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論文中文名稱:土層瞬間飽和上揚力效應之初步研究 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:A Study on Uplifted Effect of Instantaneous Saturated Soil [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
中文姓名:林芳慈
英文姓名:Lin-Fang-Zte
研究生學號:94428041
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2007-07-20
論文頁數:57
指導教授中文名:陳彥璋;張守陽
口試委員中文名:陳主惠;周憲德
中文關鍵詞:理查氏方程式未飽和地下水模式孔隙水壓未飽和土層瞬間飽和。
英文關鍵詞:Richard’s equation1-D variably saturated numerical modelpore water pressureunsaturated soilinstantaneous saturation
論文中文摘要:暴雨形成之地表水經入滲土壤後,造成表土層內部孔隙水壓增加,當整層土壤瞬間飽和時,其所產生之上揚力效應,可能導致邊坡淺層破壞。本研究探討土層瞬間飽和所造成之上揚力效應,應用理查氏方程式理論基礎,以數值模式及室內實驗模擬圓柱型砂柱實驗之瞬間飽和現象,以驗證土層瞬間飽和之上揚力效應。
數值模式中應用理查氏方程式在不考慮逕流下,假設空氣可從側邊排出,進行單層土體一維數值模擬,模擬濕峰在未飽和土層運移之過程及土層中孔隙水壓變化。本研究以火炎山現場土壤,進行圓型砂柱土層瞬間飽和之室內實驗,藉由不同高度之張力計及測壓管顯現上揚力效應。以向上滲流力及水錘效應力類比解釋上揚力現象,並概估瞬間飽和現象所產生之上揚力,其值低於8N/cm2。並一指數函數求算上揚力上升曲線特性,其反應時間k約為11. 3分鐘。
由數值模擬與室內瞬間飽和實驗結果得知,二者之瞬間飽和現象趨勢接近大致相同。希冀藉本實驗現象之土層瞬間飽和現象,提供未來邊坡淺層破壞及土石流發生機制之應用參考。
論文英文摘要:The infiltration of the surface runoff increases the pore water pressure, which causes the failure of the shallow-layer slopes. The uplift force due to the instantaneous saturated soil may be an extra force cause the slope failure. A series of experiments conducted with soil column will verify the effect of uplift force when the soil is saturated instantaneously. Moreover, a 1-D variably saturated numerical model for groundwater flow based on the Richard’s equation is applied to simulate the saturated process of a soil layer. The numerical results are also to compared with the experimental data. The two practices prove the appearance of uplift force effect.
In this study, the 1-D variably saturated numerical model is performed without runoff and air. In the meantime, the soil of Huo-Yan Mountain filled in the soil column is also to simulate the phenomena of instantaneous saturation. Three tensiometers and piezometric tubes installed at three various depths respectively show the phenomenon of uplift force. By using the theories of Seepage Forces and Water Hammer can analogically explain the appearance of uplift force and estimate the approximate uplift force. The force calculated in this study is lower than 8N/cm2. Finally, an exponential function is applied to set up the response time of the uplift force process. The response time is around 11.3 minutes.
This research concludes that under the circumstance of instantaneous saturation, Both the 1-D variably saturated numerical model for groundwater flow and the experiments with soil column are with same tendency and results. The study of uplift forces caused by instantaneous saturation is hopefully referred to future researches of shallow-layer slopes failure.
論文目次:目 錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iv
目 錄 v
圖目錄 vii
表目錄 ix
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景 2
1.3 研究目的 2
1.4 研究流程 2
第二章 文獻回顧 4
2.1 降雨入滲對邊坡穩定之影響 4
2.2 孔隙水壓對為飽和土體之破壞 4
2.3 變飽和地下水流方程式 6
2.3.1 達西方程式 6
2.3.2 Richards非飽和水分傳輸公式 7
2.4 入滲公式 8
2.4.1 Green and Ampt入滲公式 8
2.4.2 Horton入滲公式 9
2.5 非飽和層之定義 9
2.5.1 保水曲線(Water retention curve) 10
2.5.2 van Genuchten模式(VG modle) 11
2.5.3 土壤傳導係數曲線 12
第三章 研究方法 13
3.1 研究架構 13
3.2 數值模式特性介紹 14
3.2.1 數值模式理論 14
3.2.2 數值離散與線性化 16
3.2.3 初始條件與邊界條件 18
3.3 土層有效應力歷線之估算 19
3.3.1 總應力歷線估算 19
3.3.2 部分飽和孔隙水壓歷線估算 20
3.4 滲流力 20
3.5 水錘公式 21
3.6 上揚力特性曲線參數 22
3.7 室內瞬間飽和實驗 23
3.7.1 實驗設備 23
3.7.2 實驗設計與方法 23
第四章 結果與討論 29
4.1 現場調查與資料收集分析 29
4.1.1 現場基本資料與土壤基本條件 29
4.1.2 保水曲線 30
4.1.3 土層數值模擬 31
4.1.4 土層瞬間飽和室內實驗 33
4.2 模式與實驗驗證 36
4.2.1 未飽和土體過程中之孔隙水壓變化。 37
4.2.2 未飽和土體含水量變化過程 38
4.2.3 土層瞬間飽和之現象 41
4.3 土層有效應力歷線 42
4.3.1 向上滲流力歷線 42
4.3.2 總應力歷線 44
4.3.3 孔隙水壓力歷線 44
4.3.4 有效應力歷線 45
4.4 上揚力現象及歷線估算 46
4.4.1 以壓力流方式敘述 47
4.4.2 以水錘方式敘述 48
4.4.3 上揚力特性曲線參數 49
第五章 結論與建議 52
5.1 結論 52
5.2 建議 53
參考文獻 54



圖目錄

圖 1.1研究流程圖 3
圖 2.1飽和層土壤 (孫丕奇,2005) 10
圖 2.2遲滯現象保水曲線示意圖 11
圖 3.1研究架構圖 13
圖 3.2各節點權重係數簡圖(李文生,2005) 17
圖 3.3總應力計算示意圖 19
圖 3.4滲流力說明圖 20
圖 3.5滲流力示意圖 21
圖3.6土壤粒徑分佈圖 24
圖 3.7張力計詳圖(林志欣,2005) 25
圖 3.8資料擷取器 (Data Logger) 25
圖 3.9張力計與側壓管配置圖 27
圖 3.10給水系統配置圖 27
圖3.11實驗配置圖 28
圖 4.1火炎山現場土體保水曲線 30
圖 4.2土層剖面孔隙水壓變化圖 31
圖 4.3土層剖面含水量 32
圖 4.4壓力水頭歷線圖 32
圖 4.5壓力歷線圖 34
圖 4.6土層瞬間飽和歷線 36
圖 4.7孔隙水壓歷線比較圖 38
圖 4.8含水量歷線比較圖 40
圖 4.9瞬間飽和現象比較圖 41
圖 4.10向上滲流力圖 44
圖 4.11應力歷線圖 46
圖 4.12上揚力歷線圖 48
圖 4.13推估值與實際值上揚力歷線圖 51


表目錄

表 3 1土壤與水彈性模數代表值 22
表 3 2土壤力學實驗 24
表 3 3張力計校正結果 25
表 4 1土壤基本條件參數 30
表 4 2濕鋒到達時間 36
表 4 3瞬間飽和壓力水頭增加速率表 42
表 4 4瞬間飽和後壓力水頭上升速率表 42
論文參考文獻:參考文獻
1. 王光志,「土柱異質物對非飽和土壤水力特性影響之研究」,碩士論文,中國科技大學土木與防災應用科技研究所,2006年
2. 王昭雯,「山腹邊坡斜面土體崩壞及其土石流化模式之研究」,逢甲大學碩士論文,2005年。
3. 王裕宜、詹錢登、嚴璧玉,「泥石流體結構和流變特性」,湖南科學技術出版社,2001年。
4. 王銘燦,「遲滯土壤水分傳輸數值模式之研究」,碩士論文,國立台灣大學生物系統工程學研究所,2002年。
5. 何敏龍,「土石流發生機制與流動制止結構物之研究」,博士論文,國立台灣大學土木工程研究所,1997年。
6. 李文生,「變飽和地下水流數值模式之研究」,國立臺灣大學土木工程研究所博士論文,2005年,第3-1,3-2,3-43頁,第5-1頁,第6-1-6-5頁‧
7. 李伯亨,「入滲效應與土石流發生臨界雨量線之探討及應用」,碩士論文,國立臺北科技大學環境規劃與管理研究所, 2003年。
8. 周憲德、廖偉民,「孔隙水壓對溪床土石流發生機制之影響」,中華水土保持學報,第二十九卷,第三期,1998年,第211-217頁。
9. 林志欣,「圓型砂柱探討入滲效應之研究」,碩士論文,國立中央大學土木工程研究所,2005年。
10. 林炳森、馮賜陽、李俊明,「礫石層土石流發生特性之研究」,中華水土保持學報,第二十四卷,第一期,1993年,第55-64頁。
11. 林美聆、王幼行,「地表水及地下水對土石流破壞型態之影響」,地工技術,第七十四期,1999年,第29-38頁。
12. 林鼎祥,「土石流滲流破壞之機制探討」,國立台北科技大學土木防災所碩士學位論文1999年,第43-67頁。
13. 拱祥生,「降雨對不飽和土壤邊坡穩定性之影響研究」,碩士論文,國立台灣科技大學營建工程所, 1999。
14. 孫丕奇,「穩態降雨入滲在異質性非飽和斜坡上造成的孔隙水壓變化之研究」,碩士論文,中國科技大學土木與防災應用科技研究所,2006年
15. 崔鵬,「泥石流啟動機理的研究」,北京林業大學博士論文,1990年5月,第23-24頁,第27頁,第54頁。
16. 張守陽,「渠槽沉滓超載運移特性之研究」,國立台灣大學土木工程研究所博士論文,1990年。
17. 張守陽,「滲透破壞土石流之實驗研究」,第十屆水利工程研討會,1999年7月。
18. 張守陽、陳主惠、周憲德、李伯亨,「入滲效應與土石流發生臨界雨量線之研究」,中國土木水利工程學刊,第十七卷第一期,109-119,2005年3月。
19. 連健淵,「不飽和土壤變形參數之研究」,碩士論文,國立交通大學土木工程所,1999。
20. 連惠邦,「土石流之定量判別指標」,中華水土保持學報,第二十八卷,第二期,1997年,第129-136頁。
21. 連惠邦,「礫石型土石流流體性質與運動特性之相關研究」,博士論文,國立中興大學水土保持研究所,1994年。
22. 陳主惠、張守陽、李伯亨,「入滲對非飽和邊坡淺層崩塌發生機制之研究」,中華水土保持學報,第三十五卷第一期,69-77,2004年5月。
23. 陳晉琪,「土石流發生條件及發生機率之研究」,博士論文,國立成功大學水利及海洋工程研究所,2000年。
24. 曾泓儒,「土石流發生機制之數值模擬」,碩士論文,國立台灣大學土木工程所,2000年。
25. 游繁結,「土石流基礎研究(一):土石流發生機制之研究」,中華水土保持學報,第十八卷,第二期,1987年,第28-40頁。
26. 黃宏斌,「土石流發生模式探討」,農業工程學報,第三十七卷,第四期,1991年,第35-47頁。
27. 黃宏斌,「非飽和堆積層土石流發生之臨界角度與含水量之關係研究」,中華水土保持學報,第二十四卷,第一期,1993年,第21-27頁。
28. 黃漢誠、陳主惠、譚義績,「未飽和層土壤水份遲滯效應之研究」,農業工程學報,第四十六卷,第四期,2000年,第33-47頁。
29. 劉建榮,「van Genuchten土壤特性曲線參數對濕鋒模擬與暫態補注量之影響」,碩士論文,逢甲大學水利工程研究所,2002年。
30. 鄭瑞昌、江永哲,「土石流發生特性之初步研究」,中華水土保持學報,第十七卷,第二期,1986年,第50-69頁。
31. 羅聖源,「水錘波傳耗散分析」,碩士論文,成功大學-水利及海洋工程學系研究所,2002年

英文部分

1. Bishop, A. W., and Blight, G. E., “Some Aspects of Effective Stress in Saturated and Unsaturated Soil,”Geotechnique, vol. 13, no. 3, 1963, pp.177-197.
2. Brooks, R. H., and A. T. Corey, “Hydraulic properties of porous media,” Colo. State Univ. Hydrology Paper, no.3, 1964, pp.1-27.
3. Chen R. H. and Yang S. C., “Study on debris-flow triggered by pore water pressure,” Proceedings of the Second International Conference on Debris-Flow Hazards Mitigation ,Taiwan, 2000, pp.61-65.
4. Cho Sung Eun and Lee Seung Rae, “Evaluation of Surficial Stability for Homogeneous Slopes Considering Rainfall Characteristics,” Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, vol.128 ,no.9 , 2002, pp.756-763.
5. Diskin, M.H.; Nazimov, N., ”Ponding time and infiltration capacity variation during steady rainfall,” Journal of Hydrology, vol. 178, Issue: 1-4, 1996, pp. 369-380.
6. Escrio V. and Saez J., “The shear strength of partly saturated soils.”, Geotechnique 36, 1987, pp.453-456.
7. Fourie A. B., “Predicting rainfall-induced slope instability.”, Proc. Inst. Civil Eng. Geotech. Eng., vol.119 , no.4 , 1996, pp.211-218.
8. Gasmo J.M., Rahardjo H., Leong E.C., “Infiltration effects on stability of a residual soil slope,” Computers and Geotechnics, vol.26, 2000, pp.145-165.
9. Hsu Shaohua Marko, Ni Cuen-Fa, and Hung Pi-Fang, “Assessment of Three Infiltration Formulas based on Model Fitting on Richards Equation,” J. Hydrologic Engineering., vol.7, no.5, 2002, pp. 373-379.
10. Iverson Richard M., “Landslide triggering by rain infiltration.”, Water Resources Research, vol.36 ,no7, 2000, pp.1897-1910.
11. Low T. H, Faisal, Hj. Ali. and Subramaniam, R. ”Parametric Studies of Slope Stability in Unsaturated Residual Soil,” Thirteenth Southeast Asian Geotechnical Conference, 1998, pp.16-20.
12. Mein, R. G., and C. L. Larson, “Modeling infiltration during a steady rain,” Water Resources Research, vol.9, no.2, 1973, pp.384-394.
13. Pradel, D., and Raad, G., “Effect of permeability on surficial stability of homogeneous slopes.”, J. Geotech. Eng., vol. 119, no.2 , 1993, pp.315-332.
14. R.Mourgues , P.R.Cobbold., “Some tectonic consequences of fluid overpressures and seepage forces as demonstrated by sandbox modelling ” ., Tectonophysics 376 , 2003 , pp 75– 97.
15. Rawls, W. J.,Brakensiek, D. L., and Miller, N., “Green and Ampt infiltration parameters from soils data,” J. Hydraul. Eng., vol.109, no.1, 1983, pp. 62-70.
16. Takahashi T., Debris flow, IAHR , A.A. Balkema: Rotterdam Printed in the Netherlands. , 1991.
17. Tarantino A. and Bosco G.. “Role of soil suction in understanding the triggering mechanisms of flow slides associated with rainfall.”, Proceedings of the Second International Conference on Debris-Flow Hazards Mitigation, Taiwan, 2000, pp.81-88.
18. van Genuchten, m. Th, “A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils”, Soil Sci. Am. J., vol.44, no.5, 1980, pp.892-898.
19. Vanapalli S. K., Fredlund D. G., and Pufahl D. E., “The Influence of Soil Structure and Stress History on the Soil-Water Characteristics of a Compacted Till,”Geotechnique, vol. 49, no. 2, 1999, pp. 143-159.
論文全文使用權限:同意授權於2009-08-27起公開