邊坡管湧之臨界水力坡降值推估

The Assessment of Critical Hydraulic Gradient for Sloping Fields Piping

曾偉銘(wei-ming zeng)

指導教授 ： 張德鑫

中原大學/工學院/土木工程學系/碩士(2008年)

https://doi.org/10.6840/cycu200800484

摘要

管湧現象是指土體中的細小顆粒通過粗大顆粒間孔隙，並發生移動或被水流帶出的情形。管湧發生的位置會在滲流出口附近，也會發生在土體內部。一般傳統判斷邊坡破壞時水力梯度，是以整體的方式來取得數據，所得到的數據皆為一個範圍的平均水力梯度；另一方面砂土在含有水分時具有凝聚力，但傳統上卻忽略其值，而使管湧發生時推估得到的水力梯度並不精確。本研究利用臨界水力坡降公式及數值模擬方法觀察微小顆粒土壤在滲流坡面的受力情形，探討在不同坡度及粒徑下微小土壤顆粒所能承受的水力梯度值。
本研究首先進行實驗室管湧現象模型試驗，所選用材料第一組為過50號篩停60號篩之標準砂，第二組為混合砂。其次，利用運動方程式推導發生管湧時，微小土壤顆粒在坡面上之臨界水力梯度。再利用FEMWATER模式模擬管湧試驗，根據實驗結果所得到之參數條件及邊界條件代入模式進行模擬，得到水流速度及水力梯度值。最後，分析三方面在不同條件下之結果差異，並根據模擬結果反推求其非飽和情況下凝聚力及有效摩擦角。本研究由管湧試驗、理論公式及數值模擬三者比較，在臨界水力梯度方面三者相當接近；修正未飽和砂層之凝聚力在0.0660~0.0891(N/cm2)之間，而有效摩擦角在土壤含水時比乾砂略大0.8~2.0度，可供工程上參考。

關鍵字

管湧 ； 臨界水力梯度 ； 凝聚力 ； 土木工程 ； 有效摩擦角

並列摘要

The piping phenomenon means that soil particles move along the pathway among particles of the soil-body framework or when soil particles are taken out from the soil-body. The position of piping phenomenon occurs seepage outlet or inside of siol-body.In general, We come to obtain the hydraulic gradient by way of whole, but the data we got that is the average hydraulic gradient; On the other hand the sandy soil when includes the moisture content has the cohesive force, but in the tradition actually neglects this value, it causes the hydraulic gradient not to be certainly precise when piping phenomenon occurrence. The research uses critical hydraulic gradient equation and GMS to observe the hydraulic gradient of soil particle in the piping phenomenon.
Firstly, this research involves the model experiment on lab piping phenomenon. Selects the material first group for pass 50 sieve and stops 60 sieve of standard sand, the second group for mixes sand.Secondly, we build critical Hydraulic Gradient equation that is derived from movement equations. Thirdly, according to parameter condition and boundary condition which were got from the experimental result, that bring into GMS and get the velocity of fluid and the hydraulic gradient by GMS. Finally, the research analyzes the different result under different conditions between three methods, and revises its cohesive strength and effective friction angle.The research uses piping phenomenon experiment, the theory formula and GMS to analyze the hydraulic gradient, and compares each other, three quite approaches in the critical hydraulic gradient aspect; obtains the cohesive strength scope between 0.0660and 0.0891(N/cm2),as for the effective friction angle, dank sand is slightly bigger than dry sand for 0.8°~2.0°, may supply in the project to refer.

並列關鍵字

Piping ； Critical hydraulic gradient ； cohesive strength ； effective friction angle ； Civil Engineering

參考文獻

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