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研究生:謝宏毅
研究生(外文):Hung-YiXie
論文名稱:土壤應力-變位模式之建立與邊坡變位分析之應用
論文名稱(外文):Modeling Stress-Displacement Relationships for Soils and Applications to Slope Displacement Calculations
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:國立成功大學
系所名稱:土木工程學系碩博士班
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:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:230
中文關鍵詞:切片法邊坡穩定分析滑動位移土壤雙曲線模型
外文關鍵詞:Slice methodSlope stability analysesSlide displacementHyperbolic soil model
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本研究以Duncan and Chang (1970) 之雙曲線土壤強度理論作為求解邊坡滑動變位的土壤強度模型。本文蒐集11個不同尺寸與土樣種類之直接剪力試驗,根據雙曲線理論建立土壤剪應力-剪動位移之模型。以回歸分析求其雙曲線之應力-變位模型之控制參數K、n與Rf 。 回歸分析結果顯示 : 土壤初始勁度參數 (K) 在一般室內(小型)直剪試驗得到K之值約為640~1200,大型直剪之K值則介於50與870之間。K值受直剪盒尺寸之影響很大,直剪盒尺寸越小K值越大;而土壤初始勁度與圍壓之影響參數 (n) 較不受直剪盒尺寸與土壤種類的影響,其值大部分介於0.1與1.75之間;破壞比 (Rf) 亦不受直剪盒尺寸與土壤種類的影響,其值約介於0.7與0.9之間。低塑性黏土(CL)在大型直剪中的應力-變位參數(K=80~290, n=0.15~0.61,Rf =0.74~0.87)較接近Duncan-Chang (1980)的建議值(K=60~150, n=0.45, Rf =0.7)。
為了求解邊坡穩定之滑動變位問題,採用新電腦分析程式: SLICE DISP。此一電腦程式為Huang(2012)在Visual Basic Express (2010)平台撰寫而成之改良變位分析切片法,乃是以傳統二度空間(2-D) 之Janbu,Bishop及Fellenius切片分析法為基礎,導入位移相容性以及剪應力-剪動位移雙曲線模型,擴充成能計算滑動變位的邊坡穩定分析法。
收集兩個有實際監測變位紀錄的案例進行驗證分析,檢驗改良-切片法的可用性。分析結果顯示: 輸入適當的土壤凝聚力c、土壤摩擦角 、雙曲線模擬參數K、n、Rf等五個分析主控變數可有效計算邊坡在地下水位上升之影響下邊坡之滑動位移。本分析法對追蹤長期邊坡在地下水位影響下之滑動歷程亦有相當良好的結果。本方法之另一特點為可以求得沿滑動面之局部安全係數, 比以往之邊坡穩定分析中之單一安全係數更具實用之價值及在工程應用上之潛力。

To calculate the displacement of slopes induced by heavy rainfall, a hyperbolic shear stress vs. shear displacement model is developed here. This hyperbolic model is based on that proposed by Duncan and Chang (1970) which was for the shear vs. strain relationship of soils. A total of eleven test results including standard (small scale) and large-scale direct shear tests were studied. Results of curve-fitting showed that the initial stiffness parameter (K) are in the range of 640-1200 (from small-scale tests) or in the range of 50-870 (from large-scale test). Values of K can be significantly influenced by the size of direct shear boxs. Parametes, n (material constant for pressure-dependent initial stiffness) and Rf (failure ratio) are rather independent of the shear box sizes. It was found that material constants (K=80-290, n=0.15-0.61, Rf=0.74-0.87) obtained from large-scale tests on the low-plasticity clay (CL) are close the those (K=60~150, n=0.45, Rf =0.7) suggested by Duncan-Chang (1970).
To validate the hyperbolic model, three displacement-based slice methods are used to calculate the slope displacement of two well-monitored slopes. These displacement-based slice methods were extensions from the conventional Janbu’s, Bishop’s and Fellenius’ methods, and were formulated and coded by Huang (2012).
Results of preliminary analyses show good agreements between the calculated and the observed slope displacement induced by an elevated groundwater table during a heavy rainfall. Advantages of the proposed slice method with input parameters represented by a hyperbolic shear stress-shear displacement model were highlighted. However, more accurate analyses based on the results of on-site large-scale direct shear tests should be performed in the future to validate the proposed model for practical applications.

目錄

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 XI
圖目錄 XIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究目的 1
1-3 研究內容 2
1-4 研究流程 3
第二章 文獻回顧 4
2-1 邊坡破壞模式之肇因 4
2-2 邊坡破壞之種類 5
2-3 邊坡之安全係數及穩定分析時條件之簡化 7
2-4 邊坡穩定分析法之分類 8
2-4-1 總應力分析法 8
2-4-2 有效應力分析法 8
2-4-3 短期穩定問題 9
2-4-4 長期穩定問題 9
2-5 邊坡穩定計算方法之分類 9
2-5-1 極限平衡法(Limit Equilibrium Method) 10
2-5-2 極限分析法 (Limit Analysis) 26
2-5-3 數值方法 30
2-5-4 岩石邊坡穩定的分析方法 37
2-6 土壤雙曲線模型Duncan-Chang hyperbolic model (1970) 41
2-6-1 土壤排水狀況下之雙曲線模式 41
2-6-2 土壤不排水狀況下之雙曲線模式 45
第三章 土壤雙曲線模擬參數 46
3-1 雙曲線模擬參數試驗值求法 46
3-2 求取土壤雙曲線模擬參數 49
3-2-1 松樹根系加勁細砂(大型直剪試驗) 49
3-2-2 銀合歡加勁(大型直剪試驗) 52
3-2-3 植物根系加勁(大型直剪試驗) 57
3-2-4 楊柳根系加勁 61
3-2-5 林口地區卵礫石層(現地試驗) 64
3-2-6 植物根系加勁礫石及砂土 66
3-2-7 獻肚山(小林村)滑動區(室內直剪試驗) 68
3-2-8 三義地區卵礫石層現地試驗 71
3-2-9 豐浦砂大型直剪試驗 73
3-2-10 關廟層砂泥岩互層室內直剪試驗 77
3-2-11 南勢坑崩積層室內直剪試驗 80
3-3 彙整雙曲線模擬參數 82
第四章 案例-五彎仔地滑 85
4-1 簡介與參數假設 85
4-1-1 邊坡剖面 87
4-1-2 地下水位面 90
4-1-3 滑動破壞面 96
4-1-4 土壤性質 100
4-2 分析結果 103
4-2-1 繪製邊坡幾何條件 103
4-2-2 界定分析案例適用參數 104
4-2-3 各參數對計算結果之影響 109
4-2-4 滑動前後之各切片局部資料變化 112
4-2-5 滑動歷程 123
第五章 案例-南勢坑地滑 126
5-1 簡介與參數假設 126
5-1-1 邊坡剖面 127
5-1-2 地下水位面 129
5-1-3 滑動破壞面 130
5-1-4 土壤性質 134
5-2 分析結果 135
5-2-1 繪製邊坡幾何條件 135
5-2-2 界定分析案例適用參數 136
5-2-3 各參數對計算結果之影響 139
5-2-4 滑動前後之各切片局部資料變化 142
5-2-5 變位計算結果及比較 150
第六章 結論與建議 151
6-1 結論 151
6-2 建議 153
參考文獻 154
附錄A 改良之變位模式-切片分析法 157
A-1 Fellenius’ Slice Method 158
A-1-1 傳統Fellenius’ Method安全係數求法 158
A-1-2 改良Fellenius’變位法 159
A-1-3 Fellenius’ method計算步驟 162
A-2 Bishop’s Slice Method 163
A-2-1 傳統Bishop’s Method安全係數求法 163
A-2-2 改良Bishop’s變位法 165
A-2-3 Bishop’s method計算步驟 168
A-3 Janbu’s Slice Method 169
A-3-1 傳統Janbu’s Method安全係數求法 169
A-3-2 改良Janbu’s變位法 171
A-3-3 Janbu’s method計算步驟 175
附錄B 剪膨脹角影響 186
B-1 Fellenius’ Slice Method 186
B-1-1 位移計算方程f(αi) 186
B-1-2 局部安全係數 187
B-1-3 計算變位 189
B-1-4 應力分佈及變化 191
B-2 Bishop’s Slice Method 195
B-2-1 位移計算方程f(αi) 195
B-2-1-1 五彎仔案例 195
B-2-1-2 南勢坑案例 196
B-2-2 局部安全係數 197
B-2-2-1 五彎仔案例 197
B-2-2-2 南勢坑案例 199
B-2-3 計算變位 201
B-2-3-1 五彎仔案例 201
B-2-3-2 南勢坑案例 203
B-2-4 應力分佈及變化 205
B-2-4-1 五彎仔案例 205
B-2-4-2 南勢坑案例 209
B-3 Janbu’s Slice Method 213
B-3-1 位移計算方程f(αi) 213
B-3-1-1 五彎仔案例 213
B-3-1-2 南勢坑案例 214
B-3-2 局部安全係數 215
B-3-2-1 五彎仔案例 215
B-3-2-2 南勢坑案例 217
B-3-3 計算變位 219
B-3-3-1 五彎仔案例 219
B-3-3-2 南勢坑案例 221
B-3-4 應力分佈及變化 223
B-3-4-1 五彎仔案例 223
B-3-4-2 南勢坑案例 227



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