以分离元素法探讨砂岩弹塑性变形特性之研究-高雄大学.PDF

Taiwan Rock Engineering Symposium 2010 (TRES 2010) October, 21-22, 2010 KUAS, Kaohsiung, Taiwan 以分離元素法探討砂岩彈塑性變形特性之研究 1 1 2 鄭承昌 翁孟嘉 李宏輝 1 國立高雄大學 土木與環境工程學系 2 國防大學軍事工程學系 摘要 本研究以分離元素法中之鍵結顆粒模型進行砂岩微觀力學 機制研究。首先，模擬不同孔 隙率與顆粒面積比情況下之砂岩單壓強度的變化， 並與經驗公式進行驗證。之後，進行三軸 試驗 探討砂岩之彈塑性變形特性，結果顯示 ：(1)高顆粒面積比 與高 孔隙率導致凝聚力降低； (2)彈性模數隨著孔隙率的減少與顆粒面積比的增加而增加 ；(3)根據塑性流變化，可觀察到一 系列的帽狀塑性勢能面。 關鍵字： 鍵結顆粒模型 ，彈塑性變形，砂岩。 一、導論 針對砂岩微觀力學機制而言，以往已有許多學者致力於相關之研究[1-3] 。就岩石組構與 岩石強度之關係而言，可分為 4 方面進行探討：(1)岩石材料之礦物組成、(2)基質種類及含量、 (3顆粒之粒徑、) (4礦物顆粒間之堆疊結構。前二者考慮其組成，後二者則考慮顆粒幾何因子。) Weng et al. [2] 以台灣麓山帶第三、四紀地層之砂岩為主要對象，含括8 地層 15種不同岩性 之砂岩，年代涵蓋範圍由漸新世至上新世，所屬地層由老至新依序包括五指山層、木山層、 大寮層、石底層、南港層、東坑層、上福基砂岩及卓蘭層。透過微組構統計及多變量階段迴 歸 分析，逐一釐清岩石單壓強度(UCS)之物性及微組構因子，發現二個參數為關鍵參數， 分別 為孔隙率n 與顆粒面積比(Grain area Ratio; GAR)[4] 。單壓強度可以用孔隙率n 與GAR 表示， 如式1及圖 1 UCS (133.7=⋅e−0.107n )(3.2−0.026GAR) (MPa) (1) 此外，發現變形性 (楊氏模數 E)與孔隙率n 與GAR關係，可表示如下： E (36.3=⋅e−0.106n )(0.017 +0.354GAR) (MPa ) (2) 上述二式，砂岩 之孔隙率介於5%到25%之間，且 GAR 介於20%到75%之間。 Taiwan Rock Engineering Symposium 2010 (TRES 2010) October, 21-22, 2010 KUAS, Kaohsiung, Taiwan 圖 1微觀力學參數對 UCS的影響 雖然 上述二式顯示岩象因子 與其砂岩力學之關係 ，但對於微組構顆粒和基質( )性質之力 學影響機制 ，不論在實驗室之實驗或岩象 分析皆很難進行系統性研究。有鑑於此 ，採用數值 模式提供 了對於顆粒與鍵結定量 分析之方法。其中，鍵結顆粒模型(Bonded