一、關鍵挑戰Challenge

1. 大型土石結構物中以土石壩最具代表性，其動態安定分析自1971年Lower San Fernando壩受震液化失敗案例發生後，即開始有學者陸續發展模擬土石結構物受震變形的數值方法。

2. 土石結構物受震反應之模擬問題十分複雜，包括了震前應力分析、滲流分析、動態分析以及震後行為分析等項目，其中尤以須考慮土石結構物受反覆荷載下反應之動態分析最為困難，其關鍵在於動態分析所採用組合律模式之限制。
3. 傳統之分析多於頻率域下以等值線彈性法進行動態反應模擬，但研究顯示，在時間域下考慮動態水壓激發之有效應力分析模式較能切實地模擬土壤材料在反覆荷載下之行為。
4. 在對目前較先進的幾種有效應力動態分析模式進行研究比較後，由於限界降伏面模式(Bounding Surface Hypo-plasticity Model，BSHM)同時具有完全耦合、描述軸剪向應力與軸剪向應變之交互關係、考慮應力歷史影響以及參數相對較少之特色，因此選用此模式作為組合律模型，並配合在地工數值分析應用廣泛之顯性時間域有限差分數值分析程式FLAC/FLAC3D，以UDM開發BSHM分析模組，以利工程案例中之應用。

二、流程Process

1. 本技術之分析步驟，大致可分為數值參數蒐集及驗證、震前應力分析、動態反應分析以及震後行為分析四個步驟。
2. 數值參數蒐集及驗證部分之主要工作包括依據土壤材料之靜態力學試驗、三軸動態強度試驗、動態特性試驗以及滲透試驗等，以線性擬合分析程式求取數值模型所需之各種參數，作為分析之依據。
3. 震前應力分析包括滲流分析及應力分析兩大部分，其目的在於求取土石結構物在受震前之有效應力分布狀況。
4. 受震行為分析則模擬土石結構物在設計地震過程中應力重新分布，孔隙水壓逐步上升，受震應變漸增，甚至液化後變形之行為，為有效應力動態分析之核心。
5. 震後行為分析則針對土石結構物功能，依據受震行為分析之結果，逐步檢討其安全性，例如大壩之變形程度、溢頂、出水高度、邊坡滑移、裂隙位置與影響等功能性之分析。

三、成果Result

本技術所開發之數值分析模組已成功地模擬土石結構物受反覆荷載下在應力路徑、遲滯圈之變化以及超額孔隙水壓激發等行為，可依土壤動態強度試驗及動態特性試驗之結果，求取數值模型之參數，其成果包括(1)動態行為之模擬(圖2)、(2)液化後行為模擬(圖3)、(3)勁度折減曲線及阻尼比之變化(圖4)等等，可應用於土石壩受震分析、液化變形量分析以及二維或三維地盤受震反應極受震變形之分析上。  

 

圖1 動態反應之模擬

圖2 液化後行為模擬

圖3 勁度折減及阻尼比變化

四、與其他核心技術關連性

1. 地震危害度分析
2. 三維數值模擬分析
3. 蓄水庫安全監測評析

五、重要發表文獻

1. 王天佑、馮正一、冀樹勇、陳錦清，”限界降伏面模式於FLAC有效應力分析模組之開發"，海峽兩岸地工技術/岩土工程交流研討會論文集，台北，2004/11/09~2004/11/11。
2. 王天佑、蔡明欣、林金成、冀樹勇、陳錦清，”土石結構有效應力分析程式發展”，中興工程40周年慶紀念專刊，2010/4。

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