請問”何謂土壤液化”？

Question

請問"何謂土壤液化"？

Answer 1

何謂土壤液化？ 「土壤液化」是一種地盤破壞模式的通稱。它描述在強震作用時，位於地下水位底下的疏鬆飽和砂土、沉泥質砂或礫石，土體孔隙中的水壓力，由於來不及消散而累積上升，造成土體強度大幅降低，導致地盤的大量變形。土壤液化時，土體內的孔隙水壓力上升會夾帶地底的泥砂噴出地表，在地表面形成噴砂孔。所以噴砂孔可以幫助專業人員確定發生「土壤液化」。但是有時「土壤液化」發生於較深的地層內，並不會在地表形成噴砂孔。
圖片參考：http://teletubbies.pts.org.tw/~web02/nature/images/17.jpg
因而失去的支撐的力量。那麼，你或許會想， 我們把地下水抽掉不就好了？ 就不會產生土壤液化的危機啦！其實，抽取地下水，反而又會造成其他新的危機。

Answer 2

何謂土壤液化？

「土壤液化」是一種地盤破壞模式的通稱。它描述在強震作用時，位於地下水位底下的疏鬆飽和砂土、沉泥質砂或礫石，土體孔隙中的水壓力，由於來不及消散而累積上升，造成土體強度大幅降低，導致地盤的大量變形。

土壤液化時，土體內的孔隙水壓力上升會夾帶地底的泥砂噴出地表，在地表面形成噴砂孔。所以噴砂孔可以幫助專業人員確定發生「土壤液化」。但是有時「土壤液化」發生於較深的地層內，並不會在地表形成噴砂孔。


噴砂孔（黃俊鴻攝）


　

液化試驗（國立中央大學土木系大型力學實驗室）


這是一個模擬沉箱式碼頭在地震中背填砂土液化，導致碼頭向海側滑動的試驗。水箱內右半邊鋪設均勻之疏鬆砂土層，以長條形壓克力板作為沉箱碼頭之模型，並將左半邊之水隔開，兩邊水位與碼頭頂面同高。砂土層內另埋置塑膠管來模擬埋置於液化層之輕型結構。水箱放置於振動臺上，再以馬達驅動振動臺慢慢加速左右搖晃，藉以觀察液化現象。


　

液化試驗過程（莊德興攝）：

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當試驗結束後，沉箱碼頭外移，背填土塌陷，建物傾斜下陷，土內埋管因孔隙水壓上升往上浮起。砂土表面可見到一些小孔隙（右上圖砂土表面的小白點），即為噴砂現象所造成，在實際地震中，這些小孔隙即是噴砂孔。
下載液化試驗影片(mpg檔，約9.3MB)


試驗結束後之照片

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土壤液化可能造成的地盤破壞模式

「土壤液化」所造成的地盤破壞模式，相當廣泛，包括壩體邊坡流動破壞，堤防或擋土設施側滑破壞，地盤及道路龜裂、沉陷及水平位移，造成橋樑及建物基礎沉陷，不均勻沉陷也會造成各式基礎的傾斜或甚至破壞；另外輕型沉埋結構物也會因孔隙中的水壓力上升而浮起等等。

強震時土壤液化導致災害的案例，在世界許多地方都曾經發生。土壤液化災害的特點是影響範圍廣大，而非液化造成的災害通常比較集中於少數耐震設計或施工不良的結構。例如日本阪神地震，液化災區範圍廣闊，也造成嚴重的損失。國內文獻也有記載地震時發生液化噴泥的案例。此次921集集大地震，許多地方發生土壤液化，也造成中部地區多處堤防龜裂，沉箱碼頭外移、房屋沉陷、傾斜及龜裂，甚至破壞。



(921地震土壤液化分佈圖)
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1964年日本Niigata地震建築物因土壤液化而傾倒（EERI）
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921地震中，台中港碼頭液化情形（陳慧慈攝）
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921地震中，建物因土壤液化而傾斜（黃俊鴻攝）
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921地震噴砂湧入民房內（國家地震中心）
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921地震水井內噴砂（國家地震中心）
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921地震中，台中港碼頭液化災情（陳慧慈攝）
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（土壤液化災情）

　

何處較易發生土壤液化？

「土壤液化」常發生於年輕的沖積地層或海埔新生地，例如沖積平原、沖積扇、沖積盆地、河川旁的高灘地、低地、舊有河道、洪氾區、人工水力回填區等，此類地層含疏鬆砂土且地下水位高，如果距震央位置不遠，那此類地層是液化高潛能區。在國外已有地區重複發生「土壤液化」的案例，另外此次伸港鄉大肚溪高灘地，發生大規模土壤液化，據一位年長者描述，在民國24年新竹台中烈震時，此地區也曾經發生土壤液化。因此歷史上曾經發生液化的區域，如果土質條件和地下水位置沒有改變，在未來的強震作用下，再次發生液化的可能性是很高的。

　

台灣歷年地震發生液化的地區（摘自吳偉特）

地震時間
地震名稱
震源位置
地震規模
震災地點
距震央距離(km)
災害現象

1904
嘉義地震
北港溪下游
6.5
新港附近
約20km
噴砂

1906
嘉義地震
民雄附近
7.1
民雄附近
約10km
噴砂

噴泥水

1906
白河地震
店仔口附近
5.8
白河店仔口附近
約5km
噴砂

1927
新營地震
新營附近
6.5
八掌溪、曾文溪下游
約20km
噴砂

1930
新營地震
新營附近
6.5
台南市
約30km
噴砂

1935
苗栗台中地震
關刀山附近
7.1
峨眉溪兩岸
約30km
噴泥水

1935
苗栗地震
後龍西北方
6.2
南勢溪鐵橋
約20km

地陷


1959
恆春地震
恆春東南方
6.8
屏東車城鄉
約7km
噴泥水

1964
嘉南地震
台南東南方
6.5
台南白河鎮
約60km
噴砂


　

工程界如何評估特定工址液化潛能的高低？

目前已有許多不同方法評估特定工址液化潛能的高低。最常被工程界使用的方法是利用土層鑽探時，標準貫入試驗所得到之修正後的貫入N值以及砂土中含細料的多寡，利用圖來求取土層的抗液化強度(CRR)。另外配合該工址的設計地表的最大加速度(amax)及深度折減因子 rd，可求得地震時該深度處，土體所受到剪應力大小(CSR)。

CSR=0.65(amax/g)(svo/svo')rd

FS=CRR/CSR

工程師利用安全係數(FS)來說明土體抗液化強度及地震時反覆剪應力比的大小關係。若FS小於等於1，則該深度的土壤非常可能發生液化。愈淺處的土壤發生液化或液化砂層的厚度愈大，對地表建物的衝擊愈大，造成的損失也愈大。例如員林鎮崙雅里崙雅巷的鑽探資料經過分析，顯示地表10米以內的地層，抗液化的安全係數小於1，會發生液化。而921集集地震亦顯示該處發生大範圍的液化現象，造成建物沉陷及傾斜。所以進行液化評估作業必須進行土層鑽探，施作標準貫入試驗，並將取得的土樣進行篩分析，了解砂土的顆粒大小分布及含細粒料的多寡，進而判斷可能發生液化的砂層深度。一般而言，地下水位高，地表二十米內有疏鬆砂土層（愈疏鬆的砂土層，貫入N值愈低），受到規模愈大的地震侵襲（規模愈大的地震，工址地表的加速度愈大），愈容易產生「土壤液化」。

國外學者認為當震度達到五級時，屬於全新世沉積層，就可能發生顯著液化。由這次集集大震發生液化地點來看，利用附近的地震測站所量到之地表最大加速度，最少都有200gal，震度最低達五級以上，因此跟國外的經驗類似，所以未來屬於砂質地盤且標貫入試驗所得N值小於10的地方，若地震震度達到五級以上時，都可能發生液化。

　

對於可能產生液化之區域如何改良？

評估有液化可能的工址，可經由土壤改良手段來提高砂土層的抗液化能力。由前面土層會發生液化原因的說明，只要利用工程手段，來提高土層緊密程度，就可以減少地震時孔隙水壓力的累積上升量；另外縮短孔隙水壓消散的距離，也可以減少孔隙水壓的累積量，土壤強度就不會下降太多，當然土壤液化的可能性也就降低了。

常用的土壤改良方法有：動態夯實法、擠壓砂樁、礫石樁，深層或淺層震動工法，爆破工法等，這些方法適合於基地範圍廣大，尚未有建物的工址，大規模施作時，成本較低。這些工法都有增加砂土密度的功效，有些也有排水的效果。對於近地表的軟弱砂土層，也可藉混合水泥系材料拌合現地材料回填。對於深層土層則可以利用粉末或漿液等改良材料與原地土壤攪拌，藉由化學固結作用來改良土壤。利用化學固結來改良所需成本較高。另外也可以使用特殊基礎型式來避免液化，例如使用樁基礎，但必須考慮砂土層液化時對樁基礎的影響。雲林麥寮六輕填海造地工區，就是利用動態夯實法及礫石樁來進行土壤改良，避免「土壤液化」。

已有建物的工址，無法利用上述方法進行土壤改良，可以利用壓力將水泥漿灌入可能液化的砂土層，填充疏鬆砂間的孔隙並加以固結。利用灌漿方式進行土壤改良，針對不同的地質條件及施工環境，有許多不同的施工方法，可經由專業人員判斷，選擇最適宜的方法施作。但此種工法，施工成本很高。

　

結論

今天我們無法預測地震，更無法避免它重複發生，因此適當的防震措施是唯一可行的方法。避免「土壤液化」與一般結構耐震有所不同，結構是人造的，結構耐震可經由正確的設計和嚴格的施工品管來完成。但是土壤是『老天』賜給我們的，地層變化無常，雖然有些地層可能不夠完美，但是我們只有一片土，為了永續發展，更要珍惜它。何況先民墾荒拓地通常選擇河岸或沖積平原進行開發，而這些地方正是最容易發生液化的地方。如果正確掌握地底的地層狀況，以目前的工程技術是可以大幅降低液化災害的。下面就不同層次來說明如何掌握我們的大地，如何來探悉地層變化。

新建土木工程應該確實進行地質鑽探。如果由地層鑽探報告發現距地表20米內有疏鬆砂土層，應該要求設計者進行液化潛能分析，分析結果有液化可能時，則有必要委託專業技師進行土壤改良作業或其他防止液化措施的評估，掌握工程費的多寡。

各級政府應將各式工程的地質資料彙整，放入國土資訊系統。目前國科會已經委託土木工程相關科系的教授，進行液化潛能分區所需的地理資訊系統製作，但仍侷限於大都會地區公共工程所得到地質資訊。一般建物的鑽探資料，因為有些鑽探作業，缺乏嚴格的品管，可信度存疑，並未完全納入。未來建置完成全台液化潛能圖時，我們可以了解自己住所附近的地層資料，是否有液化的可能。

　

Answer 3

何謂土壤液化？ 「土壤液化」是一種地盤破壞模式的通稱。它描述在強震作用時，位於地下水位底下的疏鬆飽和砂土、沉泥質砂或礫石，土體孔隙中的水壓力，由於來不及消散而累積上升，造成土體強度大幅降低，導致地盤的大量變形。土壤液化時，土體內的孔隙水壓力上升會夾帶地底的泥砂噴出地表，在地表面形成噴砂孔。所以噴砂孔可以幫助專業人員確定發生「土壤液化」。但是有時「土壤液化」發生於較深的地層內，並不會在地表形成噴砂孔。參考資料：http://www.cv.ncu.edu.tw/disaster/naturalcalamity/earthquake/damage_type/liq/liq.htm
圖片參考：http://www.cv.ncu.edu.tw/disaster/naturalcalamity/earthquake/damage_type/liq/liq-1-1-s.jpg
噴砂孔（黃俊鴻攝）