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，對於重力式碼頭，土壤液化極可能為 導致其破壞的原因，如 921 地震對臺中港碼頭造成嚴重損壞，除地 震力已超過設計震度，因土壤液化致使碼頭後線陸地多處開裂、塌 陷，碼頭沉箱與背填陸地錯開分離，導致碼頭沉箱向海側位移及傾 倒，碼頭上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。

以下將說明國內現行「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 10m 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。

(a)

(b)

均勻係數小之土壤

均勻係數大之土壤

通過百分率

粒徑

粘土 粉土 砂 礫

有可能產生液化

極可能產生液化

0.074

極可能產生液化

有可能產生液化

粒徑

粘土 粉土 砂 礫

通過百分率

0.074

(mm)

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^[24][21]

(2)經驗準則法 Earthquake Engineering Resrarch,NCEER)Robertson 與 Wride 於 1997 年對 Seed 法所提出之修正方法。

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

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)

) z ( g r

65 A . 0

CSR _{' d}

v v

max  



 

 ... (2.2)

其中，CSR為地震引致的反覆剪應力比，r_d(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 α exp

30

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)

c.地震引致反覆剪應力比計算

f.綜合研判

地盤之液化潛能，需依各土層液化之預測及判定結果，綜合 研判之。

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，方可進行具體設計階段，而等級 II、III 地震作用下，若評估 結果為土壤有液化之可能，則具體設計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^[11]之規定。