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標題: Seepage and Stability Analyses of Unsaturated Natural Slope subjected to Rainfall and Earthquake
未飽和自然邊坡於降雨及地震情況下之滲流與穩定分析
作者: 莊欣蓉
Shih-Rung Juang
關鍵字: 未飽和自然邊坡
降雨滲流穩定性
地震分析
孔隙水壓
飽和度
unsaturated natural slope
rainfall-stability analyses
seismic analyses
pore water pressure
degree of saturation
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摘要: 本研究採用有限元素法,並以廬山地滑區A-A'剖面之崩積層作為主要研究對象,以自然邊坡未飽和崩積層之降雨入滲穩定性及地震動態行為,進行數值模擬分析。首先,執行自然邊坡未飽和崩積層之降雨入滲穩定性分析,蒐集2005~2007年間廬山地滑區邊坡之地質鑽探調查報告、颱風降雨及地下水水位監測資料,並採用2005年馬莎颱風降雨期間前、後共42天之降雨條件與型態,進行穩態/暫態滲流行為分析。隨之,將地下水水位之數值模擬成果與現地監測結果進行分析比對,具有相當之吻合性,並證明數值程序之有效性。以驗證結果決定一組降雨滲流分析中土壤水力參數最適輸入值,包括崩積層之未飽和水力傳導函數係數kr(ψ)~(ψ)及飽和水力傳導係數kx、ky。 另外,採用中央氣象局(Central Weather Bureau)日月潭氣象觀測站之51年(1961~2011)降雨資料,建置不同重現期距之48小時設計雨型。其中,以50年重現期降雨歷時曲線,分別進行降雨滲流數值程序中典型(Classical)和進階(Advanced)模式之計算,並以孔隙水壓、飽和度分布、穩定性安全係數FS和潛在滑動面區等分析結果,比較兩種模式於滲流計算方法之差異性。由結果可知:典型模式中,僅以飽和水力傳導係數kx、ky計算土壤中水分隨時間流動之速度及方向性,因此,將土壤含水狀態簡化為乾燥無水和完全飽和,反之,進階模式中,加入未飽和水力傳導函數係數kr(ψ)~(ψ),描述土壤於未飽和情況下,水分隨時間流動之速度及方向性,因此,可考慮土壤由未飽和逐漸轉變為飽和狀態時之情形。 在不同重現期距(5、25及50年)之設計雨型方面,當設計降雨強度越大,邊坡所形成之暫態飽和區塊越多,當土體材料吸收雨水後,土體自重增加,造成土體產生下滑力,進而導致安全係數值FS值下降程度越高。 在未飽和水力傳導係數函數kr(ψ)~(ψ)之基質吸力ψ值之範圍方面,當基質吸力範圍增加,其土壤產生入滲之現象不明顯,導致孔隙水壓變動不大,因此,高基質吸力範圍之土壤,其穩定性安全係數FS會高於未調整基質吸力範圍。 在飽和水力傳導係數之異向比方面,主要將未飽和土壤內之水分流動假設為具有均向性或異向性,對邊坡穩定性之影響。在同樣降雨條件下,可知異向性高(kx =100 ky)之土壤,因為水平滲流速度方向遠大於垂直方向,安全係數FS下降時間也會受到影響,下降時間較均向性土壤慢。 再者,依據中央氣象局921地震紀錄資料,分別選用代表地震震度I = 5、6及7級之三種地表加速度歷時曲線,其編號分別為E5、E6及E7,進行自然邊坡之地震動態分析。以土體所產生之加速度歷時曲線、水平位移歷時曲線及邊坡變形型態等分析結果,評估不同地震震度所造成之邊坡動態反應,其中,分別於邊坡坡頂、中間坡段及坡趾設置監測點,隨著地震震度增加,水平位移量變動之最大值也會增加,且坡頂之水平位移量受到場址效應之影響皆大於坡趾。 另外,於地震震度I = 6模式作用下,針對土壤之材料雷利阻尼αR、βR及不同土壤應力-應變模式(HSsmall)等因子進行參數研究。結果顯示,在材料雷利阻尼αR、βR方面,設定不同之阻尼比(damping ratio)為0.02與0.05,並以無雷利阻尼之邊坡作為對照組,發現當阻尼比提高,水平位移有逐漸下降趨勢,此現象在含砂量較疏鬆之地層中更為明顯;不同土壤應力-應變模式(HSsmall)方面,HSsmall之整體水平位移量模擬值變化範圍較M-C mode小,且HSsmall之最大水平位移發生區位僅出現於坡頂,而M-C mode中,最大水平位移發生區位會隨著地震歷時由坡頂轉移至中間下方邊坡。
In this study, a series of rainfall-stability and seismic analyses were performed to simulate the rainfall seepage behavior and dynamic response of the unsaturated natural slope, the A-A profile of Lu-Shan Landslide using two-dimensional finite element method. The rainfall seepage behavior of the unsaturated natural slope (A-A' profile) was simulated using steady/transient numerical procedure (Flow Mode) based on the rainfall hyetograph of Matsa typhoon in 2005, field investigation data, monitoring data, and soil/rock mechanical testing data. The reliability and validity of the proposed numerical model was verified by comparing the numerical results of groundwater variation and displacement rate of the unsaturated natural slope (A-A' profile) of Lu-Shan Landslide with those from measurements. In addition, a set of optimum numerical parameters of colluvium which including unsaturated hydraulic conductivity function kr(ψ)~(ψ) and saturated hydraulic conductivity kx、ky. for seepage analyses were determined by the verification results. Moreover, to compare the differences of two rainfall-stability numerical procedures, Classical and Advanced Modes, a series of 2-D finite element rainfall seepage and slope stability analyses were carried out using 48 hrs design rainfalls corresponding to 50 years return periods were prepared using the 51 years rainfall data of Sun Moon Lake Weather Station, Central Weather Bureau. According to the results of rainfall-stability analyses in two modes, the water content in slope soil was simplified into completely dry or saturated by using saturated hydraulic conductivity kx、ky in Classical Mode, on the contrary, the Advanced Mode could simulate the development of the water content in slope soil by using unsaturated hydraulic conductivity function kr(ψ)~(ψ). Concerning the different rainfall return periods 5, 25 and 50 years, the factor safety Fs of the unsaturated natural slope (A-A' profile) shows an obvious decrease with the increasing return period. As a results, this implies the infiltrated rainwater of high intensity and long duration rainfall such as return period of 50 years might indicate the instability of unsaturated natural slope. Concerning the value of matric suction ψ in unsaturated hydraulic conductivity function kr(ψ)~(ψ), the numerical results indicate the factor safety Fs shows a negligible increase in the conditions of higher value of matric suction ψ. On the other hand, the behavior of rainwater infiltrating seems not to be significant determined from return periods 50 years. Concerning the saturated hydraulic conductivity anisotropy ratio (kx / ky), the rainfall seepage assumed to be isotropy (kx / ky = 1) or anisotropy (kx / ky ? 1). As a results, the factor safety Fs of saturated hydraulic conductivity which is anisotropic decrease later than isotropic assumption. This can be due to the fact that the horizontal seepage rates far more than vertical in the unsaturated natural slope. Three modes of earthquake acceleration time history curves entitled E5、E6 and E7 were selected from the data bank of 921 Quake of Central Weather Bureau and used as earthquake loading inputs for the seismic analyses of the unsaturated natural slope (A-A' profile). The E5、E6 and E7 are real time acceleration time history curve and can be used to represent the earthquake intensities I values equivalent to levels 5, 6 and 7 in Taiwan. Eventually, in cooperating with the numerical results of seismic analyses, this implies the maximum of horizontal displacement shows visible increase with the increasing earthquake intensities. On the other hand, due to the influence of the site effects, the horizontal displacements on the top of the unsaturated natural slope (A-A' profile) were higher than the toe determined from different earthquake intensities of 5,6 and 7. According to the parametric studies on the unsaturated natural slope (A-A' profile) of Lu-Shan Landslide with earthquake intensity of 6, considered the Rayleigh damping αR、βR of colluvium and the analyses of Hardening Soil Model with Small-Strain (HSS-Model). Concerning the Rayleigh damping αR、βR of colluvium, the horizontal displacements decrease when damping ratio increases into 0.02 and 0.05, especially in sandy, loose soil. For the analyses of Hardening Soil Model with Small-Strain Model (HSS-Model), the location of the maximum of horizontal displacement only appeared on the top of the slope. However, in the analyses of Mohr-Coulomb Model (MC-Model), the location of the maximum of horizontal displacement appeared on the top and turned into the toe with earthquake acceleration time. Keywords: unsaturated natural slope, rainfall-stability analyses, seismic analyses, pore water pressure, degree of saturation
URI: http://hdl.handle.net/11455/89434
其他識別: U0005-2811201416192467
文章公開時間: 10000-01-01
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