土壤液化知多少?- 美濃地震造成之土壤液化災害

作者/陳家漢(國家地震工程研究中心助理研究員。〉、黃俊鴻〈國家地震工程研究中心大地組組長。〉、陳正興〈國家地震工程研究中心顧問。〉

2016 年2月6日的美濃地震(ML=6.4)引起臺南市部分地區發生震災,導致一些結構物因耐震能力不足,發生倒塌與破壞,而在安南區惠安街與新市區三民街也發 生嚴重土壤液化災情,使得「土壤液化」受到普羅大眾的關注與重視。土壤液化自古有之,為伴隨地震發生的地盤破壞現象,在臺灣歷史災害地震記錄都有記 載,1999年臺灣集集地震在彰化員林鎮與霧峰鄉也發生嚴重液化災情。本文簡介土壤液化機制與災害、美濃地震液化災情、土壤液化防治與復舊對策,讓民眾對 土壤液化有基本的認識。

土壤液化機制與災害
土壤液化是飽和砂土受地震作用,由土壤變為液體的過程。其原理是飽和疏鬆的砂土受地震搖動作用,砂土顆粒 會趨向較緊密之排列,使得顆粒間孔隙體積縮減,會擠壓孔隙中的水,造成水壓上升;地震過程中,當水壓持續上升到大於顆粒間之接觸力時,顆粒將會分離,懸浮 於水中,變成高壓含砂的液體,稱之為土壤液化。此時地盤表層土壤若有連通至地表之空洞或裂隙,液化砂土會沿此通道,噴出地表,形成噴砂孔與砂火山的現象, 如圖一所示。地震結束後,因地盤中的水與泥砂噴到地表,會引起地表沉陷。

地基砂土液化會喪失承載能力,建築物會因自 重產生沉陷與傾斜,自重越大,沉陷與傾斜越嚴重。埋置地層之中空管線、箱涵與人孔則會因浮力而上浮,造成管線接頭的破壞,這些管線包括自來水、汙水、瓦 斯、油管、電力與電訊等管線,會造成生活與救災機能嚴重受損。在傾斜地盤中,由於底層土壤液化失去強度,地表覆土層則因重力作用,會向高程較低之河岸、湖 岸或海岸移動,當地表為緩坡,地盤移動主要為側向變位,稱之為側潰;地表坡度較陡時會產生移動距離很大之流動破壞現象。無論是側潰或流動破壞都可能造成道 路開裂或塌陷,橋墩下陷、傾斜甚至落橋,與擋土牆、堤防、河岸結構物以及維生管線的破壞,圖二為地震時土壤液化所引致的地盤破壞與主要災害。



美濃地震之液化災害
根 據臺南市政府統計,此次震災因土壤液化造成災損民宅數目初估約有500戶,其區域包括北區–正覺街102巷40弄;安南區–聖安街、德安街、惠安街161 巷;新市區–三民街50巷;中西區–文和街等。根據國家地震工程研究中心震後勘查,發現此次土壤液化造成多處民宅沉陷、傾斜及地下維生管線之損害,其中以 安南區惠安街–聖安街與新市區三民街較為嚴重,前者建物損害情形見圖三,後者見圖四。大多數民宅因土壤液化而產生沉陷,僅有少數住宅發生明顯傾斜,發生傾 斜的住宅大多為獨棟型式之結構物。調查發現沉陷民宅之主體承重梁柱結構大致完整,無明顯損壞。附屬結構物(如車庫、前庭與違建)則因與主結構物之差異沉陷 造成損毀與開裂。此外,建築物與路面間的差異沉陷也是造成液化區域地下管線破壞的主因,見圖五。

過去的震災經驗顯示 土壤液化容易發生在下游的河岸、海岸、舊河道以及抽砂回填之海埔新生地等地區,需具有高水位與疏鬆砂土地層之條件。此次美濃地震造成臺南市局部地區發生液 化,經查訪當地民眾與比對中研院臺灣百年地圖資料,發現此次嚴重液化區多為舊埤塘與池塘之回填區,屬於回填之疏鬆土層,因此發生較嚴重的液化災損。

除了建築物液化損害外,現地勘查也發現曾文溪沿岸堤防有部分地點發生大規模流動破壞。災害發生地點在曾文溪沿岸大內橋日新護岸(圖六)與鄰近南二高曾文溪橋橋頭之護岸(圖七),而二溪橋上游之尖山堤防也發生堤防混凝土護坡開裂、堤頂道路扭曲下陷等損害。

綜 觀此次土壤液化災情,建築物嚴重沉陷、傾斜,造成附屬結構物開裂破損、一樓地坪嚴重隆起破裂,泥砂遍佈室內與周遭,甚至阻塞排水溝,並因差異沉陷造成維生 管線斷裂,嚴重影響生活機能。幸運的是並無人員直接的傷亡。這些災損現象與921集集地震的液化經驗相同,並無特殊之處。



液化防治與復舊對策
自1964年日本新瀉(Niigata)與美國阿拉斯加(Alaska)發生大規模土壤液化災害以來,迄今約50年,工程界已累積豐富之液化防治知識與經驗。處理液化問題可從新建工程與既有建築物來探討如下。 
1. 新建工程
對 於新建工程,一般依照耐震規範評估具有土壤液化潛能時,則需進行抗液化對策的設計。對於大範圍之公共工程,大多採用地盤改良的方法,也就是採用各種施工技 術將砂土變為更緊密(較經濟),或者灌漿將砂土固化(較昂貴),使地盤不會液化。對於個別結構物大多採用樁基礎、地下室基礎或地中壁圍束基礎等方法較為經 濟,其中,使用樁基礎穿過液化土層,將結構載重傳至堅實不液化地層,減少沉陷與傾斜;採用地下室基礎則是將液化土層挖掉,減少沉陷與傾斜;採用地中連續壁 則是圍束地基液化土壤,使其不流失,以減少沉陷與傾斜。目前有關土壤液化與防治對策的規範已相當成熟,新建工程只要依照規範進行耐震設計,即可避免土壤液 化引致之損害。
2. 既有建築物
對於既有建築物,則需考慮建築物的層數與基礎型式來討論。都會區高樓建築物一 般都會有兩至三層地下室,或採用樁基礎,因此雖有土壤液化的潛能,但發生液化引致之損害輕微,問題不大。至於老舊之低矮建築物,若評估具有土壤液化潛能, 因經濟性考量,難以進行地盤改良,建議可評估可能之液化風險,採用下列對策。
(1)頂升扶正
依據震災經驗,液 化引致建築物的沉陷與傾斜,極少危及住民傷亡,且受損建築物均可頂升扶正,如果施工費用相對建築物費用可以接受,液化後建築物可進行頂升扶正,恢復地震前 之狀況,稱為復舊。集集地震有很多液化建築物復舊的案例。由於大地震發生機率並非很高,而土壤液化也非致命破壞,不處理也是一種選項,等發生液化後,再視 災損情形與政府補助條件進行復舊或拆除重建。
(2)拆除重建
若擔心危及生命財產安全或不願忍受土壤液化可能帶來生活機能上的不便,可選擇拆除重建,進行新建工程之抗液化設計。

結語
臺灣位處歐亞板塊交界, 地震頻繁,且臺灣西部平原區均屬地質鬆軟的新沖積地層,地下水位亦高,若大地震發生時,極有可能發生廣泛的土壤液化災情,因此新建工程須依據耐震設計規範 進行抗液化設計,以減少未來土壤液化之災損。對於位於液化潛能區之既有建築物,則應視建築物基礎型式,評估可能之液化損害程度。至於老舊之淺基礎建築物, 因土壤液化很少有人員傷亡,可視對土壤液化災損的忍受程度,選擇液化後復舊或拆除重建等對策,無須過於恐慌。

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