以土壤水份特性曲線評估不飽和土壤邊坡穩定性｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	蔡孟棻 Meng-Fen Tsai
論文名稱：	以土壤水份特性曲線評估不飽和土壤邊坡穩定性 Evaluating Stability of Unsaturated Soil Slope Using Soil-Water Characteristic Curve
指導教授：	林宏達 Horn-Da Lin
口試委員:	禇炳麟 none 黃偉慶 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：	2005
畢業學年度：	93
語文別：	中文
論文頁數：	147
中文關鍵詞：	不飽和土壤，土壤水份特性曲線、林口紅土
外文關鍵詞：	Linkou Terrace Lateritic Soil
相關次數：	點閱：373 下載：12
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傳統土壤力學並未考慮不飽和土壤中基質吸力對剪力強度之影響。然而許多工程實務問題大都涉及不飽和土壤之領域。故本研究嘗試以較簡便之方法推估不飽和土壤強度參數。以林口紅土分別進行壓力鍋試驗、鹽溶液試驗及濾紙法試驗，並根據試驗結果迴歸分析建立完整之土壤水份特性曲線方程式。最後利用完整土壤水份特性曲線推估不飽和土壤之剪力強度做為數值分析之參數。
試驗結果顯示，以壓力鍋試驗與鹽溶液試驗所建立之完整土壤水份特性曲線，可求得林口紅土進氣值吸力(ua-uw)a=290kPa，殘餘吸力值(ua-uw)r=21000kPa，飽和體積含水比θs =0.54，殘餘體積含水比θr=0.0216。另外以土壤水份特性曲線所推估之不飽和土壤剪力強度參數，能合理反應現地不飽和土壤邊坡之破壞行為，相較於使用傳統三軸UUU之參數，建議採本研究之推估方式以期使不飽和邊坡穩定分析更加嚴謹。

Classical soil mechanics doesn’t consider the influence of the matric suction in unsaturated soils on shear strength. However, mechanics of unsaturated soils is involved in many geotechnical problems. The objective of this study is to estimate the shear strength of unsaturated soils by using a simplified method. Base on the pressure plate test, the salt solution test and the filter paper test on Linkou Terrace Lateritic Soil, the equation of complete soil-water characteristic curve is established from the regressive analysis. At last, the shear strength of unsaturated soil estimated from the soil-water characteristic curve is used in the numerical analysis.

The results indicate that a reasonable complete soil-water characteristic curve can be established from the pressure plate test and the salt solution test. Key parameters determined from the soil-water characteristic curve are Air Entry Suction (ua-uw)a=290kPa, Residual Matric Sucion (ua-uw)r=21000kPa, Saturated Volumetric Water content θs =0.54, Residual Volumetric Water content θr=0.0216. It is more reasonable to analyze the slide behavior of the unsaturated soil slope by using the shear strength estimated from soil-water characteristic curve. Compared to using the shear strength obtained from the traditional triaxial unsaturated unconfining undrained (UUU) shear strength test, it is more rigorous to apply the model proposed by this study while analyzing the stability of the unsaturated soil slope.

總目錄
中文摘要	                                                        Ⅰ
ABSTRACT	                                                        Ⅱ
誌謝	                                                        Ⅲ
總目錄	                                                        Ⅴ
表目錄	                                                        Ⅷ
圖目錄	                                                        Ⅸ
符號表	                                                      ⅩⅢ

第一章 緒論	                                                1
1.1研究動機與目的	                                                1
1.2研究內容與流程	                                                2

第二章 文獻回顧	                                                5
  2.1不飽和土壤  	                                                5
  2.2土壤吸力理論 	                                                7
     2.2.1土壤總吸力	                                       7
     2.2.2基質吸力	                                                9
  2.3土壤水份特性曲線	                                      10
  2.4不飽和土壤的剪力強度理論 	                             14
     2.4.1飽和土壤破壞理論	                                      14
     2.4.2廣義Mohr-Coulomb破壞準則                                14
  2.5不飽和邊坡降雨入滲之穩定性分析	                             18
     2.5.1降雨所造成入滲行為之說明	                             18
     2.5.2降雨入滲範圍之界定	                             17
     2.5.3坍方機制之室內模擬方式	                             19
     2.5.4不飽和土壤邊坡之穩定性分析                              19

第三章 試驗原理、儀器、方法及結果	                             31
  3.1基本物理試驗	                                               31
     3.1.1比重試驗、含水量試驗、粒徑分析試驗	                    31
     3.2.2阿太堡試驗	                                      31
  3.2壓力吸力板試驗(壓力鍋試驗)	                             32
     3.2.1軸平移	                                               32
     3.2.2試驗儀器	                                               32
     3.2.3試驗方法	                                               33
     3.2.4試驗結果	                                               34
  3.3鹽溶液試驗	                                               35
     3.3.1試驗理論	                                               35
     3.3.2試驗方法	                                               37
     3.3.3試驗結果	                                               38
  3.4濾紙法試驗	                                          39
     3.4.1試驗理論	                                               39
     3.4.2濾紙之率定	                                      39
     3.4.3試驗方法	                                               40
    3.4.4試驗結果	                                               41
  3.5完整水份特性曲線　　　　　　　　　　                        43　
第四章 不飽和土壤邊坡穩定分析	                             63
  4.1 林口台地概述	                                               63
     4.1.1林口台地之地理位置與地質	                             63
     4.1.2林口山坡地概況	                                      65
  4.2 不飽和土壤邊坡穩定性分析	                             65
     4.2.1邊坡穩定分析之模型建立	                             65
     4.2.2 不飽和邊坡穩定分析之邊界條件設定	                    67
  4.3不飽和邊坡分析參數之求取	                             69
     4.3.1利用水份特性曲線推估土壤剪力強度理論                    69
     4.3.2總凝聚力分析參數之求取	                             70
     4.3.3不飽和邊坡穩定分析參數設定	                             71
  4.4分析結果	                                               72

第五章 結論與建議	                                               95
  5.1 結論	                                               95
  5.2 建議	                                               98

參考文獻	                                                        99

附錄A	                                                       106
表 目 錄
表3-1 基本物理性試驗數據	　　　　　　　　　　　　　　　　　　　45
表3-2 阿太堡試驗數據	　　　　　　　　　　　　　　　　　　　45
表3-3 Soilmoisture公司所製造之高進吸力陶瓷板質本性質	　　　　　 46
表3-4 壓力鍋試驗數據	                                      46
表3-5 飽和水之蒸氣壓與溫度之關係	                             47
表3-6 鹽溶液試驗數據(1)	                                      47
表3-7 鹽溶液試驗數據(2)	                                      47
表3-8 濾紙法試驗數據	                                      48
表4-1 林口紅土礫石坡分佈概況	                             75
表4-2 林口地區邊坡破壞深度統計資料	                             75
表4-3 林口地區邊坡破壞統計資料	                             75
表4-4 原狀紅土三軸試驗剪力強度參數	                             76
表4-5 分析使用參數	                                               76
表4-6 方法一採用之總凝聚力參數計算表	                             77
表4-7 方法二採用之總凝聚力參數計算表	                             77
表4-8 傳統分析模式各種狀況之安全係數	                             78
表4-9 總凝聚力方法一各種狀況之安全係數	                    79
表4-10 總凝聚力方法二各種狀況之安全係數	                    80
圖 目 錄
圖1-1 研究流程圖	                                                4
圖2-1 不飽和土壤組成示意圖	                                      22
圖2-2 土壤中空氣存在的四種狀態(a)空氣連續階段(b)空氣部份連續階段(c)空氣內部連續階段(d)空氣完全封閉階段	                                      22
圖2-3 土壤中可能存在飽和狀態(a)鐘擺狀飽和(b)絲狀飽和(c)島狀氣體飽和	23
圖2-4 壓密Regina黏土的總吸力、基質吸力和滲透吸力量測值	           23
圖2-5 氣水介面之表面張力	                                      24
圖2-6 毛細現象與模型	                                      24
圖2-7 典型的土壤水份特性曲線	                             25
圖2-8 典型水份特性曲線不飽和階段示意圖	                    25
圖2-9 各種土壤其水份特性曲線比較	                             26
圖2-10 四種加拿大典型水份特性曲線	                             26
圖2-11 不飽和土壤應力狀態圖	                                      27
圖2-12 不飽和土壤廣義莫耳庫倫破壞包絡面　　　　　　　　　　　　　 27           圖2-13 破壞包絡面在 與 平面上之水平投影	                    28
圖2-14 多段式不飽和三軸試驗 之求解	                             28
圖2-15 下雨時之入滲行為	                                      29
圖2-16 現地應力路徑與室內實驗應力路徑比較	                    29
圖2-17 切片法內力作用圖	                                      30
圖3-1 粒徑分佈曲線	                                               49
圖3-2 林口紅土之物理性質實驗圖	                             50
圖3-3 塑性圖	                                               51
圖3-4 壓力鍋儀器配置圖	                                      51
圖3-5 壓力鍋內部細詳配置圖	                                      52
圖3-6 Kelvin 毛細作用模型描述陶瓷板之原理	                    52
圖3-7 土壤水份特性曲線	                                      53
圖3-8 土壤水份特性曲	                                      53
圖3-9 土壤水份特性曲線(林口紅土)	                             54
圖3-10 土壤水份特性曲線(林口紅土)	                             54
圖3-11 正規化土壤水份特性曲線	                             55
圖3-12 密閉容器中溶液之蒸氣壓與水之蒸氣壓的關係	           55
圖3-13 鹽溶液試驗儀器配置圖	                                      56
圖3-14 鹽溶液試驗結果	                                      56
圖3-15 鹽溶液試驗結果	                                      57
圖3-16 濾紙率定方法示意圖	                                      57
圖3-17 濾紙率定之結果	                                      58
圖3-18 本研究濾紙率定曲線與ASTM及Chandler et al結果比較	  58
圖3-19 濾紙法試驗示意圖	                                      59
圖3-20 濾紙法之土壤水份特性曲線	                             59
圖3-21 壓力鍋與濾紙法之土壤水份特性曲線比較	                    60
圖3-22 實驗值與迴歸之完整土壤水份特性曲線	                    60
圖3-23 完整林口紅土水份特性曲線	                             61
圖3-24 林口紅土完整水特性曲線與Vanapalli實驗之加拿大四種典型土壤比較	61
圖3-25 林口紅土完整土壤水份特性曲線與Fredlund所做土壤比較	  62
圖4-1 林口台地所在地理位置	                                       81
圖4-2 傳統穩定性分析之平時狀態假設模型	                     81
圖4-3 傳統穩定性分析之暴雨狀態假設模型	                     82
圖4-4 總凝聚力分析之平時狀態假設模型	                              82
圖4-5 總凝聚力分析之暴雨狀態假設模型	                              83
圖4-6 林口地區降雨資料	                                       83
圖4-7 回歸參數k與土壤塑性指數(PI)之關係	                     84
圖4-8 不飽和土壤邊坡分析及其參數設定	                              85
圖4-9 傳統模式坡度30°各種狀態之安全係數	                     86
圖4-10 傳統模式坡度50°各種狀態之安全係數	                     86
圖4-11 傳統模式坡度70°各種狀態之安全係數	                     87
圖4-12 傳統模式坡高10M各種狀態之安全係數	                     87
圖4-13 傳統模式坡高15M各種狀態之安全係數	                     88
圖4-14 傳統模式坡高20M 各種狀態之安全係數	                     88
圖4-15 總凝聚力方法一坡度30°各種狀態之安全係數	            89
圖4-16 總凝聚力方法一坡度50°各種狀態之安全係數	            89
圖4-17 總凝聚力方法一坡度70°各種狀態之安全係數	            90
圖4-18 總凝聚力方法一坡高10M各種狀態之安全係數	            90
圖4-19 總凝聚力方法一坡高15M各種狀態之安全係數	            91
圖4-20 總凝聚力方法一坡高20M各種狀態之安全係數	            91
圖4-21 總凝聚力方法二坡度30°各種狀態之安全係數	            92
圖4-22 總凝聚力方法二坡度50°各種狀態之安全係數	            92
圖4-23 總凝聚力方法二坡度70°各種狀態之安全係數	            93
圖4-24 總凝聚力方法二坡高10M各種狀態之安全係數	            93
圖4-25 總凝聚力方法二坡高15M各種狀態之安全係數	            94
圖4-26 總凝聚力方法二坡高20M各種狀態之安全係數	            94

                                

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