黃富國 (淡江大學水資源及環境工程學系副教授)
王淑娟 (朝陽科技大學營建工程系副教授)
一、前言
發生於民國105年2月6日之美濃地震,地震規模6.4,震源深度16.7公里,屬淺源地震,在台南之震度達5級,除了在台南永康區永大路的維冠大樓倒塌,造成人員重大傷亡外,「土壤液化」(soil
liquefaction)頓時成了顯學,被過度炒作成洪水猛獸,避之惟恐不及,造成全國民眾的恐慌與不安!也促成了政府加速公告土壤液化潛勢區。為了使工程界對此次地震所造成之土壤液化震害有進一步的了解,本文首先說明土壤液化之機制及影響因素,接著整理所發生之噴水冒砂、地基失效、側向擴展及流動破壞等現象,希望大家在88年九二一地震及99年桃源地震後,再藉由這次地震,對土壤液化之作用與影響,有更深入之認識,俾往後在工程規劃、設計及施工時,能做好地質調查及土壤液化危害度評估,並採取相應之對策與措施,以消弭液化震害於無形,達到防災或減災之目的。
二、土壤液化機制及影響因素
地震有復發性,而震害有選擇性!土壤液化之發生有其一定的條件,包括地盤特性及地震特性,並非任何地盤、任何地震皆會引致液化災害。
所謂「土壤液化」,簡單地說,係地震時激發之超額孔隙水壓,使地下水位下,土壤顆粒間之有效應力趨於零,土壤顆粒呈現懸浮狀態,由固體轉變為液體,土壤行為與液體相似。液體不能抗剪、不能維持自身的形狀、有流動性、有浮力,土壤液化後,土壤強度幾近喪失,變成具有流動性的物質,因此為工程上帶來嚴重的後果。
若細究超額孔隙水壓激發之機制,因疏鬆飽和砂土受剪時,若允許排水,則孔隙水壓可消散,砂土變密、體積變小,但因地震作用之瞬間,砂土相對變成不排水(因地震作用之速率大於砂土排水之速率),因此砂土在受剪容許排水時,體積趨於緊密之趨勢,轉變為受震不容許排水時孔隙水壓上升之趨勢。由此可知,砂土越疏鬆、砂土層越淺、地下水位越高,砂土受震時,越容易發生土壤液化,導致土層喪失承載力、產生大量變形。
另外,對於緊密飽和砂土而言,在受震初始階段,其行為與鬆砂相似,但當振動繼續時,其體積有趨於膨脹(土體變鬆)之趨勢,而使孔隙水壓下降,因此在反復振動過程中之某些時刻,雖然其孔隙水壓可以暫時達到圍壓,使有效應力暫時為零,但其累積變形仍屬有限,這種液化現象稱為反復流動性(cyclic mobility)。至於黏性土壤,即使有效應力等於零,因其尚有一定的凝聚力,因此除了極少數的黏質砂土外,一般而言,黏土並無所謂土壤液化現象。
以上對土壤液化成因之介紹可知,凡位處河川、湖泊、海洋等淤積、沖積形成之年代較輕地盤,以及人工水力回填新生地等,因其土質多為粉質砂土或細砂土壤、較為疏鬆,若地下水位又高,則將來地震時,將極易產生土壤液化現象,值得特別注意,在從事工程規劃設計時,須謹慎評估土壤液化潛能,並採取適當對策。
影響土壤液化潛能因素甚多,除了前述土層特性(包括現地土壤之顆粒特性、緊密程度、細料含量及其塑性程度、應力及應變歷史等)及環境因素(包括現地地質及水文概況,如土層形成的方式及年代、地下水位深度等)外,尚包括地震特性,如地震規模M、地震強度(常以最大地表加速度PGA表示)及頻率內涵等。
一般而言,地震規模越大,強震延時越長,越容易發生液化。根據以往國內外之液化震害資料顯示,發生液化之地震規模多在5以上。而最大地表加速度PGA越高,震度越大,土壤所受之剪應力亦越大,在地震力之反復作用下,亦越易使孔隙水壓升高而產生土壤液化。就過去之液化震害經驗而言,發生土壤液化之區域,其PGA值多介於0.1g~0.4g之間。此次美濃地震之地震規模6.4,在永康速報站東西向之PGA值達0.15g、台南市速報站東西向之PGA值達0.24g,在適當之地質條件下,即可能發生土壤液化震害。
三、土壤液化概況與破壞模式
1. 土壤液化場址分布
在這次的地震中,台南發生大規模的土壤液化震害。根據初勘結果顯示,目前已知發生土壤液化現象之區域,涵括安南區、北區、中西區、永康區、新市區
新化區、山上區、官田區、大內區及歸仁區等10個行政區(圖1)之部份地區;包括鹽水溪流域及曾文溪流域沿岸之高灘地等,範圍東西向及南北向,皆橫跨超過20公里;震損狀況以安南區溪頂里、新市區三民街、中西區文和街、北區正覺街及公園路...等部份建物之下陷、傾斜較嚴重,新化北勢里及太平里農田及渠道之噴水冒砂雖多成點狀分佈,災害較少,但分布範圍極為廣泛。
另外,官田區曾文溪國道3號橋頭附近之日新護岸,及山上區玉峰堰之護岸,則發生嚴重之流動破壞(flow failure)及側向擴展(lateral spreading),大內區二溪大橋旁之尖山堤防,也因堤身內土壤液化而崩裂。歸納發生土壤液化現象之地點,主要為鹽水溪流域(包括支流許縣溪、崩溝坑溪與大目幹溪等),及曾文溪流域等第四紀現代沖積地盤,及舊埤塘區之疏鬆飽和砂質地層等。因現場土壤液化之判定,多以土層是否發生噴水冒砂、土體流動、建築物地基失效等宏觀破壞現象作為依據,而有的土層雖發生了液化,但可能深度較大,上面被覆非液化土層所覆蓋,因此並未呈現出宏觀破壞現象;另外,有的地方雖發生了液化,但或因現象不明顯而未被注意,因此,實際發生土壤液化之地點及涵蓋範圍,仍有待更進一步深入廣泛調查。
2. 土壤液化破壞模式
若將土壤液化震害,依地表結構物之有無分類,可概分為自由場(free
field)的噴水冒砂震害,及結構物(含土工結構)地基液化震害。而若依地盤破壞行為及對工程設施影響分類,則可將液化破壞模式,分為噴水冒砂、地基失效、側向擴展及流動破壞等四類。前二項屬於水平地盤之破壞,而後二者屬於傾斜地盤之破壞。
以下針對這四類破壞模式,以此次美濃地震之實際液化案例作說明。
(1) 噴水冒砂
土壤液化係導因於超額孔隙水壓之持續激發,壓力達到土體所在深度之初始有效圍壓所引致,總水頭高者往總水頭低處宣洩。因此,地表處之噴水冒砂,為土壤液化之最基本表現形式之一,水田、果園常泥砂橫漫(照片1-2),影響農作;而噴水冒砂時,水壓極高,許多建物地基被拱起、開裂(照片3)。另外,土壤液化後地盤下陷,亦可能使橋墩產生不均勻沉陷、橋面版陷落破壞;若引致負摩擦力,則對橋墩承載力也有影響。
(2)地基失效
在地基失效方面,由於土壤液化後,土層承載力喪失或降低,常導致地基產生嚴重下陷或傾斜。而上部結構受地基震害影響程度,與結構物型式有密切關係。一般而言,老式之土埆厝、磚房,本身耐震能力即不佳,若再因地基土壤液化,引致差異沉陷,將使牆體產生張力,房舍可能坍塌或牆體開裂,屋頂也因不均勻沉陷而如波浪狀起伏。若上部結構為R.C.構造,則整棟建築物基本上,常只有地基失效、引致之錯位及不均勻沉陷;另外,部份大樓,尤其是無地下室者,則可能產生較大之震陷量(照片4)或較大角度之傾斜。在地(路)基失效之不均勻變位中,地下維生管線之斷裂、錯位,也在所難免,如安南區長和路三段之自來水大管,300公尺長,就有七處因土壤液化下陷,導致接頭鬆脫而漏水,若為瓦斯管線,就更值得注意!
(3)側向擴展
在側向擴展破壞方面,係指地面坡度小於3°~5°的液化地層滑動,其成因係已液化土層的抗剪能力極低,於是上覆非液化土層,在沿液化界面的自重分力、和土層的水平地震力作用下,乃產生滑動,其位移可達數米,且伴隨著一系列近乎平行的地面裂縫及台階式錯動,此類破壞型態在濱河、濱海之路基、高灘地等處常可發現。如照片5為曾文溪右岸日新護岸旁,邊坡之側向擴展破壞,有很典型的台階式錯動;照片6則為二溪大橋旁,尖山堤防之近陸側邊坡,因側向擴展而使其上階梯滑移、翹起。
(4)流動破壞
在傾斜地表(坡度大於3°~5°)、堤防、碼頭,或路堤下之飽和疏鬆砂土層(受剪時產生剪縮行為),受震時,可能因土壤液化,而在水平方向產生大滑移,導致過大(無法容許)之側向變形量,此即所謂之「流動破壞」,照片7為此次地震,曾文溪右岸日新護岸,因內部土壤液化,而產生大規模滑移及陷落情形,護岸面版滑移距離超過100公尺,非常嚴重;其旁國道3號橋,橋墩旁之地層也因土壤液化而產生震陷,所引致負摩擦力對橋墩承載力的影響,必須加以檢核確認。照片8則為山上淨水場,後方玉峰堰之護岸,發生大量滑移、錯位情形。另外,二溪大橋旁近水側堤防,雖尚未發生流動破壞,但面版下之地層,也沿堤防線,全面發生噴水冒砂,導致堤防面版開裂、堤防差異沉陷,也是必須快速修復的,以因應即將屆臨之汛期。
四、結 語
自九二一集集大震、桃源地震至美濃地震,「土壤液化」,這種原本國內近代震害史上少見之地工破壞現象及嚴重性,已漸為大家所了解及重視,而成為顯學。然而,地工震害具有明顯之地域特性,而地震及土層特性,亦存在高度不確定性,因此,從液化之機制、液化之評估到液化之防治等,除參考國外之相關文獻及經驗外,更應把握這幾次慘痛而珍貴之液化震害教訓,落實本土化之研究,檢討及修正建築技術規則,及相關之耐震設計規範,並藉由此次土壤液化潛勢區之公告,落實災害風險管理之工作。土壤液化並非不治之症,所謂預防勝於治療,只要知道風險所在,面對問題、解決問題,土壤液化並不足懼矣!
液化震害後,基礎之修復、補強,成為震後另一個值得重視的問題。由於災區民眾復舊心切,加以施工廠商經驗不足,且無相關規範可資依循,常未詳查震害肇因、未評估震害狀況(包含上部結構),即驟然實施基礎修補,因此,常反使建物震害加劇,或引致損鄰事件,得不償失,不可不慎。
蓋基礎之修復、補強乃一專業技術,其對策措施之採擇,都需要專業評估與判斷,政府有關單位應儘速研擬相關規範以供遵循,而基礎修補工法之選擇,更應綜合考量結構條件、地盤條件、環境影響、工法特性、建物損害程度及復舊要求等,以確保基礎修補成效,避免將來再度遭致震害。
參考文獻
1.黃富國、余明山、何政弘(1999)。"九二一集集大震土壤液化震害與問題探討"。土木工程技術,第3卷,第3期,第47-79頁。
2.黃富國、吳俊磊、王淑娟、黃騰輝(2012)。"2010年3月4日桃源地震土壤液化震害探討"。中華民國第十一屆結構工程研討會暨第一屆地震工程研討會,論文編號:11031。
圖1 0206美濃地震土壤液化場址分布圖(許崑泉製圖)
照片1 新化區北勢里高鐵附近噴水冒砂
照片2 新化區太平里籬仔尾水田噴水冒砂
照片3 新市區三民街建物地基土壤液化,高額孔隙水壓引致地版拱起、開裂
照片4 安南區惠安街161巷之建物,液化震陷約70cm、傾斜約5°
照片5曾文溪右岸日新護岸旁邊坡之側向擴展破壞
照片6 二溪大橋旁尖山堤防之近陸側邊坡,因側向擴展而使其上階梯滑移翹起
照片7曾文溪右岸日新護岸大規模滑移及陷落,導致面版滑移距離超過100m
照片8 山上淨水場後方玉峰堰之護岸,發生大量滑移、錯位
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