上覆土層變形對淺基礎結構物之影響

2.2.1 現地調查

1999 年集集地震中，車籠埔斷層造成南北長超過一百公里的地表破裂，地表 破裂沿線絕大部份結構物因劇烈的地表變形而倒塌，但有少數位於斷層帶中的RC 結構物在經歷地表同震變形後，僅產生位移與傾斜，並無立即倒塌，何以結構物位 於斷層變形帶而未倒塌?其控制之主要因素為何?值得進一步研究。

九二一地震中，車籠埔斷層北段逆衝伴隨著走向滑移，在埤豐僑南側的東豐自 行車道產生3.5 公尺的垂直位移，與約 5 公尺的視左移（圖 2. 28）（經濟部中央地 質調查所，1999），自行車道旁的結構物亦發生位移、傾斜與水平旋轉；圖 2. 29與

表 2. 1彙整不同淺基礎結構物受2~5 公尺抬升錯動而傾斜之案例，除了主要斷層

影響帶外，亦有位於上盤的結構物受次要變形而造成損害的案例，如圖 2. 30

（Kelson et al., 2001）。

圖 2. 29 車籠埔斷層沿線受損結構物。（a）太平一江橋北岸，抬升約 4 公尺（林 書毅 攝）；（b） 太平新坪橋附近，抬升 2~3 公尺（經濟部中央地質調查所，

1999）；（c）豐原中正公園附近，抬升 4~5 公尺（Dong et al., 2003；黃漢勇與連永 旺）；（d）霧峰慈明商工大樓，抬升 2~3 公尺（經濟部中央地質調查所，1999）

表 2. 1 統整結構物受損型態

圖 2. 30 台影文化城園區內地表變形分布（Kelson et al., 2001）

相較於逆斷層錯動使人為結構物產生明顯傾斜，平移斷層錯動除了迫使結構 物產生水平上的旋轉，更會因雷氏剪裂的分布，使部分影響區域抬升或下降，讓人 為結構物產生輕微傾斜，從諸多案例調查（Lettis et al., 2000；Faccioli et al., 2008）

中發現破裂跡會沿著淺基礎角隅繞過結構物，如圖 2. 31。

圖 2. 32 紐西蘭 Greendale 斷層右移錯動 0.5 公尺，造成民宅梁柱歪斜、牆體剪力 裂縫受損狀況（Van Dissen et al., 2011）

斜移斷層造成結構物受損部分，阪神地震中淡路島的野島斷層造成沿線不等 量的斜移錯動（圖 2. 33），斷層跡通過民宅，使建物基礎與樓梯（未與基礎相連接）

錯位（圖 2. 34）。

圖 2. 33 斷層通過圍牆，右移 1.2 公尺，抬升 0.5 公尺（中田高等人，1995）

圖 2. 34 斷層使結構物右移 0.9 公尺，抬升 0.2 公尺，門口與階梯錯位 （中田高 等人，1995）

斷層作用使結構物受損，嚴重者基礎系統或梁柱系統破壞而使上部結構半倒 阻礙使用者的逃生機會，嚴重者全倒造成生命財產損失，結構物亦無法修繕；然而，

輕微者房屋結構無太大損壞，僅有位移與傾斜，提供使用者災後逃生機會，結構上 仍有修繕空間，可藉由地工方法將其扶正與加強仍可繼續使用（圖 2. 35），但扶正、

修繕的案例極少，大多數斷層帶上結構物都因受損嚴重，以拆除重建為主。

圖 2. 35 斷層帶上受損結構物扶正。（a）與（b）大里健行路受損民房災後扶正

（經濟部中央地質調查所，1999；林銘郎等人，2011）；（c）與（d）太平一江橋 北岸民房災後扶正（林書毅 攝；林銘郎等人，2011）

2.2.2 砂箱試驗

Bransby et al.（2008）採用不同載重之剛性平板基礎，在無埋置狀況下，觀察 淺基礎變位行為，低載重之平板基礎在同樣的基盤抬升高度下，有較大的抬升與傾

.

圖 2. 37 不同形式基礎所經歷的傾斜變化（Bransby et al., 2008）

Ashtiani et al.（2016）改變淺基礎埋置深度，觀察剛性基礎的變位與被動土壓 造成的地表隆起，如圖 2. 38，有埋置深度的基礎受制於土層變型，有較大的傾斜 與位移，而埋置基礎的變位也使趾部的土層發生被動破裂（Passive rupture），於基 礎前方產生次生隆起（heave），被動破壞的滑動面起於基礎趾部，以 45-∅/2（∅為 土層摩擦角）的角度向地表發展。

圖 2. 38 不同埋置深度之淺基礎與逆斷層互制，下盤側均產生被動破裂區

（Ashtiani et al., 2016）

小結前人砂箱試驗成果，不同形式的淺基礎與逆斷層作用彼此互制，影響地下 破裂跡的擴展行為，淺基礎亦因抬升導致底部產生一空隙（gap），將影響淺基礎之 承載力。然而前人多以平板型基礎進行實驗，當基盤錯距增加時，往往有基礎版被 上盤土層掩覆的狀況發生，影響大位移下的斷層-人工結構物之間的互制關係，另 一方面，礙於砂箱設備，前人研究多探討二維斷層作用與結構物互制行為，少有綜 合地表與地下觀察進行探討之前人研究。

2.2.3 數值分析

淺基礎結構物是否破壞取決於淺結構所承受的剪力與彎矩，但小尺度砂箱試 驗空間有限，不適合佈置過多測量儀器，因此數值分析將有助於了解淺基礎受斷層 作用的力學分析。

Anastasopoulos et al.（2010）用二維有限元素法分析淺基礎座落於斷層帶不同 位置所承受的接觸力與彎矩，如圖 2. 39，淺基礎若偏於上盤側，因地表變形而抬 升，因淺基礎的剛性使部分基礎與土層失去接觸（detachment），懸空的部分接觸力 降至0，彎矩也隨之增加，最大彎矩將超過初始彎矩（M0）的3 倍以上。

圖 2. 39 淺基礎座落於斷層帶不同位置所承受的接觸力與彎矩（Anastasopoulos et al., 2010）

Oettle and Bray （2017）改良UBCSAND 組成律，來擬合正、逆斷層離心機試 驗結果（圖 2. 40），透過改良的組成律，能更精確的模擬斷層與人工結構物互制作 用，其中三角剪切帶的分岔取決於結構物載重、勁度、位置以及淺基礎寬度。

有限元素法有助於分析淺基礎的應力與彎矩，但斷層作用屬於大變形行為，連 續體網格因斷層作用而過度扭曲變形，影響數值分析的可靠度，若改用離散元素法 來模擬土層變形行為，將更貼切的模擬斷層與人工結構物的互制行為。

圖 2. 40 逆斷層離心機試驗與有限元素法比對。左：自由場；右：不同載重結構 物互制作用（Oettle and Bray, 2017）

平移斷層影響淺基礎部分，Agalianos et al. （2019）利用有限元素法分析平移 斷層影響無埋置深度的淺基礎版，歸納淺基礎變位的運動機制，一是淺基礎以水平 旋轉為主，二是淺基礎以平行斷層線滑動位移為主，無埋置基礎之變形或位移受控 於底面與土壤之摩擦特性，位移多寡取決於基礎位於固定側的多寡。位於斷層線上 的淺基礎載重會使破裂跡分岔，繞過淺基礎版，淺基礎前後有擠壓區與拉張區出現，

如圖 2. 41，但受限於有限元素法之限制，其土中斷層面的型態與現地調查常見的 花狀構造明顯不符，但其探討淺基礎受平移斷層作用的變位行為是目前僅有的研 究。

離散元素法部分，Garcia and Bray （2019）利用PFC 軟體模擬無埋置之平板 淺基礎受正、逆斷層作用，透過顆粒旋轉分布、孔隙比高低來做為斷層帶的觀察指 標，並改變淺基礎之位置與寬度，觀察淺基礎的傾斜行為(圖 2. 42)，模擬結果與

圖 2. 41 淺基礎受平移斷層作用影響，斷層跡繞過淺基礎，基礎產生旋轉或位移

（Agalianos et al., 2019）

圖 2. 42 離散元素法模擬淺基礎受逆斷層影響。（a）比對離心機試驗；（b）PFC 模擬；（c）顆粒旋轉分布；（d）孔隙比分布（Garcia and Bray 2019）

小結前人數值分析成果，為方便分析淺基礎之內力行為，目前的數值分析多以 有限元素法軟體為大宗，亦可調整邊界條件或材料參數來測試不同情境或參數敏 感度，省去砂箱試驗所需的繁雜工作，但大變形下的土壤行為不適合以網格元素來 模擬，使淺基礎行為失真。

然而，離散元素法軟體雖然適合模擬大變形行為，但微觀參數率定困難，目前 僅有Garcia and Bray （2019）以離散元素法分析淺基礎受斷層作用之相關研究，

但尚無針對斜移斷層錯動進行探討的數值分析成果。