交通大學土木工程系所學位論文
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崩積層為台灣常見之不均質岩土材料，其材料通常包含岩塊、砂、土壤，依膠結程度不同被稱為併構岩bimrocks (block-in-matrix rocks)或併構土bimsoils。由較高強度的岩塊被較低強度的基質包覆形成的材料，併構土與併構岩相較，基質較類似土壤。崩積層材料非常複雜且不均質，其力學性質極不易評估。 本研究利用交通大學土木系105年與107年於苗栗鹿場部落鑽探之岩心進行室內三軸試驗與物性試驗，並綜合陳見成(2016)、聶廷羽(2017)鹿場地區崩積併構土試驗綜合探討力學行為與影響因子。結果顯示除了岩塊體積比，試體含水量、基質性質、岩塊大小、岩塊分布、試體深度均會影響併構土強度。由試體破壞後觀察到破壞面普遍沿著岩塊周圍發展，破壞面越蜿蜒使試體整體強度越高，破壞型式分為膨脹型破壞、剪動面型破壞、膨脹剪動複合型破壞。
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大規模崩塌有著歷時性短、毀滅性高的特性，可能造成重要的保全設施的損壞與人員的傷亡。預測邊坡崩塌體運移的方法可略分為三類，分別為經驗模型、解析方法與數值方法。經驗模型係經由迴歸同類型崩塌體資料而來，需要收集與過濾大量崩塌體資料所得之迴歸模型方能可靠; 數值方法則需要掌握必要之輸入參數，且往往需要花較長時間建立模型與進行運移分析。本研究旨在建構簡化解析方法以進行運移分析，將崩塌體簡化為單質點，經由半解析方法建立模型，期能快速概估邊坡崩塌後之運移行為。 本研究共建置了三種質點運移模型，分別是單參數模型、雙參數模型與三參數質點運移模型。採用2012年暴雨導致南部六龜某邊坡滑動破壞為案例，先以PFC2D分析該案例的邊坡滑動運移，紀錄邊坡運移不同位置球體的位移歷程。再以PFC2D分析結果為標的，以各模型進行非線性擬合PFC2D模擬結果的位移歷程。透過非線性擬合的方式，可得對應PFC2D模擬結果的質點運移模型參數。最後並比較對應相同的滑動運移歷程下，簡化質點運移模型參數與PFC2D參數的概略關係。本研究建置之簡化運移模型，可用於快速概估邊坡崩塌後可能的運移影響距離與位移速度歷程，以供崩塌潛在災害之初步評估。
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通常採用已識別的結構模態參數，不僅驗證在設計階段建立的數學模型，並在需要時校正模型，而且還評估結構在其生命週期中的損壞。小波變換已成為信號處理中一種重要且流行的工具，因為它具有選擇合適的時間和頻率窗口進行分析的內在能力。本研究首先提出了一種新方法，通過使用連續Cauchy小波變換（CCWT）和自發回歸與外源激發（ARX）模型，從其完整輸入和不完全加速度響應測量精確識別結構的模態參數。 CCWT相對於其他小波的主要優點是函數導數的CCWT可以從該函數的CCWT分析確定。根據小波域中的狀態變量，該優點導致建立適當的ARX模型。結構的模態參數由ARX模型的係數矩陣確定。所提出的方法使用六層剪力建築的數值模擬加速度響應進行驗證，並進一步應用於在振動台試驗中處理三層和八層鋼框架的加速響應。 該研究還提出了各種方法，通過使用CCWT和三個時間序列模型來識別具有不完整輸入和加速度響應測量的結構的模態參數，即具有外源激發的自回歸時變移動平均（AR-TVMA-X）模型，時變外源激發（AR-TVX）模型的自回歸模型，以及隨時間變化的外生激發和自回歸時變移動平均（AR-TVMAX）模型。這些提出的方法用於處理受到多個支撐激勵的三跨樑的模擬加速度響應。正在考慮兩種類型的支持激勵，即獨立輸入和具有時間延遲的輸入。 AR-TVMA-X，AR-TVX和AR-TVMAX模型準確地識別光束的前十種模式的模態參數，即使僅測量一個支持運動並且將10％噪聲添加到所有測量數據。 該方法進一步應用於處理台灣南部高平熙兩跨斜拉橋的地震反應。 僅使用三個測量的支撐激勵中的一個來確定橋的模態參數與使用具有所有三個支撐激勵的ARX模型獲得的結果一致。 通過所提出的方法CCWT以及ARX模型確定的鋼框架結構的模態參數進一步用於使用改進的損傷定位矢量（DLV）方法評估結構的損壞，並引入加權相對位移指數（WRDI）和 一個Gram-Schmidt過程。 結構的損傷位置和嚴重程度準確地確定。
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本研究旨在瞭解明渠水流通過彎道的流場特性(水深及流速)，希望可以藉由三維數值方法模擬3個不同彎道程度的模型試驗，其雷諾數約為100,000，彎道程度(Rc/B)分別為8.33, 1, 3，從而挑選較適合模擬彎道水流之k-ε 紊流模型。 於本研究中，前處理的幾何與網格的製作，使用ANSYS ICEM 14.0 繪製：採卡氏直角座標系統繪製幾何；網格設定，採由六面體網格組成之結構型網格，總網格數則依試驗案例有所不同。流場模擬部分，使用泛用型計算流體力學軟體ANSYS FLUENT 14.0：水汽交界採用多相流的VOF方法搭配明渠流功能，入流處給定入流量，出流處給定水位；紊流模型則以RNG k-ε 紊流模型為主，並使用其它2種k-ε紊流模型模擬作為比較組。後處理的數據處理與圖表製做，則以 Microsoft Excel為主：把來自數模軟體輸出的流速數據進行座標轉換，將卡氏直角座標系統轉換為於河川模擬常見之數據呈現方式，即垂直於各斷面之主流向(縱向)流速與平行於各 斷面的側向流速。 由模擬結果與試驗數據的比較可以發現，RNG k-ε紊流模型與其它2 種k-ε紊流模型水深平均縱向流速於斷面的側向分布與試驗數據大致吻合；水深方向流速剖面中，縱向流速方面，3種k-ε紊流模型的模擬成果差異不大且皆與試驗數據大致吻合；但在側向流速方面，RNG k-ε紊流模型與試驗數據較為吻合，另外2種k-ε紊流模型所模擬的側向流速與試驗數據相比，在彎道程度較大的案例中，偏差較大，較無法展現二次流的強度。
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邊坡崩塌常有著歷時性短且會毀滅性高的特性，往往造成突發的生命財產損失。針對具有滑動徵兆之邊坡，於邊坡破壞前之調查因此十分重要。而在邊坡調查中，對於滑動面位置之調查，在一般的工程手段都是在鑽探後，安裝監測系統方能確定滑動面之位置。然而若尚不知滑動面所在，於鑽探規劃時卻往往難以決定鑽探孔應布置之位置與深度。也因還不確定滑動面之位置，為求保守可能會浪費鑽探成本，反之若過度樂觀卻可能深度不足。 本研究嘗試在鑽探規劃開始前，利用地表位移分布推測滑動面之概略深度，以利後續調查規劃之參考。本研究計算滑動面位置之方法係建立於地表位移與圓弧形滑動之幾何關係上，因此所研擬之方法限用於滑動位移有限的單一圓弧形滑動面。本研究利用圓弧形滑動面與地表位移量之幾何關係，嘗試反算推估滑動面之位置，並利用地工分析軟體FLAC3D進行模擬驗證，比較場址之地表位移分布情形與FLAC3D計算之位移分布結果是否相符。 本研究以兩處案例測試上述方法之可行性，兩處案例場址分別位於苗栗縣南庄鹿場以及阿里山二萬坪地區。由於鹿場案例缺乏可靠之精確地表位移量測，故僅經由數值模擬計算模擬之字坡區域之地表位移場。並於之字坡剖面假設不同滑動面以進行FLAC3D模擬以得到相對之地表位移場，再以模擬所得之地表位移場來推衍滑動面位置，比較推衍滑動面是否與先前假設之滑動面一致，以驗證推衍滑動面之正確性。就阿里山二萬坪之案例，該處經歷八八風災後，由前後期之DEM可明顯發現滑動跡象，且具有明顯典型圓弧形滑動之特徵，經測試推衍滑動面並與現場條件比較，本研究之方法大致可行。
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國內外大型火場經驗及研究成果顯示，鋼構材受高溫強度與勁度的衰減，皆為造成建築物崩壞的主因之一。然而火害實驗費用昂貴，故本研究以有限元素軟體模擬高溫下鋼構造子結構的行為，驗證模型的準確性，並探討實驗無法量測之數據。研究內容為建立高強度鋼構造梁柱接頭分析模型及樓版含剪力接頭合成梁分析模型，模擬其受高溫之行為，並與實驗結果比較。兩組高強度鋼構造梁柱接頭模型，分別為梁翼無切削搭配銲接耐震扇形開孔與梁翼切削搭配雙圓弧銲接扇形開孔。樓版含合成梁模型採用兩種剪力接合型式，為小梁端部翼板是否有裁切。分析結果顯示，梁翼無切削相較於有切削有略佳的耐火時間；由梁腹板的應力分析結果可明顯觀察到梁翼有切削處之腹板有應力集中的現象，其扇形開孔處則無此情況發生；梁翼無切削模型則梁斷面延伸至扇性開孔處皆有較大的應力產生。樓版含剪力接頭合成梁模型，其小梁隨溫度上升撓曲逐漸增加，最終與實驗有相近的撓曲量與耐火時間；由應力分析結果得知，模型加溫初期小梁受彎矩效應影響，加溫中期小梁達到降伏，加溫後期樓版發生薄膜效應，使樓版仍能維持其承載能力。由大梁與剪力板變形及轉角分析比較結果得知，小梁端部翼板無裁切模型因螺栓距離大梁形心較遠，故相比有裁切模型之大梁有較大的扭轉發生。綜合各鋼構件子結構於高溫下的模擬，顯示分析模式可合理預測鋼構造子結構於高溫下之行為。
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現有顆粒力學多藉由量測組成顆粒之位態分佈，以評估其對集合體行為之影響，缺乏內部顆粒間實際接觸行為之量測方法。應用顆粒力學之數值分析方法亦缺少接觸力量測量，致使其中部分參數仍須仰賴經驗方法，並不具有實際之物理意義。筆者研製一種智慧石頭(Smart Stone)，其表面裝置有12片觸覺感測器(Tactile sensor)用以提供其表面12組正向接觸力量測；一個九軸慣性量測單元(Inertia Measurement Unit, IMU)，用以提供其相對於導航座標系統之旋轉姿態；超寬頻模組(Ultra-wideband, UWB)，使其得以與鄰近至多12個已知觀測點之超寬頻模組進行測距，並藉由空間定位演算法推估其空間座標。本研究最終將智慧石頭用於大型二維單剪試驗，從內部顆粒的角度量測顆粒性材料受剪時內部顆粒的軌跡、位態與表面接觸力之變化。智慧石頭於試驗過程中持續將量測值藉由超寬頻模組回傳至接收端之超寬頻模組，並藉由筆者所撰寫之Matlab程式自動擷取、解算上述量測量，自動匯出三維旋轉姿態與力量向量投影圖。本研究中大型二維單剪試驗之量測數據將來可與離散元素法(Discrete Element Method, DEM)互相驗證，彌補顆粒力學與DEM所缺少之內部顆粒接觸行為量測，並提供DEM經驗參數之參考與優化。
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山區複合性災害必須考慮土讓剪力波速與崩積層厚度，使用非破壞性被動式表面波震測法，可以經濟且大範圍的量測地層概況。當應用被動式表面波震測法於山區時，會因震源位置與坡地地形條件而產生與基本假設不符之處，有進行影響探討之必要。本研究利用三維數值模型搭配波譜元素法，模擬表面波在非均勻震源於水平地層、均勻震源於傾斜地層與山坡地形中的傳遞行為，並探討其對分析結果的影響，並尋求可能降低影響或避免影響之方案。 研究成果顯示，在有主要來源方向之被動震源的情況，對空間自相關分析法(SPAC)影響小，但對被動式多頻道表面波分析法(MAPS)有頻散曲線與理論解偏移的現象，建議利用主動式表面波震測法獲得某頻率段的相位速度以作為MAPS修正之參考。均勻震源於傾斜地層會造成非均勻震源，對SPAC方法影響小，對MAPS方法一樣有頻散曲線偏移的現象，且依然可利用主動式表面波震測法進行修正。中尺度山坡中，坡度與震源位置皆會影響分析結果，坡度越陡或震源與測線在山坡不同側時，頻散曲線的判釋較困難，但被動式概念-interferometry可提升表面波頻散分析在中尺度山坡的適用性。
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台灣因為地震與強降雨多，時有大規模崩塌，造成大量傷亡與經濟損失。各地發生大規模崩塌的機率與造成的災損都不同，為了災害管理的需求，最好能夠引入風險之概念。透過風險分析可整合、比對不同場址發生大規模崩塌之風險，挑選出風險較高之潛勢區，評估該處之風險是否可容忍；若該風險不能容忍，則須藉由工程手段或非工程手段來達到防災及減災之目標。針對資料齊全之邊坡，其崩塌風險的評估較易於執行，執行方法也相對成熟；對於大規模崩塌而言，風險評估則往往有困難，尤其在初期缺乏詳細的現地調查資料以及地質資訊情況下，勢必無法對所有具有大規模崩塌潛勢區都付出人力與金錢。本研究目的在建構大規模崩塌之風險評估架構，透過可以取得的基本資料，以簡易方法評估台灣南部數個案例之風險。 本研究所建立的大規模崩塌之簡易風險評估架構中，涵蓋潛勢、危害度、脆弱度、判別保全對象、風險等級與潛勢分級並考量潛勢區之活動性，以描述發生大規模崩塌之易發程度。由於架構追求簡易，故所使用資料皆須快速取得，評估之元素皆以定性方式描述，雖無精確數值但卻仍能夠比較相對差異。於評估崩塌體的運移行為時，係以統計方法評估的崩塌規模為參考，並依實況圈繪來源區位置，再使用面積-體積經驗式與到達角度法計算運移距離，最後以經驗方法劃設影響範圍。由於初期風險評估階段尚難以評估完整的致災性參數進而評估破壞程度，本架構假設影響範圍內之保全對象皆全毀，影響範圍內之保全對象可經航空影像與門牌系統調查，再依保全重要性評分。最後得以定性方式評定個別案例之風險等級。
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建築資訊模型（Building Information Model, BIM）包含詳細室內資訊及豐富語意之特性，並具有二維視圖及三維模型展示功能，因此大多使用於工程設計、規劃、審圖、檢驗等階段。本研究提出從BIM到OSM之室內資訊萃取架構，且實際測試BIM到OSM延伸應用，以下四項為主要研究項目：(1)發展BIMOSM，針對BIM實體（Entity）與關係（Relation）進行分析；(2)提出BIM模型導入室內資訊至OSM之架構，分為幾何與屬性兩大部分，並使用BIMOSM概念擴充既有室內OSM語意模型；(3)驗證BIMOSM圖資之精度、資訊量、細緻度等，探討BIMOSM成為OSM圖資來源之效益；(4)展示BIMOSM成果之延伸應用，包含室內路徑規劃及室內環景應用。實驗成果展示BIM導入OSM轉換格式框架，建立BIMOSM欄位屬性表，並證明顯示BIMOSM圖資表現比OSM圖客繪製圖資更佳，最後成果結合OSM應用進行OpenLevelUp室內路徑規劃與Mapillary室內環景影像之實際應用，使未來開放室內資訊擁有新的選擇。