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

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

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

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  1. Hindawi Publishing Corporation The ScientificWorld Journal Volume 2013, Article ID 603130, 10 pages Numerical Simulation of Failure Behavior of Granular DebrisFlows Based on Flume Model Tests Jian Zhou, Ye-xun Li, Min-cai Jiaand Cui-na Li 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

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

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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。

  7. 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(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(a)含水量上升砂體表層無變化。 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。

  8. 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

  9. 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 deformationmeasurement , DPDM)進行位移觀測。觀測區塊如圖6。

  10. 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(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(b)最大位移發生在9cm深處，但表面位移持續為0cm。 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(d)滑動塊體後方生成新潛在滑動面，重複破壞迴圈。

  11. 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% (mediumsand)、10%(C-10)、 20% (C-20)、 30% (C-30)、 40% (C-40)、50%(C-50)、100% (fine sand)

  12. 3. 試驗方法─試驗結果分析 3.2 結果分析─破壞模式 當細砂含量>40%時，大塊體砂土滑動如黏滯流 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。 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。 當細砂含量介於20~30%時，坡頂產生裂隙並往坡趾滑動。

  13. 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。

  14. 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。

  15. 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。

  16. 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。

  17. 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。

  18. 簡報結束 謝謝聆聽

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