九峰 66
圖3-10 富州堤防堤腳有基腳受洪流淘空而崩潰之虞 66
圖3-11 集集攔河堰下游現地存在成群剪裂帶之代表 67
圖3-12 現地勘查剪裂帶並定位儀測得座標標示於Google Earth平面圖中 69
圖3-13 斷層露頭及岩層位態 70
圖3-14a 剪裂帶造成地滑災害 73
圖3-14b 剪裂帶造成地滑災害 73
圖3-15 順向坡之定義(摘自參考文獻[10]) 74
圖3-16 集鹿大橋下游南岸為剪裂帶密集區 75
圖3-17 集鹿大橋下游南岸現地存在成群剪裂帶之代表 76
圖3-18 成群成組剪裂帶存在其間 76
圖3-19 攔河堰周邊斷層露頭(參考文獻[9]) 78
圖3-20 利用GPSmap 60CSx衛星定位儀,搜尋現場露頭位置 78
圖3-21 利用手持式傾斜儀量進行岩層位態資料搜集 79
圖3-22 集集攔河堰及集鹿大橋區域圖 80
圖3-23 剪裂帶成群成組存在於河床及山谷之間 80
圖3-24 集集攔河堰上游南岸斷層露頭資料查詢建置 81
圖3-25 集集欄河堰上游北案斷層露頭資料查詢建置 81
圖3-26 集集攔河堰受剪裂帶資料查詢建置 82
圖3-27 初鄉斷層露頭資料查詢建置 82
圖3-28 集集攔河堰附近斷層露頭資料查詢建置 83
圖3-29 集鹿大橋上下游河床剪裂帶資料查詢建置 83
圖3-30 集鹿大橋受剪裂帶影響資料查詢建置 84
圖3-31 集鹿大橋受剪裂帶影響第二次定位資料查詢建 84
圖3-32 中央地質調查所公佈初鄉斷層軌跡資料查詢建置 85
圖4-1 剪裂帶目前仍持續生成造成邊坡滑動災害 92
圖4-2 鄰近集集攔河堰之相對位移分佈與明顯錯動的剪裂帶之關係 94
圖4-3 以Google Earth判識集集攔河堰河床剪裂帶分佈圖 97
圖4-4 集鹿大橋至集集攔河堰剪裂帶分佈圖 101
圖4-5 剪裂帶造成之主河道深槽區 105
圖4-6 剪裂帶作用河床刷深位置變化 106
圖4-7 剪裂帶之作用河床岩石破碎、分解及軟化 106
圖4-8 剪裂帶影響岸壁之向源侵蝕 107
圖4-9 因剪裂帶上之固床工已遭破壞 107

表目錄
表1-1 本研究之流程 5
表2-1 斷層發生年代區分表 11
表2-2 主塔慣性力及彎矩之計算表 53
表2-3 張裂面作用張力之計算表 54
表2-4 張裂面混凝土抵抗張力之計算表 54
表2-5 表層張裂面鋼筋抵抗張力之計算表 54
表3-1 各測點座標及相對位移量 64
表3-2 斷層或剪裂帶露頭之位置及位態 86
表3-3 集集攔河堰及集鹿大橋結構安全資料調查表 89
表4-1 以Google Earth衛星影像圖判識之剪裂帶走向資料表 96
表4-2 以Google Earth衛星影像圖判識之剪裂帶走向資料表 100
表5-1 集集攔河堰及下游河床之剪裂帶關係表 109
表5-2 集鹿大橋至集集攔河堰邊坡之剪裂帶關係表 110
[1] 經濟部水利署中區水資源局,「集集攔河堰初次使用安全評估」第一次期中報告(2009)。
[2] 經濟部水利署第四河川局,「集集攔河堰下游河道沖刷保護措施及研究成果」資料(2009)。
[3] 吳瑞龍、馬昆平、久保元生、谷岸淳一小川久志等人;台灣公路工程 第31卷第11期,「集鹿大橋吊索修復工程」(2005)。
[4] 周智傑;「集鹿大橋震害評估與修復之研究」(2004)。
[5] 陳建志、馬家齊譯;「板塊構造學說記事」(2005)。
[6] 國立台灣大學海洋研究所、國家海洋科學研究中心海洋資料庫;http://duck2.oc.ntu.edu.tw/。
[7] 何春蓀;台灣地質概論,經濟部中央地質調查所(1997)。
[8] 張徽正、林啟文及陳勉銘五十萬分之一台灣地區活動層分佈圖,經濟部中央地 質調查所。(1997)
[9] 經濟部中央地質調查所,台灣的活動斷層圖2000年版本。
[10] 許澤善,逢甲大學「e化之坡地開發工程實務」課程教材(2007)。
[11] 許澤善,逢甲大學「大地工程防災」課程教材(2008)。
[12] 許澤善,Capturing Localizations in Geotechnical Failures, Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Civil Engineering in the school of Advanced Studies of Illinois Institute of Technology(1987).
[13] 許澤善、謝一郎、賴世銀「剪裂帶錯動及延伸之模擬試驗與數值分析」(2009)。
[14] 交通部公路總局第二區養護工程處謝哲雄;「九二一集集大地震集鹿大橋新工災害修復」
[15] 周智傑;國立台灣大學土木工程學研究所「集鹿大橋震害評估與修復之研究」(2004)。
[16] 張國鎮、周智傑;國家地震工程研究中心「集鹿斜張橋委託監測工作」(2004)。
[17] 許澤善、吳瑞龍、陳嘉盈、汪令堯、賴智勇、陳建學;「剛性與柔性面版對橋梁受震行為之影響」(2005)。
[18] 曾文誠逢甲大學碩士論文;「岩石圈板塊錯移造成的剪裂帶對台灣坡地造成的影響」(2008)。
[19] 顏俊銘;「集集大地震中集鹿斜張橋損壞原因之探討」 (2005)。
[20] Kenji Kosa and Kenji Tasaki, “Detailed Investigation of PC Cable-stayed Bridge Damaged in the 1999 Taiwan Earthquake," (2005)。
[21] 賴立中;「集鹿斜張橋受921 集集地震作用之破壞分析」,國立成功大學土木工程學系研究所碩士論文(2000)。
[22] 羅俊雄、李政寬、吳子修、彭樹源、葉士清、陳昭佑;「921集集地震強地動分析」(1999)。
[23] 美國加州柏克萊大學C. B. Chadwell, G. L. Fenves及S. A. Mahin; “cable-stayed bridge behavior under earthquake excitation-A case study”(2001).
[24] Google(2009),Google Earth 軟體。
[25] 內政部國土測繪中心(前內政部土地測量局)。
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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