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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林冠良
研究生(外文):Guan-Liang Lin
論文名稱:滲流與應力耦合分析探討降雨導致不飽和邊坡不穩定之機制
論文名稱(外文):Hydro-Mechanical Coupling Analysis of Rainfall induced Instability of Unsaturated Slopes
指導教授:楊國鑫楊國鑫引用關係
指導教授(外文):Kuo-Hsin Yang
口試委員:楊國鑫
口試委員(外文):Kuo-Hsin Yang
口試日期:2015-06-18
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:營建工程系
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:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:206
中文關鍵詞:滲流與應力耦合分析有限元素法邊坡破壞不飽和土壤
外文關鍵詞:Hydro-mechanical coupling analysisfinite elementslope failureunsaturated soil
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本文針對台北貓空纜車系統兩處不穩定邊坡進行數值分析探討。其一邊坡為因2008年8月薔蜜颱風帶來的大量降雨,累積雨量3天雨量達到453 mm,導致淺層崩積土壤崩塌,由於崩塌地點鄰近於貓空纜車16號塔柱,此後貓空纜車在塔柱基礎損壞的疑慮下,暫時停止營運並著手執行補救措施,以確保相鄰邊坡的穩定性及纜車系統的安全性。在持續監控下,發現在鄰近2號塔柱邊坡在連續的乾濕季循環下,也出現過量的變形(>30 mm)。有鑑於此,利用滲流與應力耦合之有限元素分析來探討兩邊坡的破壞機制與變形特性,另外,亦利用數值模擬結果檢視兩邊坡之應力路徑並討論。其穩定性數值分析結果指出,滲流與應力耦合分析在預測邊坡崩塌的形式與時機上具有一定的準確性。在降雨過程中,邊坡崩塌主要因基質吸力的減少,造成土壤有效應力下降,土壤剪力強度降低。淺層邊坡破壞發生於表層土壤逐漸接近飽和時。在過量變形案例中,分析結果指出在乾濕作用循環下,淺層土壤孔隙水壓有明顯的變化。但因蒸發效果無法達至較深層之土壤,故當浸潤帶發展至較深層土岩交界面時,於土岩交界面基質吸力下降,產生土壤塑性變形並持續累積。
This paper presents a numerical investigation of two instable slopes along Taipei Maokong Gondola system. One slope collapsed due to torrential rainfall during Typhoon Jangmi on August 2008. The failure of shallow surficial colluviums soil occurred near the No. 16 support tower of the system. Thereafter, the Maokong Gondola ride was suspended over fears that the foundation of its pylons could be damaged and massive instrumentation and remediation programs were implemented to ensure the stability of adjacent slopes and the safety of the gondola system. During monitoring, it was found that another slope near the No. 2 support tower developed excessive deformation (> 30 mm) under consecutive wetting and drying cycles. The hydro-mechanical coupling finite element analyses were performed to investigate the failure mechanism and deformation characteristics of these two slopes. The stress paths of these two slopes were also examined and discussed. The numerical results indicated that the hydro-mechanical coupling model can satisfactorily predict the mode and timing of the failure for the collapsed case. The slope failure was caused by the decrease of soil shear strength when the matric suction gradually reduced as rainfall proceeds. The slope failure occurred at shallow depth when the surficial soil became nearly saturated. For the excessive deformed case, the numerical results suggested that the soil at shallow depth experienced loading and unloading process due to the variation of the pore pressure under wetting and drying cycles. For deeper soil at the soil-rock interface, the suction decreased when the wetting front reached and accumulated at the soil-rock interface. The effect of evaporation has negligible effect on the suction recovering of the deeper soil. The soil plastic deformation accumulated at the soil-rock interface and the corresponding stress level also increased
論文摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究內容與論文架構 4
第二章 文獻回顧 6
2.1 坡地崩塌 6
2.1.1 坡地崩塌類型 7
2.1.2 坡地崩塌之影響因子 12
2.2 不飽和土壤特性 18
2.2.1 不飽和土壤 18
2.2.2 不飽和土壤之基質吸力 22
2.2.3 不飽和土壤水分特徵曲線及水力傳導係數 24
2.2.4 不飽和土壤之剪力強度 29
2.3 降雨入滲對邊坡之影響 33
2.3.1 降雨入滲對土壤水文特性及地下水之影響 34
2.3.2 降雨入滲對邊坡穩定之影響 40
2.4 滲流與應力耦合分析之相關研究 41
第三章 案例介紹 43
3.1 T-16塔柱下邊坡分析案例資料 48
3.1.1 地理位置 48
3.1.2 地形 49
3.1.3 地層概況 52
3.1.4 現地地質探勘及鑽探成果 57
3.1.5 水文特性 66
3.1.6 雨量資料 73
3.1.7 崩塌原因 75
3.2 T-2塔柱下邊坡分析案例資料 76
3.2.1 地理位置 76
3.2.2 地形 77
3.2.3 地層概況 80
3.2.4 現地地質探勘及鑽探結果 82
3.2.5 水文特性 85
3.2.6 雨量資料 85
3.2.7 監測資料 87
第四章 數值分析模擬 90
4.1 數值分析軟體介紹 90
4.2 不飽和滲流與應力耦合分析 91
4.3 T-16塔柱下邊坡模型建立 104
4.3.1 幾何模型 104
4.3.2 材料參數 105
4.3.3 網格及邊界條件設定 110
4.3.4 初始狀態模擬 113
4.4 T-2塔柱下邊坡模型建立 117
4.4.1 幾何模型 117
4.4.2 材料參數 118
4.4.3 網格及邊界條件設定 121
4.4.4 初始狀態模擬 123
4.4.5 蒸發量模擬 126
第五章 結果與討論 127
5.1 T-16塔柱下邊坡降雨入滲分析 127
5.1.1 數值驗證及崩塌區域範圍比對 127
5.1.2 降雨入滲對不飽和邊坡之影響 133
5.1.3 小結 157
5.2 T-2塔柱下邊坡降雨入滲分析 158
5.2.1 位移與安全係數變化 158
5.2.2 降雨入滲對不飽和邊坡之影響 164
5.2.3 小結 198
第六章 結論與建議 199
6.1 結論 199
6.2 建議 201
參考文獻 202
附錄 i
附錄A T-16塔柱下邊坡各鑽孔土層分佈 ii
附錄B T-16塔柱下邊坡崩積層土壤一般物理性質 v
附錄C Guelph入滲試驗與基質吸力監測 vi
附錄D T-2塔柱下邊坡民國94年鑽探報告 x
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1. 49. 鄭清江 (2003),「以傾斜管變位及極限穩定分析進行華梵坡地穩定機制之探討」,華梵學報,第9卷,第115-127 頁
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