第二章 板樁式碼頭設計流程之建立
3. 土壤液化評估
對港灣構造物所在位置土壤液化潛能之分析，了解該工址土壤 液化之可能性，確定耐震性能要求是否可以達到，否則應經由 (1) 地盤改良或變更基礎設計； (2)遷移工址； (3)修改設計性能要求等
方式進行調整，以保證所選定之工址、設計及營造方法最終能使構 造物滿足業主及規範之性能要求。
土壤液化潛能的評估方式在本國規範及國外相關規範均已有 較成熟的方法，因此土壤液化評估方法理論對於耐震性能設計法而 言並非重點，但值得注意的是，對於板樁式碼頭，土壤液化極可能 為導致其破壞的原因，如 2011 年日本 311 地震對小名浜港碼頭造 成嚴重損壞，除地震力已超過設計震度外，尚因土壤液化致使碼頭 後線產生不均勻沉陷、坍塌，碼頭錨碇設施位移，而導致碼頭板樁 向海側位移及傾倒，碼頭上部各種相關設施及結構物產生破壞。
而由本研究第一期計畫探討各國規範對土壤液化的防治規定 可知，其設計目標皆立基於須避免構造物基礎土壤產生液化現象，
倘若評估出基礎有液化之可能性，則必須施予土壤改良或作深基礎 之設計，因此對於土壤液化之設計要求相當清楚，即單一要求為「不 可因土壤液化而造成碼頭應有性能喪失」；另外，本案第一期研究 建議在等級 I 地震下，工址土壤不允許發生液化。在等級 II 與等級 III 地震下，液化的機會大增，若硬性規定不得液化，則土壤改良的 處理費用可能所費不貲，故規定容許液化發生，但必要時須降低基 面，並以折減後之土壤參數求算基礎等值勁度，重新分析檢核其安 全性；而「日本港灣設施基準同解說」亦有相同之規定。
以下說明國內現行「港灣構造物設計基準」的土壤液化潛能評 估法，該法與日本現行規範及國際航海協會規範相同，可用於各等 級地震的土壤液化評估：
一般地質調查土層若符合以下條件之一時，則土層可能發生液 化潛能，需參照規範所建議之液化評估方式作進一步之分析，(1) 地表下 20m 以內之沖積土層且地下水位在地表下 10 m 以內；(2)過
#200 篩細料含量 FC(%)在 35%以下；(3)FC(%)在 35%以上，但黏土 含量 PC(%)在 12 %以下；(4)塑性指數 PI(%)在 15 %以下。
國內港灣構造物設計基準之規定有關砂土層液化分析，可採取 下列三種方法。
(1)簡易判斷法
簡易判斷法液化之預測及判定，是依據土壤粒徑分佈進行 土壤分類。利用均勻係數 Uc=D60/D10=3.5 為基準作為分野之依 憑，由圖2.2 判別之。
圖 2.2 現行港灣構造物設計基準土壤粒徑與土壤液化分析圖 資料來源：參考文獻[21][24]
(2)經驗準則法
經驗準則法土壤液化潛能預測及判定方式，是採用現地試 驗參數標準貫入試驗打擊數(SPT-N 值)及細料含量作為砂土抗 液化強度之預測。國內現行港灣構造物設計基準係參考美國
「Seed 液化評估法」[12]作為液化之判定基礎，說明如下。
其液化潛能分析基本上可分為兩部分的計算：第一部份是 利用未來在土層中可能(或已發生)最大地表加速度配合地震規 模，以半經驗之簡易公式估計現地土層在遭遇地震時所受之反 覆剪應力比(Cyclic Stress Ratio, CSR)；第二部份則是由各種調查 試 驗 資 料 估 計 土 層 之 液 化 阻 抗 比(Cyclic Resistance Ratio, CRR)，而由比較兩者推算出土壤液化之安全係數值(FL)，並根 據港灣構造物設計規範建議，當地動資料趨於保守時，FL 大於 1 即可。
根 據 美 國 國 家 地 震 工 程 研 究 中 心(National Center For Earthquake Engineering Resrarch,NCEER)Robertson 與 Wride 於 1997 年對 Seed 法所提出之修正方法。
1986 年 Skempton 建議採用標準貫入試驗 N 值做為土層之 液化阻抗比(CRR)時，應先使用式(2.1)予以修正。
N C C C C C
N1)60 N E B R S
( ... (2.1) 式中，
CN：有效覆土應力修正因數
CE：能量修正因數
CB：鑽孔尺寸修正因數
CR：桿長修正因數
CS：取樣管型式修正因數
60 1)
(N ：鑽桿打擊能量為 60 %標準落錘能量之修正 SPT-N 值。
依上述參數進行液化分析，分析流程如圖2.3。
圖 2.3 NCEER 土壤液化潛能評估流程 資料來源：參考文獻 [12]
當地震發生時，土層之液化潛能分析評估流程如圖2.3，其 計算步驟與公式如下：
a.反覆剪應力比(Cyclic Stress Ratio,CSR) )
( 65
.
0 max ' r z g
CSR A d
v v
... (2.2)
其中，CSR為地震引致的反覆剪應力比，rd(z)為深度折減係
圖 2.5 土壤之深度-折減係數關係圖 b.液化阻抗比(Cyclic Resistance Ratio, CRR)
以細粒料含量修正現地量測之SPT-N 值如下式：
1.76 190 exp
其中，CRR7.5為地震規模 M=7.5 之臨界土壤液化阻抗 比，x ( N1)60CS為經修正後之 SPT-N 值，a=0.048，b=0.125，
c=0.00472 ， d=0.00958 ， e=0.000614 ， f=0.000329 ， g=0.0000167，h=0.00000371。
c. 土壤液化之安全係數值(FL)
CSR MSF
FL CRR7.5 ... (2.5)
其中，MSF為地震規模修正因子，
5 . 7
M
CRR MSF CRR 。 (3)試驗分析法
依據土壤粒徑與SPT-N 值檢討地盤是否會液化，其結果無 法確實判定，或重要度高的港灣結構物工程時，建議採用試驗 分析法進行液化之預測及判定。
試驗分析法土壤液化預測及判定方式，首先應進行地盤之 地震反應解析，求得地震時土壤內之剪應力，以及採用現地不 擾動土樣進行動力三軸試驗，求得地盤之動態抗剪強度，比較 二者之大小，進行地盤液化之預測及判定，以確保港灣工程結 構物之安全。其液化潛能分析評估步驟如下：
a.建立地下土層資料
使用本分析法所需各土層之資料包括地下水位深度、每 一土層之厚度、SPT-N 值、取樣位置、土壤比重、孔隙比和 含水量。
b.建立土層設計地震資料
分析所需之地震資料主要有土層液化評估地區之地震 規模及水平地震最大地表加速度。
c.地震引致反覆剪應力比計算
對於地盤之地震反應解析，可使用地盤反應解析程式，考
等級I 地震作用下，工址土壤須經土壤液化評估確定不會發生 液化，方可進行第二階段驗證流程，而等級II、III 地震作用下，若 評估結果為土壤有液化之可能，則於第二階段驗證流程時必須保守 模擬液化土層對構造物之影響，以確實檢核構造物受震反應是否滿 足性能規定。若液化後之結構反應超過可接受標準值時，應即進行 土層液化防治與處理，以維持應有的耐震性能等級。
地盤產生液化的過程及結構物之反應均很複雜，故應同時考量 液化與不液化二種狀況，並取較為嚴格的分析結果作為設計之依 據，一般而言土壤液化評估方法的選用，應按碼頭之重要度及設計 地震等級而定，本研究參考國內現行港灣構造物設計基準，並對應 國際航海協會耐震性能設計規範[8]之規定。