液化土壤中樁基礎動態物理模型試驗

現地液化土層中樁基礎動態反應機制複雜，目前現地案例除1995年日 本Kobe地震有部分觀測資料外(Ishihara and Cubrinovski, 1998[12])，液化土 層中基樁受震反應之現地動態量測資料則相當有限。因此，為探討液化土 層中基礎受震反應行為，則可利用物理模型試驗進行研究。目前液化土層 中樁基礎之動態物理模型試驗主要有三種類型：(1) 大型振動台模型樁試 驗，(2) 離心機動態模型樁試驗，(3) 現地人工震源樁基礎動態試驗。這些 試 驗 之 研 究 重 點 包 含 ： 液 化 土 層 中 基 樁 動 態 側 向 抵 抗(seismic lateral resistance)分析、液化土層土壤－樁基礎－上部結構動態互制反應(dynamic

-基樁-上部結構互制試驗，其模型與儀器配置如圖2.6所示。其結果顯示基 樁-上部結構之卓越週期(predominant period)受下方土壤孔隙水壓激發與地 表振動影響，且基樁行為與土層位移密切相關，而最大樁身彎矩發生於土 壤剛液化前之階段。

Tokimatsu and Suzuki（2004）[14]及Tokimatsu et al.（2005）[15]使用單 向大型振動台與大型單向多層式剪力盒（12 m × 3.5 m × 6 m）進行一系列 在水平地盤與傾斜地盤（傾斜角為2度）之土壤-樁基礎-上部結構互制試驗，

其中土壤試體分為乾砂及飽和砂土兩類，其儀器配置與試驗規劃分別如圖 2.7與圖2.8所示。根據分析結果顯示樁身周圍之超額孔隙水壓變化對於土 壤反力(p)與樁土相對位移(y)行為有顯著影響，且行為與在乾砂試體反應完 全不同。唯該研究僅根據試驗結果進行定性探討，尚無定量之估計方法。

此外，Tokimatsu et al. 提出若上部結構物之自然週期小於地盤自然週期，

則地盤位移會傾向與上部結構引致的慣性力同方向，則樁基礎的最大應力 會發生在慣性力與地盤變位同時達到極大值時；反之，如果上部結構物之 自然週期大於地盤自然週期，則地盤位移與上部結構引致的慣性力不同相

（out of phase），則樁身最大應力可能會發生在不是慣性力與地盤變位達 到極大值的時刻。

Tokimatsu and Suzuki（2009）[16]利用日本兵庫縣三木市兵庫耐震工學 研究中心實尺寸之三向度大型振動台（E-Defense, 15 m × 20 m），搭配可

在水平向二維運動之圓柱形多層式試驗盒（直徑為 8 m，高為 6.5 m，如 圖2.9），進行一系列亁砂與飽和砂土試體之土壤-群樁基礎-上部結構互制 試驗，其配置如圖2.10所示。根據其試驗結果提出擬靜態分析程序(pseudo-static analysis)以評估樁基礎受震時所受到上部結構所傳遞之慣性力與地盤 變位引致之作用力，並進行參數敏感度分析探討影響液化土層中樁身應力 之因素。

Cubrinovski et al.（2006）[17]使用大型振動台與多層式剪力盒所進行 土壤-基樁互制模型試驗結果進行分析。該試驗分為兩階段，先利用簡諧波 振動讓試體達到液化狀態，再使用剛性加壓板施加側向位移以探討側潰土 壤對樁基礎反應之影響。圖2.11為模型樁振動台試驗配置與試驗程序，其 試驗土層分為下方飽和土壤試體與上方乾燥之表土層兩部分，並分別採用 高強度預力混擬土基樁(PHC)以及鋼樁進行試驗。分析結果顯示樁基礎勁 度對於反應有顯著之影響－較為柔性之基樁會隨著樁周土壤移動，其行為 主要受地盤變位控制；而勁度較高之基樁則因較不隨地盤移動，因此最大 樁身彎矩主要受非液化層土壤側向載重所影響。此外，利用等值線性方法 進行液化土壤勁度反算發現液化土壤勁度僅為初始土層勁度1/30~1/80之 間。

1 g振動台模型樁動態試驗趨勢是以高密度量測儀器進行觀測，再由試 驗分析探討其樁身受力反應與影響樁土互制之影響因子。綜合上述研究成 果可歸納：(1)孔隙水壓變化對於p-y行為有明顯影響；(2)亁砂試體動態反 應無法代表飽和砂土中模型樁之受振行為；(3)樁土相對勁度對樁土互制反 應影響相當顯著。而目前振動台模型試驗對於結構物及地盤之顯著週期與 地震特性之討論仍少，且僅考慮上部結構之顯著週期而忽略與下部基礎之 總和反應。若地盤發生液化，則樁土互制行為可能與原先設計考慮不同，

應進行考慮整體結構及地盤顯著週期與地震特性之研究。此外，礙於研究 經費與設備的限制，目前試驗多以單向度振動試驗為主，多向度振動研究

利用相同設備探討液化後土壤側潰對基樁造成之影響，其結果發現利用 Matlock (1970) [20]所提出之靜態p-y曲線可預測非液化層(clay crust)之反應，

且樁帽正下方非液化層與樁帽摩擦力會影響其受力，而液化土層之樁身位 移則與樁身與周圍土壤之相對勁度有關。

Abdoun and Dobry (2002)[6]及Abdoun et al. (2003)[21] 使用壬色勒理工 學院(Rensselaer Polytechnic Institute, RPI) 100 g-ton 離心機及架設其上的振 動台與單向多層式剪力盒進行一系列液化後土壤側潰引致單樁與群樁基 礎破壞的試驗，試驗結果發現樁身最大彎矩皆發生於液化與非液化土層之 界面處(如圖2.13所示)，並利用單樁試驗結果發展以極限平衡法為概念之樁 身彎矩評估方法提供實際工程應用。

Kagawa et al. (2004)[22]利用日本清水建設（Shimizu Corporation）之離 心機設備進行三組離心機振動台試驗(15 g)與相同條件之1 g大尺寸振動台 試驗結果對行比對，包括自由場地盤受震試驗、乾砂中樁土受震試驗與飽 和砂中樁土受震試驗。圖2.14為第三組飽和砂土中樁土試驗之配置，其中 模型樁是固接在樁帽上而樁尖是用鉸接方式與底部相連。根據試驗結果比 對發現，在自由場地盤受震試驗與乾砂中樁土受振試驗中，離心機振動台 試驗能有效模擬1 g振動台試驗結果；然而，在飽和砂土中樁土受震試驗之 孔隙水壓分布與基樁受震反應結果則與1 g振動台試驗結果有一定的差異。

Knappett and Madabhushi (2009)[23] 利用英國劍橋大學離心機設備進

行一系列水平地盤中模型群樁振動台試驗以探討液化土層中樁基礎承受 高軸壓下可能引致之不穩定破壞問題。作者利用Bhattacharya (2003)所提出 的彈性挫屈載重所估算之樁基礎側位移公式與其試驗結果比較，發現此公 式僅能運用於樁土相對勁度較大之情形，在樁土相對勁度較小時則會有明 顯高估的情況。其原因是由於基樁側向位移至一定比例後，砂土的膨脹 (dilative behavior)特性會提供基樁顯著的側向阻抗以降低基樁側向位移。

2.3.3 現地人工震源基樁動態試驗

Rollins et al. (2005)[24] 在美國加州Treasure Island以爆炸方式產生人 工震源引致地盤液化後，再利用油壓致動器對現地實尺寸之單樁及群樁施 加側向載重進行液化地盤中樁基礎之側向反覆荷載試驗，其配置如圖2.15 所示。試驗分析結果顯示液化與未液化土層其 p-y 曲線有顯著的差異，而 在液化土層中群樁效應並不明顯。

Chang et al. (2010)[25]將大尺寸棧橋碼頭模型埋置於回填砂土之試坑

（5 m × 2.5 m × 2.5 m）中，利用震源震盪車(Vibroseis truck)之動態載重，

產生地表振動進行棧橋碼頭液化試驗，圖2.16為震源震盪車與棧橋式碼頭 動態試驗配置圖。圖2.17為不同孔隙水壓比情況下，深度 1.5 m處反算之p-y曲線變化情況。其結果顯示p-y曲線之割線模數隨著孔隙水壓力比(ru)增加 而遞減，同時其遲滯迴圈面積亦有逐漸增加之趨勢。因此，從該趨勢可看 出動態p-y曲線在液化的過程中，土壤反力會逐漸減少，而阻尼效應則逐漸 增加。