第三章 大臺北地區土壤液化潛能分析
3.2 土壤液化成因及國內外研究現況
土壤液化是指充滿水的砂質土壤受到強烈地震搖動後，土壤顆粒 排列趨於緊密而造成孔隙水壓增高。當超過臨界值時，促使砂與水混 合成為如泥漿般的液體，甚至噴砂至地表的現象。土壤液化發生的必 要條件包括：
1. 含有疏鬆的砂土層：地盤必須含有疏鬆的砂土層，當砂質土壤越顯 著時，其液化潛能與災害潛勢有偏高的趨勢。
2. 高地下水位：地下水位高，使得砂土層孔隙充滿水分，呈現飽和狀 態。
3. 足夠規模的地震力：土壤結構受到強烈地震搖晃，土壤顆粒將趨向 緊密排列，擠壓顆粒間的孔隙水而激發超額孔隙水壓(Excess Pore Water Pressure)，即所產生的孔隙水壓超過顆粒所在深度之靜水壓 力。當超額孔隙水壓不斷上升至等於覆土應力時，土壤顆粒間已無 接觸應力，土壤顆粒有如漂浮於水中，即達到液化狀態。
土壤液化以後，可能會造成下列地表破壞，甚至危及結構安全：
1. 噴砂：噴砂為觀察土壤液化最直接之地表特徵，當地盤受到強烈地 震作用，所產生之超額孔隙水壓將沿著地層中的裂縫或疏鬆軟弱處 往上消散，當壓力水噴發至地表時，往往將土壤中的微小砂土顆粒 一起帶出來，產生噴砂現象。
2. 地表沉陷：當地下某深度土壤產生土壤液化後，在超額孔隙水壓消 散及移動的過程中，常將砂土顆粒一起帶走，原位置土壤之體積變 少，因而產生地表沉陷。地表沉陷時，將使結構物跟著沉陷；若產 生不均勻沉陷，將使結構物傾斜，或使結構物受到額外的彎曲應力 而產生裂縫。
3. 側向擴展(Lateral Spreading)：當土壤液化後，表層土壤可能變成土 水混合物而往低處流動。側向擴展區內之結構物，可能受到額外的 側向力作用而產生側向位移或甚至破壞。
國內外已有許多學者提出土壤液化評估方法，參考國際土壤力學 與基礎工程學會大地工程技術委員會在「大地地震危害分區手冊」
(ISSMFE TC4, 1999)建議之三級調查方法，依其複雜程度及適用範圍可 以分為以下三類，並分別簡述國內外研究現況：
FEMA)開發了一套多種災害損失評估系統(HAZUS-MH)，在地震災害 模組中，提出一套分析土壤液化敏感性的方法(FEMA, 2013)，參考Youd and Perkins(1978)提出之液化敏感性分類表(如表3.1)，根據地質年代、
水系、地盤分類等資料進行分析，將土壤液化潛感分為非常高、高、
中等、低、非常低五級。美國地質調查所(U. S. Geology Survey)和加州 地質調查所(California Geology Survey)合作製作加州地區液化災害潛 勢圖，並公開於網站(http://earthquake.usgs.gov/regional/nca/qmap/)。這 套方法適用於廣大範圍、大比例尺之初步分析，之後可針對高潛感地 區做地質鑽探取得土壤樣本，進行詳細土壤液化潛能評估。
2. 液化潛能(Liquefaction Potential)評估方法
國外已有許多學者提出液化潛能評估方法，主要以工程鑽孔及現 地試驗(標準貫入試驗、圓錐貫入試驗、震測法等)獲得之土壤參數推估 土壤抗液化強度，並定義抗液化安全係數為土壤抗液化強度除以地震 引致土層剪應力。當地震引致土層之剪應力大於土壤抗液化強度時，
即抗液化安全係數小於1，則達到初始液化程度。
此外，受到土壤覆土應力的影響，在地下越深處越不容易發生土 壤液化，深層土壤即使發生土壤液化也不容易發展至地表而影響到結 構 物 ， 因 此 Iwasaki 等 人 (1982) 提 出 定 義 液 化 潛 能 指 數 (Liquefaction Potential Index, P
L
)，考慮地下20m以內之影響，以深度加權法評估整個地盤的液化潛能：
(3.1)
其中， ，當
，當
F L
為抗液化安全係數z 為距地表之深度，單位為公尺。
Iwasaki等人(1982)分析過去6次地震案例，綜合64個液化區域和23 個非液化區域的資料，發現P
L
=15為大部分液化與非液化工址的主要分 界線，並提出液化嚴重程度之分級方式：P L
= 0：沒有液化或極少液化；液化風險(Liquefaction Risk)非常低。0＜P
L
＜5：輕微液化；液化風險低。5≦P
L
＜15：中等液化；液化風險高。深層可能液化，但地表沉陷 不明顯。P L
＞15：嚴重液化；液化風險非常高。地表可能出現明顯液化表 徵，如噴砂或顯著沉陷。921地震時，土壤液化地點遍及南投縣、台中縣、彰化縣、雲林縣
邊坡滑動、港灣堤岸擋土牆外移導致後方回填地盤沉陷破壞等。因此，
國科會委託國家地震工程研究中心及各大學共同執行「全國液化潛能 圖之製作及評估方法之研究」計畫，採用Seed等人(1985)、日本道路協 會(1996)、Tokimatsu和Yoshimi(1983)所提出之方法進行液化潛能評 估。其中，以日本道路協會(1996)方法及最大地表加速度(Peak Ground Acceleration, PGA)0.23g分析臺北盆地土壤液化潛能之如圖3.1(李崇 正，2001)，可以看出在淡水河兩側的蘆洲區、五股區、三重區、板橋 區、萬華區、大同區等皆有極高的液化危害風險。
中央地質調查所(2011)採用GEO2010工程地質探勘資料庫於臺北 盆地之工程鑽孔資料，將每個鑽孔地下30m以內之土壤參數進行垂直向 及水平向內插，獲得以1m為單位之三維網格化剖面資料。並根據我國 建築耐震設計規範(內政部，2011)規定之土壤液化評估方法，分別以中 小 度 地 震 (PGA=0.07g) 、 設 計 地 震 (PGA=0.24g) 及 最 大 考 量 地 震 (PGA=0.32g)分析臺北盆地土壤液化潛能。其中設計地震(PGA=0.24g) 之分析結果如圖3.2，可看出土壤液化高潛勢區除了和圖3.1相同的淡水 河左右兩岸地區外，還包括內湖區、松山區的基隆河流域地區。
3. 土壤液化機率研究及危害度分析
美國多種災害損失評估系統(HAZUS-MH)在地震災害模組中，除 了提出土壤液化敏感性分析方法外，並考量每種液化敏感性土壤可能
發生液化之PGA不同，以及地震規模、地下水位等因素，提出一套土 壤液化機率評估方法(FEMA, 2013)；此種方法適用於在尚未取得工程 鑽孔資料時，使用地質資料初步分析土壤液化之可能性。
由於地震之發生、地盤運動衰減及延時、描述土壤液化行為之基 本物理模型、自然環境土壤性質之空間分布均存在不確定性與變異 性，因此國內亦有多位學者(黃富國等人，2000；黃俊鴻，2003；賴聖 耀等人，2003)考慮上述因素提出各種土壤液化機率評估方法。大致都 是先進行地震危害度分析(Seismic Hazard Analysis)以建立地動參數(如 PGA值)之年超越機率曲線，並以不同之機率模型呈現土壤強度參數之 變異性；然後結合地動參數及其對應之地震規模、工址地盤條件及土 壤參數等，建立液化潛能指數(P
L
值)之年超越機率，並以實際地震液化 案例比較驗證。此外，土壤液化發生後，往往伴隨著地表沉陷，進而危及結構物 安全。Ishihara等人(1992)進行一系列不同相對密度砂土之動力單剪試 驗，提出抗液化安全係數與液化後體積應變之關係圖(如圖3.3)，可由 抗液化安全系統推估液化引致之地表沉陷量。並指出當地表沉陷達 30cm至70cm時，將產生地表裂縫、噴砂及地盤流動等破壞型態，結構 物也將產生嚴重損害。