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研究生: 姚俊煌
Chun-Huang Yao
論文名稱: 泥流型土石流之流變參數研究
The Study of Basic Rheological Parameters for the Mudflow
指導教授: 李咸亨
Hsien-Heng Lee
口試委員: 陳樹群
none
卿建業
none
杜昀
none
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 138
中文關鍵詞: 土石流移動球法初始流動剪應力液性限度
外文關鍵詞: Debris Flow, Moving Ball Test, Ultimate Critical Yield Stress, Liquid Limit
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  • 一般研究大多以賓漢流體模式描述泥流型土石流的流變行為特性,其流變參數包含賓漢降伏剪應力( )與黏滯度(η)。其中賓漢降伏剪應力代表的是土石流體開始等速流動的臨界剪應力。在考慮完整賓漢流體啟動機制時,等速流動前存在流動發展階段,此時已具有流動現象。因此考慮流體發展階段前的「初始流動剪應力( )」才能真正描述土石流的臨界流動狀態。
    針對不同黏土與砂含量比率的試體,本研究採用移動球法與SR-5流變儀試驗方法,進行不同含水量試體在小剪切率下的流變參數試驗,研究流體由靜止進入流動發展階段的初始流動剪應力( )。本文建立之含水量與初始流動剪應力迴歸公式,其迴歸相關係數(R2)皆達到0.99以上,故本研究所得之流變方程式對於流變參數的描述可靠度高。爾後只須要含水量與顆粒組成等基本物理性質,即可由流變方程式計算不同砂含量黏土試體之初始流動剪應力。
    含水量小於液性限度之固體狀態試體,本研究另以室內直剪試驗儀進行剪力強度試驗,建立固體範圍內之剪力強度與含水量關係式。本研究再經由液體與固體狀態之剪力強度與含水量方程式,計算兩狀態方程式之交點,並將其含水量定義為液性限度,且得到其對應之剪力強度。本研究中進行細顆粒試體所得之剪應力值範圍為1.68至1.85 kN/m2,與Youssef et. al. (1965); Federico (1983); Wroth and Wood (1978)等學者所建議之對應剪力強度值1.1至2.6kN/m2相當。因此本研究所得之液性限度有很高的正確性,可作為求得液性限度的一種方法。


    Bingham flow Model is usually adopted to present the rheological behavior of debris flow. Bingham yield stress ( ) and Bingham viscosity (η) are parameters of Bingham Flow Model. The debris-flow starts to flow constantly, when the applied critical stress larger than the Bingham yield stress. A “Flow Development Stage” exists in advance of the “Constant Flow Stage.” So, the “Ultimate Critical Yield Stress ( )” in the Flow Development Stage is recommended to interpret the start of a debris flow.
    The Moving Ball Test (MBT) and SR-5 Rheometer test were used in this research. Samples with different ratios of sand and clay were tested in small strain rate. The result shows good relationship between water content and with R2 larger than 0.99. It is then possible to calculate Ultimate Critical Yield Stress ( ) by only using fundamental physical soil parameters such as water content and fine particle content through the rheologic equations founded in this study.
    The Direct Shear Test (DST) was employed to examine the specimen with water content less than liquid limit in this research. Relationships between shear stress and water content are built. From the curves in solid phase and liquid phase, the intersection point was used to define the liquid limit other than the one from Attarburg test. The undrained shear strengths corresponding to liquid limits in this study are in a range between 1.68 and 1.85 kN/m2. Some previous researches from Youssef et. al. (1965); Federico (1983); Wroth and Wood (1978) show ranges from 1.1 to 2.6 kN/m2. Because the agreement in both results, we have confidence on the liquid limits obtained in this research and recommend our test procedures as a new approach to examine the liquid limit.

    論文摘要I ABSTRACTIII 誌謝IV 目錄V 表目錄IX 圖目錄X 第一章 緒論1 1.1 研究動機1 1.2 研究架構3 1.3 研究內容與流程4 第二章 文獻回顧與相關研究回顧5 2.1 土石流定義5 2.2 土石流發生條件與途徑7 2.3 土石流之分類8 2.4 土石流研究領域分類10 2.5 土石流之流變模式11 2.5.1 黏滯性12 2.5.2 非線性黏滯性與賓漢流體13 2.6 流變參數量測16 2.7 流變儀發展17 2.8 常見用於土石流的流變試驗18 2.9 液性限度22 第三章 試驗原理、設備、步驟25 3.1 移動球法25 3.1.1 以Navies-Stokes方程式分析賓漢流體之推導25 3.1.1.1 流體應力方程式26 3.1.1.2 Navier-Stokes 方程式之推導26 3.1.1.3 賓漢流體三維不可壓縮流之剪應力28 3.1.2 球體在賓漢流體流場中之總阻力28 3.1.3 球體在賓漢流體中拉升運動方程式30 3.1.4 球體在賓漢流體中的邊際效應31 3.1.5 移動球法試驗儀器與試驗步驟32 3.1.5.1 試驗儀器32 3.1.5.2 試驗材料33 3.1.5.3 試驗步驟33 3.1.6 賓漢流體參數計算34 3.1.7 移動球法試體注意事項35 3.2 SR-5流變儀試驗36 3.2.1 試驗步驟36 3.2.2 SR-5試驗注意事項37 3.3 室內剪力試驗38 3.3.1 試體壓密38 3.3.2 直剪試驗39 3.3.2.1 直剪試驗儀器39 3.3.2.2 試驗步驟39 3.4 土壤基本物理性質試驗40 3.4.1 液性限度試驗41 3.4.2 塑性限度試驗42 第四章 試驗結果與討論43 4.1 土壤基本物理性質試驗43 4.2 移動球邊際效應試驗(尺寸效應)43 4.3 移動球試驗結果44 4.4 流變儀SR-5試驗結果45 4.5 直接剪力試驗結果46 4.6 流變曲線與流變方程式46 4.7 液性限度49 第五章 結論與建議51 5.1 結論51 5.2 建議53 參考文獻54

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