一、前言
台灣位處環太平洋地震帶上,大地震之重複發生無可避免。目前地震之預測技術並未成熟,欲減少地震災害,最有效的方式為汲取歷次地震教訓,針對災害之破壞模式,對既有之土木結構及地盤進行評估與補強;對新建土木結構及地基之設計與施工予以規範,以避免重蹈覆轍,並適當地維護、使用與管理。2016年初之0206美濃地震,喚醒了大家對土壤液化震害的記憶,建物喪失居住性、機能性,亟待進行基礎修復與補強。建物基礎損害之原因很多,但樣態類似,修補方法也類似,本文將先說明基礎損害之型態與肇因,接著以土壤液化基礎修復補強技術及案例為重點,希望可以提供工程界,基礎修復補強技術採擇之參考。
二、基礎損害之型態與肇因
建築物地基基礎常發現之損害型態,包括建築物產生下沉、差異沉陷、傾斜;地基滑動、側移、基礎斷裂、拱起、隆升、懸空;樁頭、樁身、柱頭、基礎版等,破損或龜裂等整體性或局部性損壞。破壞模式雖多,但其損害型態與肇因,可簡要歸納為:(1)基礎地層之既有條件因素、(2)建物之載重或構造不利因素、(3)其他外來影響因素,如表1所列。其中疏鬆、飽和之近地表(通常為20m深度範圍內)砂質地盤,在強震作用下,若發生土壤液化,將導致地盤承載力喪失或降低,而使其上建物產生沉陷、傾斜;若基礎版勁度不足,亦可能因高值超額孔隙水壓,而使地版拱起、龜裂,產生破壞。
三、土壤液化基礎修復補強技術
土壤液化後,基礎可能產生各種不同之破壞模式,影響原建築物之使用機能,而必須採取修復補強之措施,惟修復補強之工法眾多,適用性、經濟性及工期等各異,因此,必須結合考量各相關因素,方能採擇最佳方案。基礎修復、補強之技術,依處理對象(地盤本身或基礎結構)之不同、或原理(提高抵抗力或降低作用力)之差異,可概分為:(1)地盤補強、(2)基礎結構補強、(3)改變結構受力機制等三大類。由於影響地基震害之因素眾多,若僅採單一方法修補,往往難以克竟其功,因此實務上常須多種工法配套同時進行,方能達成修補目標。以下簡述三種不同對策措施之補強理念。
1. 地盤補強(地層改良)
若基礎位於軟弱或軟硬不均之地盤上,壓縮性大,抗剪強度低,或有發生土壤液化之潛能,可透過壓密排水、夯實、化學固結及置換等方式,改良土層性質,強化、固結地盤,提高地盤之承載力、降低壓縮性、增加抗震穩定性。此法一般較適用於新建結構物,對場址地盤不符合力學性能之處理;對於震後受損結構物之基礎補強,常是利用灌漿固結等方式搭配使用。
2. 基礎結構補強
基礎結構之修補方式,與基礎損害狀況、基礎型式、建物規模及復原等級等有密切關係,方法雖然很多,但其目的皆在回復或提高修補後建物基礎之耐震能力,及建物原有之使用機能。
(1)差異沉陷、傾斜扶正
扶正方式有利用千斤頂上抬之頂升工法,及以直接基礎建物為對象,逕在地基中灌入材料,藉由地基的隆升,將建物抬高的灌漿工法。前者透過機械式之操作,因此準確性較高,而後者雖難達到信賴性及準確性之標準,但卻能符合復舊時簡便、迅速的要求。
(2)基礎修補
包括托換原基礎或加固補強原基礎兩種。前者係對震後受損、強度不足之基礎構造,針對基礎型式、荷重分布及地盤條件等,予以加寬加深外增托換,或使用樁基托換;而後者係將原基礎加固加厚,或使用水泥漿或環氧樹脂等補強材料,注入原基礎裂縫或扶正後之空隙使其結合,以提高原基礎之抗彎、抗剪、抗滲透及沖蝕之能力,並提高其承載力。惟,當基礎損害程度較少,建物不須抬升扶正時,亦可僅修補基礎部分損害部位,如樁頭、基礎地梁等,以保持其功能。
(3)重建、新設基礎
若評估原基礎構造修補後,仍不足以滿足功能需求;或原基礎損害嚴重,無法再使用時,則需考慮重建或新設基礎。重設之基礎可能在原基礎下,或在原基礎外再以帽梁聯結;也可能由樁基變為直接基礎,再配合地盤補強之,其型式端視基礎損害情況及重設基礎之施工條件而定。
3. 改變受力機制
(1)隔震、消能
於基礎採用隔震裝置及消能器,以延長結構周期及發揮遲滯消能效果,亦可有效降低結構所受之地震力及各項反應,基礎受損之機率自然降低,因此,隔震消能亦為基礎修補方式之一。惟採用隔震裝置時,所有基礎必須全面施作,工程浩大,且須考量結構之高寬比,以免傾覆力矩過大,使隔震性能失效。另外,管線設施亦須配合隔震建築的最大水平位移量,採取必要的變更設計,因此,除非必要(譬如古蹟的保存),通常較少採用隔震、消能的方式來作基礎補強。
(2)改變荷重傳遞
改變荷重分布及傳遞機制、增設伸縮縫或加強上部結構剛度等,以改變基底應力分布狀態,使基礎受力均勻,減少結構物之差異沉陷,亦為另一種基礎補強之型式。
四、修復補強案例探討
結構物之基礎,一般可分為樁基礎及直接基礎。直接基礎又可分為筏基、條基、獨立基腳、聯合基腳及聯梁基腳等,基礎型式不同,破壞的類型及損害程度,可能有很大差異,修復補強之方式,自然亦隨之不同。本文廣泛蒐集、整理了日本等國(間瀨哲等,1995)震後基礎修復、補強之案例(包括土壤液化案例),依震害地點、建物用途、建物構造、基礎型式、建築面積、地盤條件、損害概要、補強工法及工期等,分門別類予以彙整,如表2所示。
在樁基礎部分,案例中包括有鋼管樁壓入至支撐層、在建築物底下增設地梁及承壓版、以深基礎樁置換補強原樁基礎之方法;也有切斷原有樁頂部,修補後再利用的方法,以及於樁四周填入藥液或砂漿,加入各種補強體予以強化的方法。
在直接基礎部分,與樁基礎相較之下,其受損程度較為輕微,大多是利用千斤頂予以撐起,或注入藥液來修復建築物的傾斜;也有因為地層承載力不足,以壓入鋼管樁、增設承壓版增加抵抗力,撐起建物以修復地基下陷的例子。
在國內案例資料方面,九二一地震之後,亞新工程顧問公司曾針對發生廣泛土壤液化震害之彰化縣員林鎮、大村鄉及社頭鄉等地進行基礎修復、補強狀況調查(亞新工程顧問公司,2000),結果顯示現地多以灌漿、排土、托底頂升等方式進行地基之修復補強。
褚炳麟等(2002)亦針對台中縣霧峰鄉,在九二一震後基礎之維修方法進行調查及探討,並歸納其採用之方法計有:(1)一樓地版以RC重建、(2)土壤灌漿改良、(3)擴大基腳深度、或(4)改為筏式基礎等。而建物傾斜扶正方法,則有壓力灌漿頂升,及排土千斤頂頂升扶正二種工法。惟整個扶正修建過程,係採用土法煉鋼模式,一切以經驗為重,而基礎之施作,則係依照一般常用規格放大其安全係數來施工。
綜合國內外基礎修復補強之案例經驗顯示(黃富國,2002),國內之修復補強業者,多以經驗為施工依據,鮮少針對建物結構,進行全面了解,施工中亦多乏監測儀器,修補後常僅能暫時治標,未能長久治本。在日本,雖然在整個修復工程中,仍由於定量評估的困難,而缺乏合理的施工依據,但其修復補強業者為確保施工成效,多會在適當地點裝置檢測儀器,如樁底荷重計、水平及垂直變位計、攝影機、長期變位穩定監測等。
從修復補強成效觀之,各案例完工時大都達致初步成效,但因很多工程係於震後短時間內快速進行,常未詳查破壞肇因,因此修補後並未為住戶提供一個長期之安全居住環境,尤其是位於發生土壤液化區域之場址。因此,基礎破壞原因之分析是很重要的,而透過各種已完工修復工程之效果分析回饋,亦可提供往後類似案例,修復工法採擇之參考。若能確保基礎修復補強成效,方可釜底抽薪,降低往後受震時,再度發生震害之可能性。
五、結 語
土壤液化乃區域性之地層結構問題,基礎之修復補強應合併考慮場址之特性,若僅修補基礎結構而忽略地盤條件,將僅治標而未治本。在九二一地震液化區受損建物之基礎修復補強案例中,多僅著重於傾斜建物的扶正,使其恢復原有的使用功能,但在提高地層的抗液化能力方面,則顯少考量,此乃液化場址復建工作的一大隱憂。
基於土壤液化的再現性,在美濃地震後,政府已允諾將台南市作為都市更新示範區域,並協助災民復建之際,應盡一切努力,將建物修復與地盤補強兩項重點,引導納為往後災區復建計畫之標準作業,提供工程界遵循,否則同樣的情節,類似的故事,每隔一段時間,就可能再度上演!
參考文獻
1. 大擇一實、間瀨哲、田村昌仁(1995),“基礎之破壞原因與復舊方法”,建築技術,阪神地震特集I,第54-62頁。
2. 亞新工程顧問公司(2000),「土壤液化評估與處理對策研擬第一期計畫(彰化員林鎮、大村鄉及社頭鄉)總報告」,行政院國家科學委員會。
3. 間瀨哲等(1995),“復舊事例研究”,建築技術。
4. 黃富國(2002),「土壤液化地基修復補強成效之評估研究」,專題研究計畫成果報告,行政院國家科學委員會。
5. 褚炳麟、徐松圻、張益銘、林成川(2002),“霧峰鄉太子城堡社區之扶正補強”,2002集集地震液化工程問題研討會論文集,第61~77頁。
表1 基礎損害之型態與肇因(修改自 大澤一實等,1995)
表2 日本等國之基礎復舊與補強案例
地點 | 用途 | 構造 | 基礎型式 | 建築面積 | 地盤條件 | 損害概要 | 補強工法 | 工期 | |
神奈川縣 | 集合住宅 | RC,5F | 擴座樁f35cm | 1F124.7m2 | 黏土、砂質粉土、粉土質砂 | 下陷50.5cm | 鋼管壓入工法 | 4個月 | |
橫濱市 | |||||||||
宮城縣 | 集合住宅 | RC,4F | PC樁f35 cm L=10m | 1F285.71m2 | - | 下陷15cm | 既有樁補強 | 3.5個月 | |
仙台市 | 工法 | ||||||||
宮城縣 | 集合住宅 | PC,4F | RC樁f30~40cm部分直接基礎 | 1F332.8m2 | 黏土質回填土 | 下陷 | 深基礎樁置換工法 | 6.5個月 | |
仙台市 | |||||||||
沖繩縣 | 獨立住宅 | RC,2F | PHC樁f35 cm L=16m | 1F295m22F146m2 | 風化石灰岩、泥岩 | 下陷4.5cm建物南側 | 深基礎工法 | 補強5.5個月,增建地下室11個月 | |
滑動 | |||||||||
兵庫縣 | 倉庫 | RC,3F | RC樁 | 8406m2 | 軟弱地層 | 下陷74.5cm | 柱切斷與頂升工法 | 2.5個月 | |
神戶市 | |||||||||
東京都 | 商店 | RC,2F | 木樁 | 1F69.7m2 | 黏土、砂 | 下陷50cm | 承壓版工法 | 1.5個月 | |
中央區 | |||||||||
東京都 | 商店 | S,3F | 摩擦樁 | 1F69.08m2 | 粉土質砂、砂質粉土 | 下陷6cm | 鋼管樁壓入工法 | 3個月 | |
台東區 | 暨住宅 | ||||||||
東京都 | 商店 | S,4F | 摩擦樁L=5.4m | 1~4F39.72m2×4,5F6.61m2 | 粉土、砂、粉土質砂 | 下陷13.4cm | 承壓版工法與鋼管樁壓入工法 | 2個月 | |
中央區 | 暨住宅 | ||||||||
兵庫縣 | 工廠 | S,2F | PHC樁f50 cm L=33m、35m | 1700m2 | 軟弱地層 | 液化引起 | 加氣砂漿填充工法 | 調查及施工7日 | |
西宮市 | 兼事務所 | 回填地 | 樁周空隙 | ||||||
大阪府 | 歌劇院 | RC,4F B1F | PC樁f60~70 cm | 2255m2 | 粉土質細砂 | 裂縫漏水 | 無機水玻璃系藥液灌漿 | 1個月 | |
豐中市 | |||||||||
青森縣 | 工廠地基 | RC | 樁基礎、基腳 | - | 砂、砂石 | 承載力不足 | 灌漿工法 | - | |
東京都 | 獨立住宅 | RC,3F | 筏基 | 1F64.08m2 | 黏土、黏土質砂、粉土、細砂 | 下陷7.5cm | 鋼管樁壓入工法 | 2個月 | |
渉谷區 | |||||||||
東京都 | 獨立住宅 | S,2F | 筏基 | 1F107m2 | 黏土質粉土、粉土質黏土 | 下陷11.3cm | 承壓版工法 | 0.5個月 | |
江東區 | 2F69m2 | ||||||||
東京都 | 商店 | S,3F | 筏基 | 1F48.23m2 | - | 下陷9.6cm | 頂升工法 | 10日 | |
暨住宅 | |||||||||
北海道 | 小學 | RC,2F | 直接基礎 | 180m2 | - | 差異沉陷6.8cm | 擠壓灌漿 | 1.5個月 | |
兵庫縣 | 辦公大樓 | RC,6F | 直接基礎 | 130m2 | - | 差異沉陷4.7cm | 擠壓灌漿 | 2周 | |
神戶市 | |||||||||
神奈川縣 | 獨立住宅 | 木造,2F | 連續基礎 | 1F35.6m2 | 回填土 | 下陷10.6cm | 從地梁頂升工法 | 5日 | |
橫濱市 | |||||||||
歧玉縣 | 獨立住宅 | 木造,2F | 筏基 | 1F59.28m2 | 回填土、腐植土、粉土 | 下陷14.3cm | 鋼管樁壓入工法 | 2.5個月 | |
大宮市 | |||||||||
神奈川縣 | 獨立住宅 | 木造,2F | 連續基礎 | 1F181.75m2 | - | 下陷21.5cm | 新設基礎 | 4個月 | |
橫濱市 | |||||||||
岐阜縣 | 獨立住宅 | 木造,2F | RC樁f30 cm L=10m | 1F153.97m2 | 粉土質黏土、細砂 | 下陷30cm | 建物搬移與新設樁 | 約3.5個月 | |
神奈川縣 | 獨立住宅 | 木造,2F | 連續基礎,地盤改良樁f60 cm L=3m | 124.58m2 | - | 下陷6.5cm | 千斤頂下降工法 | 約1個月 | |
橫濱市 | |||||||||
岡山市 | 事務所 | S,2F | 連續基礎 | 156m2 | 軟弱地盤 | 差異沉陷4cm | 灌漿工法 | 10日 | |
三重縣 | 工廠 | - | 直接基礎 | - | 黏土 | 差異沉陷 | 樹根樁(微型椿) | 23個月 | |
鈴鹿市 | |||||||||
菲律賓 | 辦公大樓 | RC,5F | 連續基礎 | 1F約200m2 | - | 下陷1.5m | 柱切斷與頂升工法 | 約3個月 | |
呂宋島 |
【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】
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