鄭富書臺灣大學：土木工程學研究所陳正旺2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50049一般以數值分析模擬斷層錯移演繹時，首要條件即為取得斷層圍岩之材料參數，但是以往受限於地底岩層材料之取得性困難，因此前人研究大多是以地表露頭所取得之岩石進行力學實驗，以求得代表某一地層之材料參數。但除了地表受風化之岩石與地底新鮮岩石間之力學特性有待釐清之外，在真實情況下，相同地層中，岩石之岩性會隨深度而變化，因此若將地層視為單一岩性，將無法適當的描述地層之強度與變形特性。 本研究配合TCDP鑽探計畫，可取得地表下新鮮且完整之斷層周圍岩石進行力學試驗，並配合草嶺地表所取得之卓蘭層試體進行比較，可進一步探討岩石隨深度之變化，其力學特性之差異。此外，前人之研究大多是在室溫狀態下進行實驗，然而未來工程施工條件勢必遭遇需考量溫度效應之環境，因此考量溫度效應對於岩石力學特性之影響，亦為本研究探討的課題之一。 本研究依據地層柱，將岩石分為四大類型，I類型為地表卓蘭層；Ⅱ類型為生物擾動段；Ⅲ類型為粗顆粒砂岩；Ⅳ類型則為粉砂岩，以進行力學實驗。研究結果顯示，在變形特性方面，主要是受到孔隙率影響，孔隙率大之岩石變形量會較孔隙率低之岩石為大，亦即岩石之變形特性受岩性影響較大，而與深度之相關性不顯著。而在溫度效應方面，實驗成果顯示在本研究120度加溫範圍內，溫度對於岩石力學強度及彈塑行為之影響並不顯著，即未來工程上若遭遇到在此溫度範圍內之地熱區域，則只需要針對施工方式進行考量，而岩石本身之強度與變形性則無需考慮溫度效應。 最後，本研究亦採用可合適描述岩石非線性彈性及諧和性準則之彈塑組成模式，模擬結果顯示，本研究所採用之組成模式能適當描述I及Ⅲ類型岩石彈塑性應力-應變行為，且與實驗資料有不錯之吻合。Generally, in order to study the mechanical characteristic of the strata, we often measure the physical and mechanical properties of the specimens took from the surface of the earth. In the real case, the rocks’ characteristic changed by the depth and the properties. If we took the rocks to a single property, it can not describe the strength and deformation of the strata completely. In this study, we research the mechanical characteristic of the specimens of two source. One is the Cholan sandstone which was took from Cao-ling, the other is the cores with a depth ranging from 450 to 1300m from TCDP program. Accordingly, the specimens are subjected to a series of mechanical experiments, including stress-path controlled pure shear tests to study their physical properties as well as their strengths and deformability with elastic and plastic strained being distinguished. Meanwhile, temperature factor are also conducted so as to study the influence on the rocks. According to the experimental results, we can found that the Drucker- Prager failure criteria can describe the failure envelop line of rocks applicably, and the stress-path and strength of rocks are not related. It was also found that the rocks with lower porosities exhibit larger deformation than rocks with higher porosities. According to the notion of distinguishing the deformation from elastic and plastic components, it can describe the behavior of rocks subjected to volumetric stress and shear stress applicably, including the non-linear elastic deformation ,plastic strain locking, the elastic volumetric strain was coupled with shear stress. As to the temperature factor, the influence of the factor on rocks was not very apparent in this research. Finally, according to the constitutive model of sandstone, we can obtain the parameters of the elastic and plastic model, then we can predict the stress-strain curve of rocks and compare with the data from pure shear triaxial test. According to the analysis, we can find that the constitutive model can applicably describe the deformable characteristic of rocks of type I and type Ⅲ.目 錄 摘 要 I 目 錄 III 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 緒 論 1-1 1.1 研究動機 1-1 1.2 研究目的 1-2 1.3 研究內容與方法 1-2 1.4 本文內容 1-3 第二章 文獻回顧 2-1 2.1 岩石之變形特徵 2-1 2.1.1 體積應力階段之變形行為 2-1 2.1.2 剪應力階段之變形行為 2-2 2.2 砂石之彈塑性行為 2-3 2.2.1 體積應力階段之彈塑性變形 2-3 2.2.2 剪應力階段之彈塑性變形 2-4 2.3 溫度對岩石力學特性之影響 2-7 2.4 岩石變形行為之組成律模式 2-8 2.4.1 彈性模式 2-8 2.4.2 塑性模式 2-10 2.5 綜合討論 2-12 第三章 研究方法與實驗規劃 3-1 3.1 試體來源 3-1 3.2 試體製作與養護 3-2 3.3 實驗方法與規劃 3-4 3.3.1 基本物理性質試驗 3-4 3.3.2 單壓、巴西及超音波試驗 3-5 3.3.3 純剪應力路徑三軸試驗 3-6 3.3.5 傳統三軸試驗 3-7 3.4 實驗設備 3-7 3.4.1 超音波量測儀 3-7 3.4.2剛性壓力試驗機 3-8 3.4.3高圍壓三軸加壓系統 3-8 3.4.4加溫系統 3-9 3.4.5高速應變計資料擷取系統 3-9 3.4.6 熱傳導係數量測儀 3-10 第四章 試體基本物性及力學試驗結果與討論 4-1 4.1 基本物理性質 4-1 4.2 基本力學性質及超音波試驗 4-1 4.2.1 單壓試驗結果 4-1 4.2.2 巴西試驗結果 4-2 4.2.3 超音波試驗結果 4-3 4.3 破壞包絡線之適用性評估 4-3 4.4 室溫狀態下純剪應力路徑試驗結果 4-4 4.4.1 體積應力階段之變形行為 4-5 4.4.2 剪應力階段之變形行為 4-6 4.5 岩石之彈塑性行為探討 4-8 4.5.1 各類型岩石體積應力階段之彈塑變形特徵 4-8 4.5.2 各類型岩石純剪應力階段之彈塑變形特徵 4-9 4.5.3 彈塑性變形特徵綜合比較 4-13 4.6 加溫狀態下純剪應力路徑試驗結果 4-14 4.6.1 岩石之熱傳導係數量測結果 4-15 4.6.2 加溫時間之決定 4-15 4.6.3 室溫與加溫狀態下力學特性比較 4-16 4.7 綜合討論 4-17 第五章 砂岩之組成模式 5-1 5.1 彈/塑組成模式 5-1 5.1.1 彈性模式 5-1 5.1.2 塑性模式 5-4 5.1.3 組成模式之參數求取 5-4 5.2 組成模式之預測及結果討論 5-6 5.2.1 組成模式之驗證 5-7 5.2.2 不同體積應力情況下之模擬結果 5-8 5.2.3 其它類型岩石之模擬結果 5-8 第六章 結論與建議 6-1 6.1 結論 6-1 6.1.1 岩石之力學特性方面 6-1 6.1.2 岩石之組成模式方面 6-5 6.2 建議 6-6 參考文獻 R-1en-US車籠埔斷層純剪應力路徑加溫實驗Chelungpu-faultpure shear stress path testtemperaturethesis