第 2 章 文獻回顧
2.1 斷層錯動引致地表變形
2.1.2 竹山槽溝挖掘調查
位於竹山鎮的竹山槽溝是集集地震後最知名的挖掘調查，在 2002 年時第一次 被開挖研究斷層活動的歷史（圖 2. 10、圖 2. 11），竹山槽溝開挖的方向為東北—西 南走向，經過此處的車籠埔斷層錯動了階地堆積層以及沖積層，且附近的鑽孔可鑽
圖 2. 10 竹山槽溝南牆與斷層破裂跡（劉啟川攝於 2002 年）
圖 2. 11 竹山槽溝北牆（林銘郎攝於 2002 年）
圖 2. 12 竹山槽溝位置圖（Chen et al., 2007）
竹山槽溝的剖面清晰且獨特，紀錄了車籠埔斷層曾經在此有 5 次錯動歷史，
又僅距離 14m 之南北牆地質構造發育不同。竹山槽溝兩側溝壁呈現了兩種褶皺—
逆衝斷層的褶皺構造結構，北牆類似於斷層擴展褶皺（fault-propagation fold），南 牆屬於斷層轉折褶皺（fault-bend fold）（圖 2. 13）。
Huang et al.（2016）將竹山槽溝的開挖剖面之沉積單元分為 9 層（圖 2. 14）， 由最上層至最下層分述如下：Unit0 為人工填土層；Unit1 為受到農耕擾動的淺灰 色粉砂質黏土層，與下層交角不整合；Unit2 為黃棕色黏土質與砂質粉土層夾透鏡 狀礫質砂；Unit3 為棕色砂質與黏土質粉砂層，還有深紫色的有機質泥質與砂質粉 砂層，這兩種顏色的粉砂層交互出現，可清楚的看出四條帶狀分層在此層上。Unit4 為藍灰色的泥質與砂質粉砂層；Unit5 為棕色砂質與黏土質粉砂層，夾有兩層藍灰
包含有礫石的沉積層為 Unit7 與 Unit8。Unit7 為砂質與黏土質粉砂層夾透鏡狀 沉積礫石，其中的礫石粒徑為細礫至卵石（4mm ~ >64mm），呈現稜角狀。最底層 Unit8 為階地礫石層，由濁水溪夾帶著來自中央山脈的石英質礫石堆積而成，粒徑 分布從細礫至巨礫（4mm ~ >256mm），是肉眼非常容易看見的大小。
有鑑於竹山槽溝極具研究與展示的價值並免於被颱風摧毀，於是 2005 年時利 用了槽溝剝片保留第一次開挖的地質剖面樣貌，且原址於 2012 年擴挖並於隔年建 立車籠埔斷層保存園區，至今竹山槽溝南北牆與槽溝剝片仍被完好的保留在館內
（圖 2. 15、圖 2. 16）。
圖 2. 13 竹山槽溝南、北牆剖面（Chen et al., 2007）
圖 2. 14 竹山槽溝之沉積單元（修改自Huang et al., 2016）。地層上標註的英文字 可對應Chen et al.（2007）繪製之槽溝剖面示意圖。
圖 2. 15 保存於車籠埔斷層保存園區之竹山槽溝（攝於 2019 年）
圖 2. 16 保存於車籠埔斷層保存園區之槽溝剝片礫石層部分 2.1.3 自由場物理砂箱試驗
研究上覆地層受斷層作用後的變形行為雖然可以透過現地調查或空拍照片來 描繪地表破裂跡，但地層中的變形範圍或斷層滑動面位置卻由於尺度過大而難以 調查，故在室內操作的物理砂箱試驗即彌補了以上的不足，可提供基本的行為觀察。
Cole & Lade（1984）利用 1g 重力場砂箱試驗觀察無凝聚性之鬆砂與緊砂受不同斷 層傾角的正、逆斷層的斷層破裂面擴展路徑，結果顯示上覆土層的厚度、剪脹角以 及斷層的傾角會影響斷層破裂面的發展。Bray et al.（1993）利用 1g 重力場砂箱試 驗觀察具有凝聚力之飽和黏土的變形行為，其研究指出剪切帶的厚度與基盤抬升 量以及黏土的破裂應變有關。
由於在自然環境中堆積的沉積物很少是均質且均向的，故Tali et al.（2019）使 用離心機砂箱試驗探討上覆土層為砂與黏土質砂的變形行為，比較單一砂層、砂層 上覆黏土質砂層（厚度 1：1）、黏土質砂層上覆砂層（厚度 1：1）與單一黏土質砂 層的地表變形、斷層滑動面發展與三角剪切帶範圍。試驗材料使用淨砂（Firoozkuh sand No.161）做為砂層，而黏土質砂則使用淨砂與高嶺土以重量比 3：1 混合。研 究結果顯示單一砂層的斷層滑動面最早發展到地表，此時的基盤抬升比（∆H/H）
為 5.6%，且斷層滑動面發展至近地表的傾角較大。當不同覆土層堆疊時，斷層滑 動面的傾角在土層交界處會改變，砂層中的斷層滑動面傾角會比較大（圖 2. 17(a)）。 另外，單一砂層受斷層作用後的地表抬升量較多、斷層崖較陡，斷層滑動面傾向於 沿著既有的破裂面持續滑動，故地表影響範圍較小（圖 2. 17(b)）。
圖 2. 17 不同上覆土層之變形行為(a)第一條斷層滑動面發展情形(b)抬升比 0.14 時 的三角剪切帶範圍與破裂跡發展位置（Tali et al., 2019）
2.1.4 自由場小尺度數值分析
數值分析一開始使用連續體分析程式，鍾春富（2007）使用 ABAQUS2D探討單一 上覆土層之變形行為，探討的斷層傾角和土壤參數包括楊氏模數（E）、柏松比（ν）、
圖 2. 19 逆斷層砂箱試驗與 PFC3D 數值分析模擬(a)砂箱試驗(b)數值分析（Li el at., 2019）
Garcia & Bray（2018）利用離散元素法 PFC3D探討顆粒材料在直剪試驗中，以 及斷層錯動所產生的剪裂行為。其研究將土壤製作成非球形的顆粒集合（圖 2. 20）， 成功模擬出在直剪試驗中使用不同孔隙率土壤的壓縮與剪脹行為；在砂箱尺度數 值分析試驗中，藉由觀察土壤顆粒旋轉、摩擦消散、剪應變、體積應變與接觸力可 清楚的展現出斷層在覆土層中的剪裂帶（圖 2. 21）。
圖 2. 20 數值分析中的土壤顆粒形狀與粒徑分布（Garcia & Bray, 2018）
圖 2. 21 覆土層剪裂帶的發展情形（Garcia & Bray, 2018）
上述研究均將覆土層假設為單一種地層來討論斷層引致之上覆土層變形。
Mortazavi Zanjani & Soroush（2019）利用有限元素法探討地表變形與斷層破裂跡在 分層的不同緊密度之砂土層中的發展情形，土層模型由緊砂、中等緊砂和鬆砂以不 同厚度和與排列順序交疊而成（圖 2. 22）。結果顯示在逆斷層推動的緊砂時，斷層 跡在地表的位置較遠、土層中的變形區域較集中，鬆砂反之，而其他排列的地層變 形結果則介於鬆砂與緊砂之間。
圖 2. 22 不同緊密度之分層砂土層的地表變形（Mortazavi Zanjani & Soroush, 2019）
2.1.5 槽溝案例數值分析
使用離散元素法建立土層斷層錯動的數值模型有以下幾項優點：斷層錯動使 得土壤大變形時仍可持續運算，由顆粒元素組成的地層可以分離，地層受力後，發 生地層倒轉、變厚或變薄的現象可以真實呈現。Yang et al.（2014）利用二維離散 元素法（PFC2D）探討霧峰槽溝在地表附近形成之同震斷層擴展褶皺（圖 2. 23）。 首先透過數值方法建立雙軸試驗與直接剪力試驗來校正離散元素法中的微觀參數，
並討論顆粒鍵結模型與鍵結強度的適用性。研究成果將土層模型設定為顆粒接觸 鍵結模型（contact bond model），成功模擬出霧峰槽溝由盲斷層錯動造成的斷層擴 展褶皺構造，地層厚度變化、複雜的斷層破裂跡發展順序與褶皺前翼地層倒轉等變 形特徵（圖 2. 24）。
圖 2. 23 霧峰槽溝剖面與斷層破裂跡發展位置（Yang et al., 2014）
徐家祥（2016）亦利用二維離散元素法（PFC2D）討論竹山槽溝南北牆在構造 上的差異。數值分析模型之地層依照現地土樣的力學性質分為上層黏土層與下層 礫石層，由圓形鋼體顆粒與不同鍵結模型組成。研究成果將斷層假設為一次性錯動，
發現當主斷層傾角為 24 度時，礫石層主要受到側向應力擠壓，使得黏土層之向斜 軸受到截切，類似於北牆之構造演育；當主斷層傾角為 32 度時，礫石層傾向向上 推擠，黏土層之破裂方向傾向垂直方向，則類似於南牆的構造特徵（圖 2. 25，虛 線為斷層演育可能發展的趨勢）。
圖 2. 25 數值分析模擬竹山槽溝南北牆之構造差異（徐家祥，2016）
上述槽溝案例在數值分析中建置土層時，都先透過 PFC 進行力學試驗模擬，
基於現地土層力學性質轉換成離散元素法數值分析中合理的微觀參數。兩研究之 土層均由單一圓形顆粒組成，土層變形的結果都是由指準層與模型推動過程決定，
尚未考慮礫石層之組構特性。且竹山槽溝的模擬是假設斷層一次性錯動後的變形 趨勢，但實際上竹山槽溝紀錄共 5 次地震事件，值得進一步分階段探討。
2.2 礫石層之組構分類與工程特性
台灣西部的卵礫石層主要分布於西北部與中部之台地及麓山帶丘陵地，礫石 顆粒形狀呈橢球狀至微扁平狀（Woo et al., 1982；禇炳麟，1982）。透過水流搬運沉 積的礫石長軸有接近水平的特性，而礫石之間有時候可能會以低角度互相重疊形 關係；Chang & Cheng（2014）利用現地卵礫石層之坡度與坡高評估其剪力強度，
並由野外量測之基質強度、拍攝現地礫石層照片進行影像分析取得之礫石含量與 粒徑分布等地質特性進行迴歸分析，建立卵礫石層之組成與強度關係。
卵礫石層的強度亦可透過現地或室內試驗來評估，Lin et al.（1998）利用現地 平鈑載重試驗求取礫石層的地基反力；Lin et al.（2000）透過物理試驗求取礫石層 的剪力模數與剪應變的關係；Chu et al.（2010）利用排水三軸試驗探討在純剪力下 的礫質土壤變形行為；Chang et al.（2015）利用震波波速取得彈性力學相關參數，
並從礫石層之坡度與坡高反算地層之剪力強度。
國內對於卵礫石層的探勘、調查、試驗、分類與分析方法至今仍無標準規範可 循，過去文獻多以不同方式探討卵礫石層的工程特性，彙整影響礫石層之強度及變 形性的因素包含：礫石粒徑大小、形狀及排列因素、礫石與基質含量、基質成份與 基質物理性質等，本研究選擇礫石之形狀及排列因素與礫石體積含量作為礫石層
2.3 礫石層之顆粒力學模擬與應用
26）。Chang et al.（2003）利用離散元素法發展出複合圓形顆粒模式（Multi-Circle Granule Model, MCGM）探討二維不規則形狀卵礫石堆積層之力學分析，透過自由 落體試驗、落門試驗與室內直剪試驗探討顆粒形狀對力學行為的影響。研究結果顯
圖 2. 26 垂直與水平沉積排列之礫石層開挖結果（陳修，1995）
圖 2. 27 不同顆粒形狀之自由落體試驗（Chang et al., 2003）
圖 2. 27 不同顆粒形狀之自由落體試驗（Chang et al., 2003）