土壤液化之工程面向

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土壤液化之工程面向 (Soil liquefaction from engineering aspects)
國立臺灣大學土木工程學系 楊翔文

土壤液化 (soil liquefaction) 如其名就是土壤從本來固化狀態轉化成液化,失去原有的承載力,造成噴沙、流沙、地陷等現象,使建築物損毀、下陷,大多是因地震造成,1999 年發生的 921 大地震,台中縣、彰化縣、南投縣及雲林縣皆發生大規模土壤液化事件。

當沙質(sand)土壤排列鬆散且中間的空隙都充滿著水,我們稱這種土壤為飽和疏鬆沙質土壤,在此狀態下,有兩種應力作用其間,一為沙粒與沙粒間接觸所產生的摩擦力,稱為有效應力 (effective stress),其為穩固土壤結構的關鍵,另一水存於土壤結構間,受到沙粒擠壓所產生的壓力,稱之為孔隙水壓力 (pore water pressure),其兩力之合,稱之為總應力 (total stress),其數值不隨地震而改變,為一定值,上述應力關係可表示成下列恆等式:

$$F_{effective~stress}+F_{pore~water~pressure}=F_{total~stress}$$

當地震發生時,原本沙質土壤內的疏鬆結構會重新排列,變成較緊實的結構,因沙粒間的孔隙變小,會使孔隙水壓力上升,此外,總應力在地震過程中成定值,孔隙水壓力上升便會造成有效應力下降,土壤結構進入失穩的狀態(圖一 b);如孔隙水壓力夠大,夾雜著沙土的水可能會從土壤孔隙間噴出地面,此現象即為噴沙(圖二);當地震作用時間夠久,孔隙水壓力上升至與總應力相同時,土壤結構間已無有效應力(有效應力為 0),土壤就會像液體一樣流動,造成建築物損毀;地震過後,雖然水壓力下降,沙粒間的有效應力回復,土壤結構回到一個穩定的狀態,但可能因土壤錯動後,結構變得較緊密,使地層下陷(圖一 c)。

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圖一$$~~~$$土壤液化過程應力變化圖(作者重繪自土壤液化成因、災害與復建 陳銘鴻)

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圖二$$~~~$$大肚溪噴沙實景(出自https://market.cloud.edu.tw/content/primary/country/tc_ua/a004/htm/p3-3.htm)

綜合上述,形成土壤液化有三要素,缺一不可:

(1) 需為疏鬆沙質土壤,其大多存在於河岸、海岸、海埔新生地等,其他性質的土壤(如:礫石 (gravel)、粉土 (silt) 及黏土 (clay))因孔隙太大或太小不易產生土壤液化

(2) 孔隙間需充滿水,即為飽和狀態,如孔隙間還有空氣,當土壤沙粒錯動時,空氣會先排出,孔隙水壓力就不會明顯上升,亦不易產生土壤液化

(3) 需有足夠強度的地震。

面對土壤液化的對策可分為減少土壤液化發生的可能及減少土壤液化發生時對於建築物的危害,前者大多是利用土壤改良,透過夯實法等工法來提高土壤的緊實程度,或者加入其他材料,提高土壤顆粒間的膠結力,以減少地震時造成的孔隙水壓力上升量;後者可設置連續壁或者特殊設計之基礎,以減少土壤液化發生時對於建築物的危害。


參考文獻

  1. 陳銘鴻|土壤液化成因、災害及復建。
    http://cgsweb.moeacgs.gov.tw/Result/921/9.%E9%99%B3%E9%8A%98%E9%B4%BB.pdf
  2. 陳正興、陳家漢 (2014)。地震防災:地震引致的土壤液化與側潰現象。科學發展,2014/6,498,pp.12 ~ 17。

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