達到此臨界孔隙比時的土壤狀態，稱之為臨界狀態（critical state）。因此 當砂土受剪時，若其孔隙比大於臨界孔隙比，體積會因振動趨於緊密，若 於不排水狀況下，超額孔隙水壓就會增加。根據有效應力概念，即
v’ =
−u，其中，
v’為有效應力，
為總應力，u為超額孔隙水壓，若總應力保持不變，而超額孔隙水壓持續增加到與總應力相等，則有效應力降為零，而此時土 壤不具有剪力強度並呈現液體狀態。
Seed（1979）[2]將液化依發生機制分成兩種情況：
(1)初始液化（initial liquefaction）：此種現象主要發生於飽和疏鬆砂土 層中，當土層受到衝擊性或反覆性之動態載重作用而激發超額孔隙水壓，
若瞬時間土壤孔隙水無法即時排除，當超額孔隙水壓力等於土壤有效應力 時即稱為初始液化。
(2)反覆流動性（cyclic mobility）：此種現象主要發生於飽和中等緊密 或緊密砂土層，當土層受到持續反覆載重作用且達初始液化時，其後反覆 作用力使土體產生某範圍內的反覆應變(limited strain)，此種狀況的產生原 因係因土壤的殘留強度，或是土壤的剪脹特性產生負值孔隙水壓而使得有 效應力增加所導致。
美國國家研究委員會(NRC, 1985)[3]也整理出8種地震引致土壤液化之
災害種類，分別是：(1)噴砂(sand boil)、(2)流動破壞(flow failure)、(3)輕微 傾 斜 地 盤 的 側 潰 破 壞(lateral spreading)、(4)水平地盤上地盤反覆振盪 (ground oscillation)、(5)承載力損失造成基礎破壞、(6)因浮力造成沉埋管線 或結構物上浮破壞、(7)地盤沉陷以及(8)擋土結構物破壞等。
1999年9月21日發生在臺灣的集集地震，是臺灣歷史上規模最大的土 壤液化案例，其影響範圍遍及中部各縣市，造成員林、南投、霧峰、太平 一帶因土壤液化而使房舍受損，而臺中港1~4碼頭亦因土壤液化而受損進 而影響營運。根據震後調查因土壤液化引致災害現象如圖2.2[4]所示，若依 地盤受地震液化作用引致變位型態，主要可分為兩類：(1)水平地盤中常會 造成噴砂與地盤沉陷等現象，經常造成房舍下陷與傾斜，以及地下管線斷 裂或上浮等破壞；(2)在傾斜地盤中則由於液化土壤失去強度，土層則因重 力或慣性力作用而產生側潰甚至流動破壞，由高程高的地方往高程較低的 一方發生側向變位，因而造成道路與農田開裂或塌陷，橋墩傾斜下陷與落 橋、擋土牆、堤防及河岸邊之結構物崩塌傾覆等破壞。例如在921集集地震 時，台中港沉箱碼頭的外移，雲林鎮崙雅里、霧峰鄉四德路、太平鄉光隆 橋附近、南投縣軍功里與振興里之建築物嚴重沉陷、傾斜及側移，霧峰鄉 旱溪河岸太子城堡社區因地盤流動而嚴重滑移、沉陷及傾斜等都是此類破 壞典型的例子。
2.2 液化土層中樁基礎受震行為
2.2.1 液化土壤中樁基礎之受力行為
地震發生時，若地盤產生液化，其對樁基礎影響為相當複雜之機制，
根據Tokimatsu and Asaka（1998）[5]及Abdoun and Dobry（2002）[6]的研 究，其影響大致可分為三個時期：(1)在地震的前期，地盤內部所激發之超
作用而變得較小，地盤之受震反覆變位則會因土壤弱化而明顯變大；(3)當 地震停止後，樁基礎主要受力來源為地盤流動所產生之永久變位，而不再 承受上部結構之慣性力。圖2.3為地震引致土壤液化過程中液化土壤、樁基 礎與上部結構互制作用示意圖。
由上述之階段性影響，樁基礎受地盤液化影響可分為兩類：(1)水平地 盤：水平地盤較常造成地盤的沉陷或結構物的傾斜，因此對於樁基礎的影 響主要視土層液化深度的影響，若僅是較淺層的液化，基樁可能因為損失 部分樁周摩擦承載力而造成沉陷量略為增加；若液化深度超過樁基礎底部，
則樁基礎可能因底部承載力降低而發生嚴重的沉陷。(2)傾斜地盤：在河岸 區域或有地形高差之地盤，若發生液化則容易造成地盤側潰甚至流動破壞，
而有較嚴重之災情。此時地盤因運動效應造成之地盤變位則會對樁基礎產 生側向作用力。若地盤是完全液化的情況，則地盤變位對於樁基礎作用力 則相對較小，而若土壤表層為非液化層，僅有其下土層發生液化時，則上 部之非液化層則會造成樁基礎較大的側向作用力。
2.2.2 液化土壤中樁基礎破壞機制
Tokimatsu et al.（1996）[8]根據過去重大震災後調查報告歸納出八種樁 基礎在可能液化地盤中之破壞機制，如圖 2.4 所示。由這些破壞機制中發 現除垂直承載力與地表沉陷引致之負摩擦力破壞外，造成樁基礎破壞的主
要兩個來源分別為上部結構引致之慣性力與地盤變位所造成樁身變形之 作用力。
Bhattacharya（2003）[9]根據離心模型試驗結果與震災調查案例反算結 果，提出樁基礎在液化土層中亦可能產生挫屈（buckling）破壞之結構不穩 定問題，圖2.5 為離心模型試驗中基樁挫屈破壞情況。Lin et al.（2005）[10]
使用溫克基礎模式進行液化側潰引致基樁破壞案例進行反算分析，結果發 現日本新瀉昭和大橋(Showa bridge)之案例應為土壤液化後樁基礎失去圍 束，同時亦承受過大之軸向力作用而導致挫屈破壞。因此，考慮樁基礎在 可能液化土層中之設計則有必要再進行樁基礎挫屈之穩定性檢核。
Haldar et al.(2010)[11]以有限差分軟體 FLAC 以二維平面應變假設下進 行液化土層中樁基礎破壞模式之參數分析，主要針對彎矩破壞以及挫屈破 壞兩種主要潛在破壞模式探討。Haldar et al.指出在可能液化土層中樁基礎 之破壞模式受液化土層深度影響甚鉅。然而，土層動態特性、地震之顯著 頻率以及最大地表加速度皆會影響液化土層之深度。因此，若要了解基樁 在液化土層中之破壞型式，則需同時考慮土層、基樁以及地震的動態特性 等參數。
2.3 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
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