由斷層角礫岩的結構係數推估其單軸抗壓強度與彈性模數

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1 由斷層角礫岩的結構係數推估其單軸抗壓強度與彈性模數
Predicting the uniaxial compressive strength and elastic modulus of a fault breccia from texture coefficient M. Alber Institute for Geology, Mineralogy and Geophysics, Ruhr-University,Bochum, Germany S. Kahraman Mining Engineering Department, Nigde University, Nigde, Turkey 水土保持所 曾慶九 授課教授：張光宗老師

2 1. Introduction 2. Geology and sampling 3. Determination of texture coefficient 4. Laboratory studies 5. Results and discussion 6. Conclusions

3 1. Introduction 斷層岩有很弱的工程性質， 在分類上屬於脆弱、柔軟的岩石。
軟弱的岩石通常會造成問題， 不僅僅是指對構造物的影響， 在邊坡穩定或是地下工程上也很容易發生問題。 因此，了解斷層岩的機械與彈性性質是很重要的。

4 斷層碎裂岩 斷塊岩 某斷層角礫岩 斷層泥 斷層角礫岩 糜棱岩 斷層岩可分為六類：
1. Introduction 斷層岩分類 斷層岩可分為六類： 本研究針對斷層角礫岩 fault breccia作為研究對象。 有許多學者研究過 結構係數TC 與抗壓強度CS的關係， 但他們選擇的對象為 混雜岩 melange、 剪切蛇紋岩 sheared serpentines、 粗碎屑岩 coarse pyroclastic rock、 斷層岩 fault rock， 故選擇不一樣的岩石種類作為研究對象。 斷層碎裂岩 fault cataclastic rocks 斷塊岩 fault block rocks unindrated fault breccias 某斷層角礫岩 斷層泥 fault gouge 斷層角礫岩 fault breccias 糜棱岩 mylonites

5 斷層碎裂岩 斷塊岩 某斷層角礫岩 斷層泥 斷層角礫岩 糜棱岩 斷層岩可分為六類：
1. Introduction 斷層岩分類 斷層岩可分為六類： 斷層碎裂岩 fault cataclastic rocks 沉積碎屑岩的一種。由大於2mm的棱角狀的礫石膠結而成。 組成角礫岩的碎屑物質，一般是在原地堆積或只搬運很短的距離，因此磨圓度極低，分選很差，形狀各異，棱角分明。 研究角礫岩可幫助恢復古地理環境，推斷構造變動，有些礦產與角礫岩有關。 斷塊岩 fault block rocks unindrated fault breccias 某斷層角礫岩 斷層泥 fault gouge 斷層角礫岩 fault breccias 糜棱岩 mylonites

6 斷層碎裂岩 斷塊岩 某斷層角礫岩 斷層泥 斷層角礫岩 糜棱岩 斷層岩可分為六類： 1. Introduction
斷層岩分類 斷層岩可分為六類： 斷層碎裂岩 fault cataclastic rocks 斷塊岩 fault block rocks unindrated fault breccias 某斷層角礫岩 斷層泥 fault gouge 斷層角礫岩 fault breccias 斷層泥的主要成分是粘土礦物，其次為原岩的碎粉和碎礫，是斷層剪切滑動、碎裂、碾磨和粘土礦化作用的產物。斷層泥是斷層帶中的軟弱夾層，如同斷層活動的潤滑劑，在活斷層中常見。 糜棱岩 mylonites 汶川地震 地下585m 20m厚

7 斷層碎裂岩 斷塊岩 某斷層角礫岩 斷層泥 斷層角礫岩 糜棱岩 火山角礫岩 斷層岩可分為六類： 1. Introduction
斷層岩分類 斷層岩可分為六類： 斷層碎裂岩 fault cataclastic rocks 斷塊岩 fault block rocks unindrated fault breccias 某斷層角礫岩 斷層泥 fault gouge 斷層角礫岩 fault breccias 新鮮顏色：白色、黃色、灰色 風化顏色：黃褐色 主要礦物：石英、長石、黏土。說 明：火山噴發的直接產物堆積而成或火山碎屑經過再沈積以後的堆積 糜棱岩 mylonites 火山角礫岩

8 VBP = Volumetric Block Proportion
1. Introduction Kahraman and Alber（2006） VBP = Volumetric Block Proportion UCS = Uniaxial Compressive Strength 單軸抗壓強度 E = Elastic modulus 彈性模數 角礫岩的UCS和VBP之間有很高的關連性。 Howarth and Rowlands (1987) TC = Texture Coefficient 結構係數 角礫岩的UCS和E可由TC推估

9 研究目的 利用直接的方法測定岩石性質需要： 大量的模型 規律的樣本 脆弱的岩石難取得完整的樣本 耗費時間
1. Introduction 研究目的 研究目的 利用直接的方法測定岩石性質需要： 大量的模型 規律的樣本 脆弱的岩石難取得完整的樣本 耗費時間 所以利用間接的方法來估測岩石的抗壓強度是必須的。

10 2. Geology and sampling 本研究之取用樣本斷層角礫岩，是由活躍斷層的頁岩塊石 和填充其間隙的基質和細顆粒材料所組成。
當地並沒有可採取角礫岩的良好露頭 (outcrop)， 故以鑽探而得的樣本作為試驗材料。

11 岩心 鑽探的岩心(core) 直徑101.3 mm 礫岩中的頁岩塊 直徑 <1 至117 mm
2. Geology and sampling Sampling 岩心 鑽探的岩心(core) 直徑101.3 mm 礫岩中的頁岩塊 直徑 <1 至117 mm Fig. 1. Tested samples

12 2. Geology and sampling Geology 材料特性 地點 Ahauser dam near Attndorn in Northrhine-Wwstfalia, Germany 地質年代 Devonian (Givet) 顏色 紅、灰、棕色的頁岩

13 3. Determination of texture coefficient
本研究利用DMT (Deutsche Montan Technologie GmbH 德國蒙坦技術) CoreScanR II-Digital Core Imaging System 掃描岩心表面， 再利用軟體SigmaScan Pro 5進行分析。 因為風化的關係，礫岩的基質和石塊呈現不同的顏色(紅棕色)， 故可以利用軟體辨別、分析其各項參數。

14 TC = Texture Coefficient AW = grain packing weighting
3. Determination of texture coefficient 計算公式 TC = Texture Coefficient AW = grain packing weighting N0 = the number of grains whose aspect ratio is below a pre-set discrimination level N1 = the number of grains whose aspect ratio is above a pre-set discrimination level AR1 = the arithmetic mean of discriminated aspect ratio AF1 = the angle factor, quantifying grain orientation. FF0 = the arithmetic mean of discriminated form-factors

15 3. Determination of texture coefficient
樣本各項參數

16 3. Determination of texture coefficient
樣本各項參數 符合標準試驗直徑的 TC範圍 0.572±0.056之間

17 3. Determination of texture coefficient
樣本各項參數

18 4. Laboratory studies Elastic modulus tests on the fault breccia
Physico-mechanical tests on the components of fault breccia 1 Compressive strength tests on the fault breccia 2 Elastic modulus tests on the fault breccia 3

19 4.1 斷層角礫岩的物理力學試驗 Kahraman and Alber 2006 斷層角礫岩的UCS介於32.6和89.3MPa之間
4. Laboratory studies Physico-mechanical tests 4.1 斷層角礫岩的物理力學試驗 Physico-mechanical tests on the components of fault breccia Kahraman and Alber 2006 斷層角礫岩的UCS介於32.6和89.3MPa之間 但基質的平均UCS為70.1MPa， 比block的UCS還要高，除了棕色的頁岩block以外。 因此需要去比較混和基質和block的UCS， 是不是比單純只有基質的UCS要高。

20 4.2 斷層角礫岩的抗壓強度試驗 樣本中只有2個符合直徑101.3mm。 ISRM建議core直徑起碼要有最大的block的10倍粒徑以上。
4. Laboratory studies Compressive strength tests 4.2 斷層角礫岩的抗壓強度試驗 Compressive strength tests on the fault breccia 單軸抗壓強度試驗利用 electro-hydraulic servo-controlled stiff testing machine (MTS)進行 樣本中只有2個符合直徑101.3mm。 ISRM建議core直徑起碼要有最大的block的10倍粒徑以上。 但本研究所探討的複合型礫岩難以符合這樣子的要求， 便改以高與直徑的比值為2.0以上為設計條件。 ISRM (1974)時的規定為2 ISRM (1981)時的規定為2.5到3.0 本試驗所採用的core大部分在2.0到2.5之間

21 高與直徑的比值小於2者以下列公式做修正： d = 岩心的直徑 h = 岩心的高 UCS = 標準單軸抗壓強度 (MPa)
4. Laboratory studies Compressive strength tests 高與直徑的比值小於2者以下列公式做修正： UCS = 標準單軸抗壓強度 (MPa) UCS1 = 試驗得到的單軸抗壓強度 (MPa) d = 岩心的直徑 h = 岩心的高

22 block堅硬的樣本的破壞面會通過block
4. Laboratory studies Compressive strength tests block堅硬的樣本的破壞面會通過block 通常破壞面通過block的樣本擁有高的TC、VBP值， 以及較大的block直徑。 破壞面通過基質的樣本則有較低的TC、VBP值 Block軟弱

23 各樣本的UCS範圍很廣， 介於9.8~86.6MPa之間。

24 4.3 斷層角礫岩的彈性模數試驗 Elastic modulus tests on the fault breccia
4. Laboratory studies Elastic modulus tests 4.3 斷層角礫岩的彈性模數試驗 Elastic modulus tests on the fault breccia 利用LVDTs繪出應力-應變曲線 彈性模數的範圍介於3.0~16.8GPa之間 由表中可知彈性模數在直徑較小的樣本中差異較不敏感 It should be noted that the sensitivity of E measurement is less in small samples. 與前述的UCS 介於9.8~86.6MPa之間比起來

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27 5. Results and discussion
UCS和core diameter的關係 1 UCS和TC的關係 2 TC和VBP的關係 3 E和TC的關係 4

28 UCS和core diameter的關係 本研究使用的樣本並非標準試驗所要求的尺寸 由試驗指出，直徑較小的樣本UCS較高；
5. Results and discussion UCS和core diameter的關係 UCS和core diameter的關係 本研究使用的樣本並非標準試驗所要求的尺寸 由試驗指出，直徑較小的樣本UCS較高； 而且同樣直徑的樣本所得到UCS值範圍很大。 30.1mm時 9.8~47.2 MPa

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30 可能是因為小直徑時角礫岩的組成成分可以完全分開； （matric和block的部份）
5. Results and discussion UCS和core diameter的關係 可能是因為小直徑時角礫岩的組成成分可以完全分開； （matric和block的部份） block較少，基質所佔的比例高，抵抗應力的能力也就較高。 （VBP較低） [圖] 岩心直徑與 抗壓強度的關係圖

31 5. Results and discussion
UCS和TC的關係 UCS和TC的關係 TC低 UCS高 TC與VBP呈不顯著的正比

32 5. Results and discussion
UCS和TC的關係 只看TC介於0.3至0.6時，得到下圖：

33 試驗結果與本研究相反，是因為不同的基質成份所造成的差異； 在低強度的岩石組成中，基質是影響強度的主要因素。
5. Results and discussion UCS和TC的關係 Burgi 2001 試驗結果與本研究相反，是因為不同的基質成份所造成的差異； 在低強度的岩石組成中，基質是影響強度的主要因素。

34 5. Results and discussion
UCS和VBP的關係 相近的VBP卻有範圍很大的UCS

35 5. Results and discussion
E和TC的關係

36 5. Results and discussion
E和TC的關係 E = 0.25 ~ 0.55

37 6. Conclusions TC和UCS有顯著的關連性， TC和E的關連性則較不顯著， 但在TC = 0.25~0.55之間則較顯著。
1 後續研究可採用不同的fault breccia； 關於TC與E的關係則需要更進一步的探討。 2 VBP和UCS有顯著的關係， 但VBP相近的材料的UCS值卻差異很大， 可能仍有其他因素影響材料的強度。 3

38 -- 報告結束 --