二元堆積理論下砂土行為及液化分析之組成律模式

Abstract

過去世界發生地震引致土壤液化災害，影響範圍遍布，顯示土壤液化對人口稠密地區為一大威脅，如1999年土耳其地震與同年於臺灣發生的921集集地震、2018年花蓮地震等。調查過去災後液化區，地表有厚層粉土質砂，也於礫質土壤中發現疑似液化現象，故瞭解不同粗細顆粒比之非塑性土壤材料力學行為，並建立可描述其行為的組成律，則可透過數值分析，對土壤液化後所造成之災害進行分析模擬，如噴砂、地表沉陷、建物及橋墩下沉與傾斜或維生管線受損、上浮等。 透過一系列力學試驗，給定不同應力路徑、排水與圍壓等條件，獲得材料基本特性，且試驗結果為率定土壤組成律參數而使用。為簡化參數率定過程，考慮不同圍壓、相對密度或孔隙比下行為模擬，本研究以二元堆積理論探討砂土之行為，並建立可分析土壤靜態與動態行為下之組成律模式。藉由引進二元堆積 (binary packing) 理論，將土壤視為兩種粗細顆粒混合組合之二元混合物，細顆粒為非塑性，且兩者顆粒粒徑比需在一定比例以上，在不同粗細顆粒配比下，探討試驗結果並提出合適數學模型，並且對材料參數作一歸納。另外，以廣義塑性模式為基礎，提出可模擬砂土於單調試驗與反覆循環應力試驗下力學行為之組成律模式，並提出參數最佳化方法，於本研究中採用基因演算法率定土壤參數。 除此之外，本廣義塑性組成律模型已寫成User-defined material subroutine (UMAT) 使用者開發模式，於有限元素分析軟體ABAQUS架構下使用，可模擬砂土受單調與反覆應力作用下力學行為之模擬分析。總結，本研究提出之廣義塑性組成律模式，可模擬砂土於靜態與動態作用下之力學行為，並有初步模型驗證結果與比較，以期於未來可作為模擬砂土受反覆循環應力作用下，土壤液化引致地表或建物沉陷量評估等大地工程問題分析探討使用。