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Numerical Simulation of Failure Behavior of Granular Debris Flows Based on Flume Model Tests Jian Zhou, Ye-xun Li, Min-cai Jia and Cui-na Li Hindawi Publishing Corporation The ScientificWorld Journal Volume 2013, Article ID 603130, 10 pages 授授授授 授授授 授授 授授授授 授授 授授 授授授授 授授 :宋 7102042024

Numerical Simulation of Failure Behavior of Granular Debris Flows Based on Flume Model Tests

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Hindawi Publishing Corporation The ScientificWorld Journal Volume 2013, Article ID 603130, 10 pages. Numerical Simulation of Failure Behavior of Granular Debris Flows Based on Flume Model Tests. Jian Zhou, Ye-xun Li, Min-cai Jia and Cui-na Li. 授課教師 : 謝平城 教授 指導教授 : 馮正一 教授 - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Numerical Simulation of Failure Behavior of Granular Debris Flows Based on Flume Model Tests

Numerical Simulation of Failure Behavior of Granular DebrisFlows Based on Flume Model Tests

Jian Zhou, Ye-xun Li, Min-cai Jia and Cui-na Li

Hindawi Publishing CorporationThe ScientificWorld JournalVolume 2013, Article ID 603130, 10 pages

授課教師 : 謝平城 教授指導教授 : 馮正一 教授簡報學生 : 宋偉銓 7102042024

Page 2: Numerical Simulation of Failure Behavior of Granular Debris Flows Based on Flume Model Tests

簡報目錄1. 前言2. PFC3D 程式簡介3. 試驗方法 (1) 水槽試驗 (2) 試驗結果分析 (3) 數值模擬4. 結論

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1. 前言•土石流通常在具風化表層之山區,且長時間強降

雨下觸發。•多位學者研究顆粒尺寸與土石流危害程度關係,

並考量其運動型態、統體應變量及孔隙水壓在滑動中之變化。得出粒徑大小對於流域中,其土壤入滲特性及風化程度有顯著影響,故粒徑分布為研究重點之一。

•此研究利用離散元素法 (discrete element method , DEM) 模擬三維下,土石流顆粒運動之應力分布及能量變化,使用三維顆粒流 (particle flow code , PFC3D) 程式及水槽試驗進行比對印證。

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2. PFC3D 程式簡介•PFC3D 為不連續碼,用於分析、測試及研究任何領

域中,需探討其分離個體在大應變、斷裂狀況下的作用行為。應用範圍可延伸至任何顆粒系統在動態下的分析。

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3. 試驗方法─水槽試驗3.1 前置作業─土石流模型系統包含水槽模型、人工降雨設施、測量及資料接收儀器、攝影機等,砂坡尺寸為 150cm 長、 40cm 寬、 25cm 高。

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3. 試驗方法─水槽試驗3.1 前置作業─砂坡堆置砂樣選擇粒徑分布曲線 D50=0.35mm 之中顆粒砂混合 D50=0.15mm 細砂,水平放置且混合水達含水量 10% ,底層細砂與槽體底部黏合增加摩擦力,砂體鋪設每層 2.5cm 共 4 層,頂部放置 20kg 物體一小時,使砂體表面均勻且自然沉降。水槽坡度設定 25 。,降雨強度設定 1 mm/min ,持續時間約 6.1~7.1min 。

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3. 試驗方法─試驗結果分析3.2 結果分析─水槽試驗破壞過程如下圖。結果表示破壞時,剪力變形發生於坡趾,進而形成向源滑動破壞。

圖 (a) 含水量上升砂體表層無

變化。

圖 (b) 當砂體飽和時剪力變形發生於坡趾,坡趾後方繼續生成新剪力變

形。

圖 (c) 因孔隙水流動,坡面發生張力裂縫進而形成剪力滑動面,坡後繼續生成新裂縫、滑動面。

圖 (d) 在重力、滲流力作用下,砂坡崩塌與水形成砂流。

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3. 試驗方法─試驗結果分析3.2 結果分析─水槽試驗沙坡破壞過程俯視圖

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3. 試驗方法─試驗結果分析3.2 結果分析─位移範圍此研究採變形測量數位攝影 (digital photogrammetry for deformation measurement , DPDM) 進行位移觀測。觀測區塊如圖 6 。

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3. 試驗方法─試驗結果分析3.2 結果分析─位移範圍下圖 7 為觀測變化。

圖 (c) 當滲透力使坡趾不穩時,滑動塊體被分解成許多小塊體,使位

移更大。

圖 (a) 顯示兩個潛在滑動面

出現在5~7cm深處,滑動塊體無變化但位移續增

加。

圖 (d) 滑動塊體後方生成新潛在滑動面,重複破壞迴圈。

圖 (b)最大位移發生在9cm深處,但表面位移

持續為0cm 。

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3. 試驗方法─試驗結果分析3.2 結果分析─破壞模式為探討粒徑分布與破壞模式間關係,此研究使用 7 種不同比例中粒砂混合細砂做研究。分別為 0% (medium sand) 、 10%(C-10) 、 20% (C-20) 、 30% (C-30) 、 40% (C-40) 、 50%(C-50) 、 100% (fine sand)

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3. 試驗方法─試驗結果分析3.2 結果分析─破壞模式

細砂含量 <10% ,裂隙發生在坡頂,進而形成向源滑動,滑動面為圓弧形,滑動塊體小且位移距離短。

當細砂含量 >40% 時,大塊體砂土滑動如黏滯流

當細砂含量介於20~30% 時,坡頂產生裂隙並往坡趾滑動。

此水槽試驗表示細砂含量影響砂坡破壞行為,當細砂從 0% 增加至 100% 時,由向源滑動破壞漸變為液化狀滑動。

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3. 試驗方法─數值模擬3.3 數值模型此研究採用液、固體耦合,解決在笛卡爾座標系統中,模擬不可壓縮流之連續性、 Navier-Stokes 方程式問題。可於顆粒及孔隙間影響下,對每個網格、元件施加壓力及流速。數模尺寸如圖 9(a) 為 1m 長、 0.1m 寬、 0.1m 高,顆粒尺寸為 2~5mm ,D50=3.5mm 約為水槽試驗 10倍大 (D50=0.35mm) 。圖 9(b) 中粗網格流體固定為模擬降雨,而水對於顆粒的影響則以改變摩擦係數及阻尼係數。其中加入接觸鍵結模擬非飽和土壤的凝聚力,產生基質吸力。

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3. 試驗方法─數值模擬3.3 比較鑑別為方便觀察,將坡體以紅顆粒劃分區塊,並以紅、灰、藍、黃顆粒表示分層,下圖顯示不同階段之破壞行為。顆粒從坡趾開始滑動,接著往坡後方一層層開始滑動,與水槽試驗相比,相似處同為坡趾破壞而產生向源滑動。表示數值模擬可靠性。

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3. 試驗方法─數值模擬3.3 位移分析以不同顏色顆粒表示位移狀態。當坡趾顆粒達到滲流破壞時,顆粒滑動並失去穩定,且坡底及較上層顆粒位移較底部大,其破壞模式如同前述。

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3. 試驗方法─數值模擬3.3 破壞模式比較下圖表示向源滑動與液狀化滑動之差異。結果顯示數值模擬與水槽試驗結果相近。

向源滑動為分層滑動,坡趾顆粒流失失去支撐後觸發。

液狀化滑動為整體塊體短時間位移,如同黏滯流。

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4. 結論• 1. 試驗結果表示顆粒尺寸分布對於破壞模式有顯著影

響,中顆粒之破壞型式為坡趾向源滑動,裂縫生於坡頂。當土壤中細顆粒增加時變為液化狀流動破壞。

• 2. 細顆粒量 <10% ,為坡趾向源滑動型破壞;細顆粒量 >40% ,為液化狀流動破壞;細顆粒含量介20%~30% 間為混合型。

• 3. 基於水槽試驗及數值模擬結果,中顆粒之向源滑動破壞為分層滑動;細顆粒則為整體滑動近似於土石流。

• 4. 細顆粒填充於大顆粒孔隙中,提高孔隙水壓力使得土體流動性變高,因此不同粒徑分布之土體所造成之孔隙水壓、滲透性、破壞模式變化關係,需要進一步研究。

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簡報結束謝謝聆聽