断层错动对土层与结构物之影响.pdf

1 國立臺灣大學工程地質實驗室 1中央研究院地球科學研究所演講 臺灣大學土木工程研究所 林銘郎林銘郎 2007/12/20 斷層錯動對上覆沖積層與地中結構物之影響斷層錯動對上覆沖積層與地中結構物之影響 The deation of overburden soil induced by The deation of overburden soil induced by thrust faultingthrust faulting and its impact on underground tunnelsand its impact on underground tunnels 國立臺灣大學工程地質實驗室 2中央研究院地球科學研究所演講 斷層錯動對土層與結構物之影響 三角剪切變形帶三角剪切變形帶 國立臺灣大學工程地質實驗室 3中央研究院地球科學研究所演講 豐原中正公園照片﹝劉桓吉攝於民國880925﹞ 斷層錯動對地表結構物之影響 國立臺灣大學工程地質實驗室 4中央研究院地球科學研究所演講 淡水線淡水線 木柵線木柵線 板南線板南線 信義線信義線 台北斷層台北斷層 國立臺灣大學工程地質實驗室 5中央研究院地球科學研究所演講 Kct ss N St St St Tl ss Tl 50 100 150 200 50 100 150 150 200 200 150 150 250 350 300 200 250 300 150 100 100 100 50 25 22 22 28 26 30 26 24 2124 32 16 18 23 20 18 20 26 22 25 四四 c Kilometers 0.5 Kct 0 Ms DR148標向東延伸設站評估範圍 廣慈 博愛院 福 德 街 中 坡 南 路 基 松 隆 a R06車站 R05車站 仁 路 中強公園 國際 金融中心 路 層 DR148標設計範圍 義 路 路 信 和 R07車站 斷 北 臺 安 台北斷層林朝宗等,1997 10.5 Kilometers 台北斷層營建中心,1995 台北斷層中興顧問,1998 台北斷層林朝宗等,1997 c 10 ss 中新世 Nk a t Kce Nc 全新世 Kct St Tl Ms ss tu ss 南莊層 沖積層 階地堆積層 桂竹林層二鬮段 桂竹林層大埔段 大寮層 南港層 塊狀砂岩夾頁岩 石底層 塊狀白砂岩 塊狀砂岩 玄武岩質凝灰岩及岩流 木山層 逆斷層，鋸齒示昇側 虛線表推測或掩覆 向斜 岩層之走向及傾角 煤層，虛線表推測 正斷層，鋸齒示降側 虛線表推測或掩覆 N 圖1.2.1-1 計畫路線之區域地質圖 資料來源 修改自中央地質調查所1998 圖 例 DR148標範圍東延範圍 R07車站 信義路與安和路口 R06車站 信義路與市府路口 R05車站 中強公園 台北斷層台北斷層 N ss 100 150 200 50 100 150 150 200 25 22 28 26 30 21 四四 c c 10 ss 中新世 Nk a t Kce Nc 全新世 Kct St Tl Ms ss tu ss 南莊層 沖積層 階地堆積層 桂竹林層二鬮段 桂竹林層大埔段 大寮層 南港層 塊狀砂岩夾頁岩 石底層 塊狀白砂岩 塊狀砂岩 玄武岩質凝灰岩及岩流 木山層 逆斷層，鋸齒示昇側 虛線表推測或掩覆 向斜 岩層之走向及傾角 煤層，虛線表推測 正斷層，鋸齒示降側 虛線表推測或掩覆 斷層錯動對地中結構物之影響 國立臺灣大學工程地質實驗室 6中央研究院地球科學研究所演講 信義路與松仁 路交叉口 16m 24m 5570o 岩盤面 潛盾隧道 地表面 斷層上盤 台北斷層台北斷層 斷層下盤 粘土層 南北 雙 孔 6.502.65m 雨水箱涵 4.7m 5.2m 人行道 人行道 ─ 台北斷層與潛盾隧道關係 ─松仁路剖面 2 國立臺灣大學工程地質實驗室 7中央研究院地球科學研究所演講 東延評估段 1525m 潛盾隧道評估中 地表面 粘土層 南北 岩盤面 斷層上盤 台北斷層台北斷層 斷層下盤 砂土層 台北斷層與潛盾隧道關係台北斷層與潛盾隧道關係 ──廣慈博愛院剖面廣慈博愛院剖面 國立臺灣大學工程地質實驗室 8中央研究院地球科學研究所演講 大綱 緣起 相關研究及回顧 研究方法 物理模型試驗成果 數值分析結果與驗證 台北斷層數值分析結果 結論及建議 國立臺灣大學工程地質實驗室 9中央研究院地球科學研究所演講Cluff, 2002 斷層錯動造成上覆土層變形與地表結構物上覆土層變形與地表結構物 國立臺灣大學工程地質實驗室 10中央研究院地球科學研究所演講 斷層錯動對地下結構物之影響 Bonilla, 1982 國立臺灣大學工程地質實驗室 11中央研究院地球科學研究所演講 車籠埔斷層錯動對壩體之影響車籠埔斷層錯動對壩體之影響 連永旺, 1999 國立臺灣大學工程地質實驗室 12中央研究院地球科學研究所演講 車籠埔斷層錯動對橋樑之影響 連永旺, 1999 3 國立臺灣大學工程地質實驗室 13中央研究院地球科學研究所演講 A’ A 車籠埔斷層錯動對地表變形之影響沖積層的貢獻 連永旺, 1999 國立臺灣大學工程地質實驗室 14中央研究院地球科學研究所演講 霧峰鄉光復國中 連永旺, 1999 車籠埔斷層錯動引致地表變形 國立臺灣大學工程地質實驗室 15中央研究院地球科學研究所演講 霧峰鳳梨園鐵塔與斷層交會﹝劉桓吉攝於民國881020﹞ 上覆土層變形與地表結構物上覆土層變形與地表結構物 國立臺灣大學工程地質實驗室 16中央研究院地球科學研究所演講 名間鐵塔與斷層交會﹝大地裂痕，2000﹞ 上覆土層變形與地表結構物上覆土層變形與地表結構物 國立臺灣大學工程地質實驗室 17中央研究院地球科學研究所演講 草屯東山路照片﹝大地裂痕，2000﹞ 斷層錯動對地表與結構物之影響 國立臺灣大學工程地質實驗室 18中央研究院地球科學研究所演講 車籠埔斷層錯動對地下維生管線變形之影響 Yasuda et al., 2002 4 國立臺灣大學工程地質實驗室 19中央研究院地球科學研究所演講 隧道破壞照片（李秉鴻先生提供） 車籠埔斷層錯動產生背衝斷層造成石岡壩引水隧道損壞 國立臺灣大學工程地質實驗室 20中央研究院地球科學研究所演講 Duncan 1973 核電廠 斷層錯動對結構物之影響 國立臺灣大學工程地質實驗室 21中央研究院地球科學研究所演講 Ms7.8 死亡人 數250,000650,000人 地表結構物唐山市 8090倒塌，有許 多建築物是餘震時倒 塌，地下結構受損相 對輕微 地中結構物是否是大地震來時避難的較佳場所地中結構物是否是大地震來時避難的較佳場所 1976年唐山大地震 國立臺灣大學工程地質實驗室 22中央研究院地球科學研究所演講 地下結構受損相對輕微---地中結構物是否是 大地震來時避難的較佳場所 地中結構物是否是 大地震來時避難的較佳場所 1976年唐山大地震 國立臺灣大學工程地質實驗室 23中央研究院地球科學研究所演講 主要課題-從工程師的角度 斷層錯動時對上覆沖積層之變形分佈影響 ‧除了斷層跡外，沖積土體的變形也是重點 斷層錯動時對上覆沖積層之應力分佈影響 ‧當土壤尚在彈性狀態時，要了解沖積層中土壤的應力 狀態與應變的大小範圍 ‧當土壤已進入塑性狀態時，要了解沖積層中的 塑性 區範圍與塑性應變的大小範圍 地中結構物潛盾隧道位於斷層附近時，斷層錯 動對其所造成應力與變形行為探討 ‧土壤與結構之互制行為 國立臺灣大學工程地質實驗室 24中央研究院地球科學研究所演講 2424 設計與分析使用數值分析方法 設計與分析使用數值分析方法以物理模型驗証以物理模型驗証 為工具為工具 1 砂箱因尺寸效應無法完全模擬現地 2 突破以往由單一方法提出結果的侷限性 研究方法間之整合關係 5 國立臺灣大學工程地質實驗室 25中央研究院地球科學研究所演講 斷層特性斷層特性 覆土層特性覆土層特性 覆土層與結構物互制影響覆土層與結構物互制影響 CluffCluff, 2002, 2002 研究內容 國立臺灣大學工程地質實驗室 26中央研究院地球科學研究所演講 斷層運動型態 正斷層 逆斷層 橫移斷層 斷層傾角 斷層錯動量 覆土層厚度 覆土層力學參數 斷層特性 覆土層特性 斷層、土壤、結構物 三者間之互制行為 本研究 斷層錯動對地表變形型態之主要影響因素 Bray et al,1994 國立臺灣大學工程地質實驗室 27中央研究院地球科學研究所演講 現地資料歸納整理 地形地貌觀測 斷層挖溝剖面 物理模型 1g砂箱模型 離心機模型 錨定拉出試驗模型 數值學模型 Tri shear Model 有限元素法 有限差分法 離散元素法 斷層錯動對地表變形型態影響之研究方法 國立臺灣大學工程地質實驗室 28中央研究院地球科學研究所演講 W 斷層傾角 基盤 斷層傾角 基盤 上覆土層上覆土層 H αα 斷層擴展到土層時之初始尖端 斷層尖端點擴展到地表 斷層擴展到土層時之初始尖端 斷層尖端點擴展到地表 逆斷層錯動時引致土層發生破裂面示意圖 上下盤之定義-定於岩盤之斷層尖端 國立臺灣大學工程地質實驗室 29中央研究院地球科學研究所演講 ---斷層錯動引致之地層變形型態Bonilla,1975 西元西元1906 梅山地震梅山地震-梅山斷層梅山斷層 現地資料歸納整理-地表地貌觀測 國立臺灣大學工程地質實驗室 30中央研究院地球科學研究所演講 ---西元西元1906 梅山地震梅山地震-梅山斷層梅山斷層Bonilla,1975 現地資料歸納整理-地形地貌觀測 6 國立臺灣大學工程地質實驗室 31中央研究院地球科學研究所演講 西元西元1906 梅山地震梅山地震-梅山斷層梅山斷層 請注意崖高、遠方山形 石同生提供 國立臺灣大學工程地質實驗室 32中央研究院地球科學研究所演講 西元西元1906 梅山地震梅山地震-梅山斷層梅山斷層 請注意崖高、遠方山形 石同生提供 國立臺灣大學工程地質實驗室 33中央研究院地球科學研究所演講 ---正斷層錯動引致之地層變形型態Bray et al.,1994 高傾角低傾角 現地資料歸納整理-地形地貌觀測 國立臺灣大學工程地質實驗室 34中央研究院地球科學研究所演講 ---逆斷層錯動引致之地層變形型態Bray et al.,1994 高傾角 低傾角 現地資料歸納整理-地形地貌觀測 國立臺灣大學工程地質實驗室 35中央研究院地球科學研究所演講 ---正斷層錯動引致之地層變形型態Bray et al.,1994 高傾角 低傾角 現地資料歸納整理-地形地貌觀測 國立臺灣大學工程地質實驗室 36中央研究院地球科學研究所演講 ---斷層錯動引致之地層靭性變形型態Bray et al.,1994 逆斷層正斷層 現地資料歸納整理-地形地貌觀測 關心重點 地表地貌與斷層跡位置 7 國立臺灣大學工程地質實驗室 37中央研究院地球科學研究所演講 槽溝開挖槽溝開挖-提供土層變形特徵資料 竹山槽溝 提供土層變形特徵資料 竹山槽溝陳文山教授提供陳文山教授提供 國立臺灣大學工程地質實驗室 38中央研究院地球科學研究所演講 斷層槽溝開挖---竹山槽溝陳文山,2004 槽溝開挖-提供土層變形特徵資料槽溝開挖-提供土層變形特徵資料 國立臺灣大學工程地質實驗室 39中央研究院地球科學研究所演講 現地資料歸納整理-斷層挖溝剖面-至少動了四次 斷層槽溝開挖---竹山槽溝陳文山,2004 國立臺灣大學工程地質實驗室 40中央研究院地球科學研究所演講 現地調查斷層尖端圓潤化、三角剪切變形帶斷層尖端圓潤化、三角剪切變形帶 物理模型試驗 以單一均質地層為分析對象 提供大變形行為下之變形模態分析 了解土壤結構互制行為 數值模式正確性之檢驗 數值分析 以有限元素法ABAQUS分析 採二維平面應變分析模式、採總應力分析法 未考慮地震地震之動態應力應變關係曲線 利用Contact Pair 界面元素 -克服數值不收歛現象 研究方法內容比較 國立臺灣大學工程地質實驗室 41中央研究院地球科學研究所演講 4141 1 上覆土層地層剖面中的變形型態是如何形成上覆土層地層剖面中的變形型態是如何形成 2 主要影響因素為何主要影響因素為何--斷層尖端圓潤化，解決銳角尖端 之數值問題 斷層尖端圓潤化，解決銳角尖端 之數值問題 3 大變形，多次變形，多條集中變形帶大變形，多次變形，多條集中變形帶 4 三角形剪切變形帶與集中剪切變形帶三角形剪切變形帶與集中剪切變形帶 國立臺灣大學工程地質實驗室 42中央研究院地球科學研究所演講 Kinematics model---Trishear Model Allmendinger,1998 1.三角剪切帶變形-土壤變形 2.越靠近斷層尖端變形越大 3.地層傾角隨不同深度而改變 4.土層厚度，影響越大，但土壤中的變形越小 三角剪切變形帶 8 國立臺灣大學工程地質實驗室 43中央研究院地球科學研究所演講 模型 建立 淡水線淡水線 木柵線木柵線 板南線板南線 信義線信義線 台北斷層台北斷層 國立臺灣大學工程地質實驗室 44中央研究院地球科學研究所演講 資料來源經濟部中央地質調查所數值地質圖 台北斷層位置分布圖 56.1 Km 模型建立 國立臺灣大學工程地質實驗室 45中央研究院地球科學研究所演講 Wells Coppersmith1994整理世界各地421筆地震記錄， 並以其中244筆記錄較為完整可信者，統計各項地震與斷層 參數之關係。 台北斷層之地震規模台北斷層之地震規模M M＝＝7.17.1台北斷層長56.1公里 台北斷層之數值分析參數-地震規模 國立臺灣大學工程地質實驗室 46中央研究院地球科學研究所演講 最大地表錯動量最大地表錯動量MDMD＝＝2.5m2.5m 台北斷層長56.1公里 Wells Coppersmith1994 台北斷層之數值分析參數-最大地表錯動量 國立臺灣大學工程地質實驗室 47中央研究院地球科學研究所演講 研究方法 物理模型 自由場 模擬隧道置入 數值分析 物理試驗比對 台北斷層錯動影響分析 斷層錯動時上覆土層之變形行為 土層與結構物間之互制行為 分析對象 - 單一砂層 由物理試驗之模擬，驗證數值 分析流程之正確性 隧道襯砌所受斷層錯動引致之額外應力 隧道受影響範圍 距斷層距離 定性之觀察定性之觀察 定量之分析定量之分析 國立臺灣大學工程地質實驗室 48中央研究院地球科學研究所演講 隧道預留孔隧道預留孔 基盤抬升處基盤抬升處 驅動系統驅動系統 斷層角度調整盤斷層角度調整盤 驅動系統 控制面版 驅動系統 控制面版 砂箱尺寸長120cm，高60cm，寬20cm 物理模型試驗尺寸 以 物理模型試驗尺寸 以1/100 scale 模擬現地 覆土層深 模擬現地 覆土層深- 20m 土層覆土深土層覆土深 20cm 台北斷層最大錯動量台北斷層最大錯動量- 2.5m 約為約為23公分基盤抬昇量公分基盤抬昇量 物理模型試驗物理模型試驗 9 國立臺灣大學工程地質實驗室 49中央研究院地球科學研究所演講 砂箱尺寸長120cm，高60cm，寬20cm 物理模型試驗物理模型試驗 國立臺灣大學工程地質實驗室 50中央研究院地球科學研究所演講 試驗砂-越南石英砂 採用霣降器-以固定落距控制相對密度 每2cm鋪染色砂ㄧ層以利觀測 試驗砂-越南石英砂 採用霣降器-以固定落距控制相對密度 每2cm鋪染色砂ㄧ層以利觀測 物理模型試驗物理模型試驗 國立臺灣大學工程地質實驗室 51中央研究院地球科學研究所演講 石英砂基本物理性質 參數周坤賢,1998本研究 粒徑 分析 礫石含量 00 砂含量99.399.8 細料含量0.70.2 液性限度無 無 塑性限度無 無 比重Gs 2.652.65 統一土壤分類SPSP 最大乾密度 g /cm31.661.67 最小乾密度g /cm31.441.47 最大孔隙比 emax0.840.80 最小孔隙比 emin0.600.59 摩擦角35 413438 物理模型試驗材料性質 國立臺灣大學工程地質實驗室 52中央研究院地球科學研究所演講 物理試驗結果 土層覆土深土層覆土深 20 20 cmcm 基盤垂直抬昇量基盤垂直抬昇量 6 6 cmcm 做以下之比較 1. 不同角度50、60 2. 不同抬昇速度 3. 置入隧道與自由場 4. 隧道位置1D 與 2D 物理模型試驗尺寸 以 物理模型試驗尺寸 以1/100 scale 模擬現地 覆土層深 模擬現地 覆土層深- 20m 土層覆土深土層覆土深 20cm 台北斷層最大錯動量台北斷層最大錯動量-2.5m 約為約為23公分基盤抬昇量公分基盤抬昇量 國立臺灣大學工程地質實驗室 53中央研究院地球科學研究所演講 a∆ ∆H/H0.01 b∆ ∆H/H0.05 c ∆ ∆H/H0.10 d ∆ ∆H/H0.15 e ∆ ∆H/H0.20 斷盤抬昇比與斷 層尖端之發展 物理試驗結果 斷層尖端擴展與三角剪切帶 國立臺灣大學工程地質實驗室 54中央研究院地球科學研究所演講 α∆α∆H/H 0.04, P/S 1.0, apical angle 2β β 46 , α α 60, α α’ 50 b∆ ∆H/H 0.08, P/S 6.0, apical angle 2β β 48 , α α 60, α α’ 50 c∆ ∆H/H 0.10, P/S 5.5, apical angle 2β β 52 , α α 60, α α’ 50 砂箱實驗與三角剪切模式最佳比對結果之參數 10 國立臺灣大學工程地質實驗室 55中央研究院地球科學研究所演講 1.不同斷層傾角比較 斷層傾角50斷層傾角60 上覆砂土層均產生兩條剪切帶，剪切帶發展順序均由上盤向下盤遷移。 斷層角度較緩時，剪切帶角度較緩而偏向下盤，變形帶範圍較廣。 國立臺灣大學工程地質實驗室 56中央研究院地球科學研究所演講 砂箱實驗-斷層傾角之影響 Fault dip angle50o Fault dip angle60o Fault dip angle30o 國立臺灣大學工程地質實驗室 57中央研究院地球科學研究所演講 2.不同抬昇速度比較 慢2.9cm/min快11.2cm/min 20cm 19.2cm 58.5cm 錯動處 地表破 裂處 初始位置 17.2cm 56.5cm 地表破 裂處錯動處 初始位置 剪動速度較快時，剪切帶角度較陡，變形帶範圍較窄。 國立臺灣大學工程地質實驗室 58中央研究院地球科學研究所演講 3.置入隧道與自由場之比較 自由場置入隧道 20cm 58.5cm 錯動處 地表破 裂處 初始位置 19.2cm 16.4cm 57.2cm 地表破 裂處錯動處 初始位置 2D 隧道之存在，限制剪切帶之發展，剪切帶角度較陡。 隧道位於 2D 時並無明顯移動、變形。 國立臺灣大學工程地質實驗室 59中央研究院地球科學研究所演講 4.隧道距斷層1D與2D之比較 16.4cm 57.2cm 地表破 裂處錯動處 初始位置 2D 距斷層2D距斷層1D 第一道 第二道 地表破 裂處錯動處 初始位置 1D 52.7cm 12.4cm 21.5cm 20cm 隧道位於 1D 時剪切帶發展趨勢不同剪切帶發展趨勢不同 下方之剪切帶先發展下方之剪切帶先發展 隧道可見明顯之位移、變形隧道可見明顯之位移、變形 國立臺灣大學工程地質實驗室 60中央研究院地球科學研究所演講 砂箱試驗特徵 – 1D 隧道受壓後變形為橢 圓形。 隧道下方於抬昇過程 中產生空洞。 隧道左方砂土受壓擠 入界面。 11 國立臺灣大學工程地質實驗室 61中央研究院地球科學研究所演講 c FW1D b FW2D a 自由場自由場 20cm 自由場、隧道距斷層1D與2D之比較 國立臺灣大學工程地質實驗室 62中央研究院地球科學研究所演講 a 初始狀態 b ∆ ∆H/H0.05 c ∆ ∆H/H0.10 d∆ ∆H/H0.15 e ∆ ∆H/H0.30 FW2DFW1D 隧道位於不同位置時對土壤中三角形剪切變形帶 國立臺灣大學工程地質實驗室 63中央研究院地球科學研究所演講 砂箱尺度砂箱尺度 模型尺寸 L＝100cm, H20cm 隧道位置 FW2D, FW1D 全尺度全尺度 模型尺寸 L＝＝120m, H20m 隧道位置 FW7D- HW3D 隧道位置對剪切帶影響 隧道之P-M之關係 DF評估 研究目的研究目的 隧道數值分析模型 國立臺灣大學工程地質實驗室 64中央研究院地球科學研究所演講 斷層錯動對上覆土層變形型態影響參數之 探討 探討各分析參數對斷層錯動引致之土層變形型態 影響。 砂箱模型之數值分析 針對物理模型砂箱試驗進行模擬，並與砂箱試 驗之成果作一比對驗證，以確認本研究分析工具 及分析方法之可行性與合理性。 台北斷層錯動之數值分析 針對台北斷層錯動時所造成之地盤變位，以及對 捷運隧道之影響進行分析，並尋求可能之改善對 策與因應方案，以期能消除或減少隧道襯砌因斷 層錯動而增加之變形與應力。 數值分析模擬 國立臺灣大學工程地質實驗室 65中央研究院地球科學研究所演講 數值分析物理試驗比對 自由場試驗之比較 模擬基盤抬昇角度60、50 模擬隧道置入試驗之比較 隧道距離斷層面1D、2D 國立臺灣大學工程地質實驗室 66中央研究院地球科學研究所演講 自由場分析流程 model 初始狀態 frictionlessfrictionless no separationno separation with friction, tan 2φ φ / 3 allow separation 6cm offset 分析步驟分析步驟 1. 大地應力平衡大地應力平衡 2. 上盤基盤抬昇上盤基盤抬昇6公分公分 大地應力平衡大地應力平衡 垂直向應力垂直向應力 隨深度均勻變化 塑性應變大小塑性應變大小 無塑性應變產生 12 國立臺灣大學工程地質實驗室 67中央研究院地球科學研究所演講 塑性剪應變帶 變形帶 a∆ ∆H/H 0.04, P/S 1.5, apical angle 2β 46, α α 60 b∆ ∆H/H 0.08, P/S 7.7, apical angle 2β 48, α α 60 c∆ ∆H/H 0.08, P/S 7.8, apical angle 2β 52, α α 60 三角剪切帶之判定 國立臺灣大學工程地質實驗室 68中央研究院地球科學研究所演講 比對結果 PEMAG.AVI 剪切帶之範圍，模擬基盤傾角剪切帶之範圍，模擬基盤傾角6060 較較5050 陡。陡。 剪切帶由上盤向下盤擴展。剪切帶由上盤向下盤擴展。 變形帶自由面區域，雖已噴膠處理，砂土仍會以相對變形帶自由面區域，雖已噴膠處理，砂土仍會以相對 滾動、滑移方式變形。因此數值模擬結果較陡。滾動、滑移方式變形。因此數值模擬結果較陡。 圖 60度度 50度度 PEMAG.AVI GIF GIF 塑性應變pemag分佈 國立臺灣大學工程地質實驗室 69中央研究院地球科學研究所演講 h/H 0.17 e15.55∆H/H R2 0.82 h/H 0.037 e35.38∆H/H R2 0.93 h/H 8.92∆H/H - 0.33 R2 0.98 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 00.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2 ∆Η/Η∆Η/Η h/H Dip angle 20 degree Dip angle 30 degree Dip angle 45 degree Dip angle 60 degree Dip angle 75 degree Dip angle 90 degree Sandbox Experiment α≦α≦45 45＜α≦90＜α≦90 0.076 α60α60 h/H斷層擴展率 不同斷層傾角下基盤抬昇率與斷層擴展率之關係不同斷層傾角下基盤抬昇率與斷層擴展率之關係 國立臺灣大學工程地質實驗室 70中央研究院地球科學研究所演講 分析步驟分析步驟 1. 大地應力平衡大地應力平衡 2. 模擬隧道置入模擬隧道置入 3. 上盤基盤抬昇上盤基盤抬昇6公分公分 模擬隧道置入分析流程 model 初始狀態 frictionlessfrictionless no separationno separation with friction, with friction, tan 2 tan 2φ φ φ φ / 3 / 3 allow separationallow separation 6cm offset6cm offset with friction, with friction, tan 2 tan 2φ φ φ φ / 3 / 3 allow separationallow separation 大地應力平衡大地應力平衡模擬隧道置入模擬隧道置入 垂直向應力垂直向應力 隨深度均勻變化隨深度均勻變化 塑性應變大小 無塑性應變產生 塑性應變大小 無塑性應變產生 國立臺灣大學工程地質實驗室 71中央研究院地球科學研究所演講 模擬隧道置入分析比對結果1D 1D 隧道斷面變形為橢圓。隧道變形為橢圓。 隧道於抬昇過程中產生位移，位移量與試驗 相當。 隧道於抬昇過程中產生位移。 隧道下方與土體產生分離。隧道下方於抬昇過程中產生空洞。 隧道左側與土體接觸面塑性應變最大。可見砂土於隧道左側擠入界面之中。 隧道下方塑性應變帶首先產生。隧道下方剪切帶首先產生。 產生二道塑性應變集中帶，分別位於隧道 上、下方。 產生二道剪切帶，分別位於隧道上、下方。 數值模擬試驗觀察 PEMAG.AVI 圖 國立臺灣大學工程地質實驗室 72中央研究院地球科學研究所演講 模擬隧道置入分析比對結果2D 隧道於基盤抬昇過程中，無明顯之變形與位移。隧道於基盤抬昇過程中，無明顯之變形與位移。 三道剪切帶三道剪切帶 1. 隧道左側產生一塑性應變集中帶，其值甚小。隧道左側產生一塑性應變集中帶，其值甚小。 2. 靠近隧道右側，其發展受限靠近隧道右側，其發展受限 砂箱試驗可見此現象砂箱試驗可見此現象。。 3. 即所見主要塑性應變集中帶，其位置與自由場分析時相當。即所見主要塑性應變集中帶，其位置與自由場分析時相當。 2D 圖 PEMAG.AVI 13 國立臺灣大學工程地質實驗室 73中央研究院地球科學研究所演講 砂箱實驗結果砂箱實驗結果數值分析結果數值分析結果 a 自由場自由場 b FW2D c FW1D 自由場、隧道距斷層1D與2D之砂箱與數值比較 國立臺灣大學工程地質實驗室 74中央研究院地球科學研究所演講 隧道位置與變形之關係圖FW1D 國立臺灣大學工程地質實驗室 75中央研究院地球科學研究所演講20 cm b具摩擦可分離之界面性質 a具摩擦不可分離之界面性質 隧道與土壤界面性質之影響-數值分析與砂箱實驗比對 國立臺灣大學工程地質實驗室 76中央研究院地球科學研究所演講 台北斷層錯動影響分析數值分析 全尺度數值分析 松仁路口剖面 廣慈博愛院剖 面 松仁路口松仁路口 廣慈廣慈博愛院博愛院 松仁路口松仁路口 廣慈廣慈博愛院博愛院 國立臺灣大學工程地質實驗室 77中央研究院地球科學研究所演講 松仁路口剖面 國立臺灣大學工程地質實驗室 78中央研究院地球科學研究所演講 參考剖面之簡化 16m 24m 60o 岩盤面 潛盾隧道 地表面 斷層上盤 台北斷層台北斷層 斷層下盤 粘土層 南北 14 國立臺灣大學工程地質實驗室 79中央研究院地球科學研究所演講 松仁路口剖面之 數值分析參數 松仁路口剖面之 數值分析參數 採用值單位 E2MPa ν0.4 C40KPa 摩擦角φ1degree 0.8 17.5 KN/m3 E2.75MPa ν0.4 C55KPa 摩擦角φ1degree 0.8 17.7 KN/m3 E5MPa ν0.4 C85KPa 摩擦角φ1degree 0.8 18 KN/m3 參數 黏土層 C 30m 40m 彈性參數 塑性參數 等值靜止側向土壓力係數K0 土壤單位重γ 黏土層 B 20m 30m 彈性參數 塑性參數 等值靜止側向土壓力係數K0 土壤單位重γ 黏土層 A 0m 20m 彈性參數 塑性參數 等值靜止側向土壓力係數K0 土壤單位重γ 國立臺灣大學工程地質實驗室 80中央研究院地球科學研究所演講 全尺度數值分析自由場分析 model frictionlessfrictionless no separationno separation with friction, Smax C allow separation 2.5m offset2.5m offset 分析步驟分析步驟分析步驟分析步驟 1.1.大地應力平衡大地應力平衡大地應力平衡大地應力平衡 2.2.上盤基盤抬昇上盤基盤抬昇上盤基盤抬昇上盤基盤抬昇2.52.5公尺公尺公尺公尺 國立臺灣大學工程地質實驗室 81中央研究院地球科學研究所演講 大地應力平衡 Viewport 1 ODB C/TEMP/FREE.odb Ave. Crit. 75 S, S22 -7.070e05 -6.481e05 -5.892e05 -5.303e05 -4.713e05 -4.124e05 -3.535e05 -2.946e05 -2.357e05 -1.768e05 -1.178e05 -5.892e04 0.000e00 Step Geostatic Increment 1 Step Time 1.000 Primary Var S, S22 Deed Var U Deation Scale Factor 1.000e00 ODB FREE.odb ABAQUS/Standard 6.3-4 Tue May 18 111852 x_˙fi 2004 1 2 3 Deed Var U Deation Scale Factor 1.000e00 ODB FREE.odb ABAQUS/Standard 6.3-4 Tue May 18 111852 x_˙fi 2004 Viewport 1 ODB C/TEMP/FREE.odb Ave. Crit. 75 PEMAG 0.000e00 0.000e00 0.000e00 0.000e00 0.000e00 0.000e00 0.000e00 0.000e00 0.000e00 0.000e00 0.000e00 0.000e00 0.000e00 Step Geostatic Increment 1 Step Time 1.000 Primary Var PEMAG Deed Var U Deation Scale Factor 1.000e00 ODB FREE.odb ABAQUS/Standard 6.3-4 Tue May 18 111852 x_˙fi 2004 1 2 3 Deed Var U Deation Scale Factor 1.000e00 ODB FREE.odb ABAQUS/Standard 6.3-4 Tue May 18 111852 x_˙fi 2004 垂直向應力垂直向應力垂直向應力垂直向應力 隨深度均勻變化隨深度均勻變化隨深度均勻變化隨深度均勻變化 塑性應變大小塑性應變大小塑性應變大小塑性應變大小 無塑性應變產生無塑性應變產生無塑性應變產生無塑性應變產生 國立臺灣大學工程地質實驗室 82中央研究院地球科學研究所演講 Viewport 1 ODB C/TEMP/Job-4.odb U, Magnitude 9.000e-01 1.013e00 1.125e00 1.238e00 1.350e00 1.463e00 1.575e00 1.688e00 1.800e00 1.913e00 2.025e00 2.138e00 2.250e00 2.363e00 2.475e00 2.588e00 2.700e00 0.000e00 1.125e-01 2.250e-01 3.375e-01 4.500e-01 5.625e-01 6.750e-01 7.875e-01 9.000e-01 Step move Increment 58 Step Time 1.000 Primary Var U, Magnitude Deed Var U Deation Scale Factor 1.000e00 ODB Job-4.odb ABAQUS/Standard 6.3-4 Mon May 17 085441 x_˙fi 2004 1 2 3 Deed Var U Deation Scale Factor 1.000e00 ODB Job-4.odb ABAQUS/Standard 6.3-4 Mon May 17 085441 x_˙fi 2004 位移量圖 影響範圍 發展方向 Viewport 1 ODB C/TEMP/Job-4.odb Ave. Crit. 75 PEMAG 5.250e-01 5.833e-01 6.417e-01 7.000e-01 7.583e-01 8.167e-01 8.750e-01 9.333e-01 9.917e-01 1.050e00 1.108e00 1.167e00 1.225e00 1.283e00 1.342e00 1.400e00 0.000e00 5.833e-02 1.167e-01 1.750e-01 2.333e-01 2.917e-01 3.500e-01 4.083e-01 4.667e-01 5.250e-01 Step move Increment 58 Step Time 1.000 Primary Var PEMAG Deed Var U Deation Scale Factor 1.000e00 ODB Job-4.odb ABAQUS/Standard 6.3