斜坡岩塊受震滑動行為之研究

Sliding of Rock Block on a Slope Induced by Seismic Excitation.

李國誠(Kuo-Chen Lee)

指導教授 ： 鄭富書

國立臺灣大學/工學院/土木工程學研究所/博士(2011年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2011.00413

摘要

分析地震所引致的順向坡滑動或是岩塊滑動，通常以滑動面的摩擦係數做為滑動門檻值。然而，使用傾斜台是一個簡便可獲得摩擦角的試驗方法，此靜態試驗的量測結果是否可直接代表邊坡受震時塊體滑動的門檻值需進一步探討。
此外，欲進行此類岩坡的受震破壞分析，常使用擬靜態分析，或使用Newmark滑動塊體法，可用來估算受震過程中，塊體最終滑移的累積位移量。然而，上述的兩種方法所需的摩擦係數，目前仍多以現地案例反算或靜態試驗所得，如傾斜台、直剪儀、環剪儀或三軸…等。顯少利用較符合真實動態條件下所進行的震動實驗來分析塊體受震滑動的行為，及其滑動面上的摩擦行為變化。
本研究中，實際進行靜態傾斜台試驗與利用振動台試驗模擬邊坡基盤受震導致上部塊體滑動，比較兩種方法所量得的塊體滑動門檻值之差異，並進一步探討造成此差異的原因。首先，採用三種材料(木山層砂岩(MS4)、鋁、模擬岩塊)分別用這兩種方法的量測，結果顯示，透過傾斜台試驗所量得之靜摩擦係數均高於振動台試驗中邊坡基盤受震時所量得的瞬時臨界摩擦係數(Critical instantaneous friction coefficient) ；此外，進一步的改變邊坡基盤的受震頻率(4Hz至8Hz)，發現在較高振動頻率時瞬時臨界摩擦係數的值也較高，顯示在受震條件下，瞬時臨界摩擦係數並非固定值；若是改變塊體施加於滑動面上之正向應力，亦發現當滑動面的接觸應力愈大時，所對應的瞬時臨界摩擦係數愈低，亦顯示瞬時臨界摩擦係數與正向應力有關。
本研究除了探討塊體之滑動門檻值，也針對滑動歷程中瞬時摩擦係數的改變做分析，發現模擬岩塊受震滑動的摩擦行為與理想材料的Coulomb friction model有所不同，模擬岩塊的瞬時摩擦係數與塊體滑動過程中的相對速度及相對位移有函數關係。於此，也針對於瞬時摩擦係數與塊體滑動之相對速度，透過實驗資料的擬合分析，建立一瞬時摩擦係數的經驗公式，並將此經驗公式進行驗証，及評估其適用性。結果發現，在數值分析中以此經驗公式模擬振動台實驗，經比對發現利用此經驗公式相較於利用Coulomb friction model可更準確的模擬出振動台實驗的結果，使用Coulomb friction model會高估滑動界面上的摩擦阻力，導致低估了塊體受震滑動的最終累積位移量。
最後，針對靜態的傾斜台試驗與利用振動台試模擬邊坡基盤受震兩種實驗方法的差異進行討論，發現滑動面上的正向應力分佈對於塊體之滑動門檻值有一定程度的影響，當正向應力分佈愈不均勻時，塊體愈容易滑動，然而當基盤受震時，使得此正向應力分佈是較不均勻的。
透過本研究已初步的釐清使用傾斜台試驗量測結果的限制性，若實際要得到塊體之受震滑動門檻值，仍需透過動態的模擬邊坡受震實驗來得到，未來將進一步的發展岩塊受震滑動的力學模式，以期可做為實際案例之分析與設計之參考。

關鍵字

摩擦性質 ； 地震 ； 岩坡 ； 岩塊滑動 ； 傾斜台 ； 振動台

並列摘要

Earthquake induced dip-slope sliding or rock-block sliding is usually analyzed using friction angles or friction coefficients measured at the sliding interface. A tilt test is a convenient test for measuring the required friction angle. However, a tilt test is a test under static conditions, and the applicability of measured friction parameters to analyze slopes under dynamic excitation requires further discussion.
This study conducts a static tilt test and a dynamic shaking table test to simulate block sliding with base excitation, compares differences in measured sliding thresholds, and discusses the cause of these differences. Tests on three different materials (aluminum, MS4 sandstone, and synthetic sandstone) show that friction coefficients measured by tilt tests are always larger than the ones derived by shaking table tests. Moreover, high frequency tests yield larger friction coefficients, suggesting the sliding threshold is non-constant under excitation. In addition, tests with varying normal stresses on the sliding block show that with increasing contact stresses, sliding thresholds decrease, implying that sliding threshold varies with normal stress.
Instantaneous friction coefficients during sliding are also studied in this work. It has been found the frictional behavior of synthetic sandstone deviates from the idealized Coulomb friction model. The instantaneous friction coefficient varies with relative displacement and relative velocity during sliding. Finally, reasons for differences between a static tilt test and a dynamic shaking table test are discussed. This study preliminarily identifies the limitations of the tilt test when applied to dynamic problems, and concludes that realistic sliding thresholds can only be obtained using dynamic tests such as shaking table tests.

並列關鍵字

friction ； seismic ； earthquake ； landslide ； tilt test ； shaking table test

參考文獻

5. 王少韡，模擬岩塊受震滑動之動態摩擦行為初探，國立臺灣大學土木工程研究所碩士論文，2009。

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