1
土壤液化調查評估技術之研發與整合 –總計畫
Development and Improvements of Evaluation Techniques for Soil Liquefaction
計畫編號：NSC 92-2211-E-006-042執行時間：92/08/01-93/07/31
主持人：倪勝火 國立成功大學土木工程學系教授 一、中文摘要（關鍵詞：土壤液化、現地試驗、
液化潛能評估、現地土壤液化試驗）
因土壤液化本身之複雜性與現有液化潛能評估 法之不確定性，土壤液化評估一直是大地地震工程 中具高度挑戰性之課題之一。本研究除延續前期”
集集地震土壤液化總評估研究”之觀測並加以應用 外，並將整合不同現地土壤參數液化評估方法佐以 室內動態試驗與機率式液化潛能評估模式，研發新 型土壤液化調查評估技術與方法。
本整合型計畫為期三年，集合國內四所大學之學 者，工作內容共分成土壤現地試驗參數之量測、現 地土壤液化量測與試驗、室內土壤液化試驗及液化 潛能分析方法之改進等四大項。分成室內動態試 驗、現地試驗與液化潛能分析三大研究群，第一年 度經核定共有三個子計畫，這些子計畫之名稱如下：
1. 土壤液化監測資料庫之建立與動態行動反算分析 法之研究
2. 礫石性砂土剪力波速量測及其液化潛能分析之研 究
3. 現地土壤液化試驗之發展與應用
二、英文摘要（Keywords: soil liquefaction, in situ test, evaluation of liquefaction potential, in situ liquefaction test）
Soil liquefaction is one of the most challenging issues in geotechnical earthquake engineering because of the complexities of the liquefaction mechanism and the uncertainties associated with the current evaluation techniques for liquefaction evaluation .This research is the extension the previous three years project –
“Evaluation of Soil Liquefaction during Chi-Chi Earthquake”. In spite of continuing the operation of the field liquefaction monitoring station and developing the procedures for data reduction, the proposed research will focus on developing a new dynamic liquefaction test and improving the current evaluation techniques.
The proposed three-year project assembles researchers from six universities. To achieve the goals of developing integrated evaluation procedures for soil liquefaction, the four tasks of the research are:
implementation of site characterization techniques for liquefaction evaluation, Establishment of data reduction procedure for field array and development of an in situ dynamic liquefaction test, verification using laboratory dynamic experiments, and modification of the analytical procedures in assessing the potential of sand liquefaction.
Under the central theme of this research, the three sub-projects are divided into three research groups:
laboratory dynamic testing, in situ testing, and analytical procedure teams. The titles of the sub-projects are:
1. The study of management and back-calculation of liquefaction monitoring data-based.
2. In situ shear wave velocity measurement and liquefaction evaluation procedure for gravelly sand.
3. Development and implementations of an in situ dynamic liquefaction test.
三、前言
土壤液化為飽和非凝聚性土壤在反覆荷重下因 土壤結構改變激發超額孔隙水壓力，致使有效應力 及土壤強度降低而產生明顯變形甚至成流體狀行 為，與土壤液化有關之災害包括噴砂、側向流動、
結構物損害、擋土結構破壞及地滑等。在 921 集集 大地震後，在中投彰雲四縣共 13 鄉鎮有土壤液化之 現象(國家地震中心 2000)。自 1964 年日本 Niigata 地震起，國內外學者開始對土壤液化進行大規模研 究，且在液化潛能評估法（如 Seed and Idriss, 1971, Dobry et al., 1982）、液化土層地盤動態反應（如 Seed and Idriss, 1967, Finn et al., 1977,及 Zienkiewicz et al., 1990）與液化土層地盤改良(如 Seed and Brooker 1977, Mitchell et al., 1995)等領域已有相當之進展，
然而因土壤液化本身之複雜性與現有液化潛能評估 法之不確定性，土壤液化評估一直是大地地震工程 中具高度挑戰性之課題之一。
本整合型計畫為期三年，集合國內四所大學之 學者，分成三個子題，除延續前期”集集地震土壤液 化總評估研究”之觀測並加以應用外，並將整合不同 現地土壤參數液化評估方法佐以室內動態試驗與機 率式液化潛能評估模式，研發新型土壤液化調查評 估技術與方法。本計畫預計於 92 年 8 月開始執行，
以下就本期研究成果做一扼要敘述。
四、各子計畫執行成果
4.1 子計畫一: 土壤液化監測資料庫之建立與動態行 動反算分析法之研究
本研究之主要重點將在未來可能比較容易發生 大地震之嘉南地區現場進行調查並尋找一個比較在
2 地震中容易發生土壤液化之地點，此地點為台南縣 後壁鄉菁寮村，安裝監測儀器，以研究土壤發生液 化之行為與機制，而其監測收集之資料可供進一步 之研究與分析反算現場之土壤特性，以對於土壤發 生之液化行為與機制有更進一步之瞭解，以作為評 估本土液化準則之參考。
菁寮村在 1999 年 10 月 22 日發生地震後，曾於 該區域鑽探一孔，深 20m，獲得之詳細之地質鑽探 記錄、鑽探及試驗報告。此地點在地表及三個深度 各埋設一個水壓計及一個三方向之地動監測儀，資 料蒐集以一個 16 通道之電腦自動資料蒐集器全時監 控進行，儀器維護，電力供應及資料之下載則以人 工進行。
本監測計畫孔位安裝之地點位於台南縣後壁鄉 菁寮村，土地之租用已於 91 年六月與地主簽約租 用，監測儀器之安裝於七月完成，目前電腦自動擷 取振動資料程式除測試除錯外，資料的監測擷取正 進行中，由於現場監測工作需持續進行，監測儀器 亦需維護正常運轉，而取得之資料亦需有效管理運 用，以資供有興趣之專業界方便共同使用而監測所 獲得之資料亦作研究分析。
本研究計畫之主要目的為維護現場監測儀器正 常運轉及資料擷取，並將資料進行研究分析。現場 監測之結果/資料除了（1）瞭解土壤液化前及液化後 之力學行為與其機制外，（2）其結果可驗證或評估 現行使用之液化評估法之可靠性，（3）對以往孔隙 水壓力上升門檻應變（threshold strain）之觀點可予 以評估，（4）瞭解液化前後土層振動反應之特性，
（5）利用振動結果反算現場之土壤動態性質，（6）
計算局部土壤工址放大效應，（7）瞭解液化前後，
土層之沈陷壓縮變形情形，亦即瞭解土層內因液化 產生之沈陷等變形行為。
由於本研究之現場液化監測儀器已安裝完成，
為使計畫順利進行，本計畫之研究方法說明如下：
1. 維護監測儀器之正常運作，由於儀器埋設 地點較 為偏遠，因此，除了上網監控儀器之是否正常運 作外，並請臨時工不定期巡視維護儀器之正常，
除此外，每三個月至現場對儀器進行校正工作，
並整理硬碟之監測資料。
2. 將監測記錄所得之資料以 Access 資料庫系統建立 資料庫，並將其上網，供有興趣之學者在網站上 下載使用。
3. 監測資料之分析，地震動肇致孔隙水壓力上升、
震動經土層之傳播反應 及地震動引致土層之沉陷 為本監測資料分析之主要分析重點。
4. 土層動態性質之反算評估
本 計 畫 之 反 算 分 析 主 要 將 使 用 系 統 辨 識 (system identification)技術，使用分析之過程如下：
(1) 對任一次之地震記錄到將以 SHAKE 程式 先行 分析，以校核其計算值與量測值之差異。
(2) 系統辨識技術對相鄰兩量測值分別作為輸入及 輸出值，並反算其介質土層)之動態性質。
(3) 以反算所得之動態性質再以 SHAKE 計算其反應 值，此反應值再以量測值比較求其誤差值。
(4) 重複 2 至(4)之步驟直至求取之誤差值至可接受 為止。
(5) 比較各地震記錄所求取同一土層之動態性質，並 作變異性分析。
(6) 如變異性太大，除修正計算之參數外，並考慮評 估所採用之反算模式是否適當？或需重新尋找 一更適當之反算模式，重新進行評估。
5. 孔隙水壓力激發之行為
Seed and Booker (1977) 和 DeAlba, Chan, and Seed (1975) 曾以週期純剪試驗(Cyclic Simple Shear test) 量測飽和砂土層在土壤液化時，孔隙水壓力上 升之行為，並導得平均孔隙水壓力 Ug 之上升率可 以下式表示：
0.5
2 1 g sin
v i
U N
N
α
σ π
−⎛ ⎞
=⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎜⎝ ⎟⎠
上式中，σv 為土層之旁束應力，N 為土層承受之 剪應力之週期數，Ni為需要引致初始液化之剪應力 週期數。
由以上之公式，可簡易預測土層承受任一剪應力 大小及週期數將激發孔隙水壓力大小。然而藉著現 場之監測值孔隙水壓力)，應可校核此激發孔隙水壓 力之行為是否如上式所預測，而其偏差值為多少，
此公式之適用性如何？是否有其他更適當之模式 等，這些問題有待現場地震引致地層振動之資料庫 來作一驗証及評估。另外，門檻孔隙水壓力之存在 與否？若存在，其值應為多少？藉著現場之量測應 可獲得一些答案。
在進行此一問題之分析，本計畫擬採用之方法 如下：
(1) 在現場取樣進行動力三軸試驗，以求取週期剪應 力比與初始液化週期數之關係。
(2) 進行現場之表面波頻譜試驗等，求取土層之剪力 波速。
(3) 對 任 一 監 測 之 地 震 記 錄 計 算 其 加 速 度 及 剪 應 力，並藉由質點速度與土層波速計算土層承受之 應變。
(4) 由量測值取出其孔隙水壓力值，並求出由該地震 記錄所激發之超額孔隙水壓力。
(5) 評估其孔隙水壓力之激發量與適用模式。
(6) 將 每 次 地 震 所 得 之 激 發 量 及 門 檻 值 建 立 資 料 庫，以供評估及分析使用。
本年度由於起始監測及未發生較大之地震，因 此，尚未頡取到有價值之地震液化資料，而本年度 主要工作在導衍動態行動反算分析之方法及監測儀 器和軟體之除錯工作等。
93 年 7 月 1 日督敏莉颱風來襲，颱風行進北上 期間於 2 日至 4 日間引進強烈西南氣流，台灣西南 部降下豪雨，致使地表排水不及。而該量測站設置
3 地點鄰近八掌溪堤岸，受風災挾帶而來之水災影 響，該測站原設置之設備（不斷電系統、電腦主機、
螢幕及訊號處理器等設備）均因風災而損壞。
風災後經整理發現電腦主機板、記憶體、電源供 應器、不斷電系統、ADSL 數據機損壞、只餘資料擷 取卡及硬碟尚可使用。另外、原埋設之儀器線路，
經協調東源科技公司進行檢測發現，有部分線路通 道已損壞，可能是感測器線路由於泡水而導致短路 之現象，因此部分通道無法提供正確之量測結果，
惟地表下埋設儀器之貴重，考量其使用之價值與裝 設之不易，故擬予全面將其修復後，持續進行強震 及孔隙水壓激發行為之監測。
4.2 子計畫二: 礫石性砂土剪力波速量測及其液化潛 能分析之研究
礫石土層在本島分佈範圍極為廣闊，諸如河谷、
平原、台地與丘陵區，其中尤以位於中央山脈以西 之山麓丘陵地、台地與各河川流域等地區，屬於政、
經、文、教中心，亦是各項工程建設之重要位置。
本島地震活動甚為頻繁，1999 年 9 月 21 日，台灣發 生百年來災害最嚴重之集集大地震，地震規模（Mw） 達到 7.3，造成廣泛且嚴重之災害，並在南投、霧峰 眾多液化案例中，發現較為罕見之礫石土層液化現 象。有關礫石土之液化案例及相關文獻較少，對 其力學機制之瞭解不如一般土壤，故本研究對此進 行深入探討，期能降低礫石土液化所造成之損失 並提供未來耐震設計之參考。
本研究選定台中縣霧峰鄉福田橋下高灘地為 研究場址，進行現地取樣，一般礫石土之最大粒 徑（Dmax）常大於一般三軸室尺寸，故以等重量 替代法模擬現場粒徑分佈曲線，進行室內三軸抗 液化強度試驗，同時量測其剪力波速（Vs），探 討不同礫石含量（GC）與不同相對密度（Dr）對 剪力波速之影響，並利用 Andrus & Stokoe（2000）
提出之液化評估法進行資料分析，最後再與黃群凱
（2001）室內重模土抗液化強度結果比較，以建 立適用於台灣本土之礫石土液化評估模式。
室內試驗結果顯示：針對不同相對密度之純砂 進行試驗，發現隨相對密度之增加，液化阻抗強 度愈高，剪力波速亦隨之增大；於反覆荷重作用 下，砂土產生液化、顆粒重新排列且趨於緊密，
剪力波速亦於液化前後具明顯改變，相對密度愈 小之砂土液化前後之剪力波速變化愈大。
礫 石 土 之 剪 力 波 速 在 反 覆 加 載 前 後 改 變 較 不 明 顯，且礫石含量愈大在反覆加載前後之剪力波速 變化愈不明顯，若礫石土中之礫石顆粒愈靠近，
則填充於礫石間之砂土就愈難移動，可見礫石含 量為影響地震前後剪力波速變化之主因。
由室內試驗亦發現，礫石含量愈大（GC=20%、
40%及 60%）之試體，橡皮膜貫入效應亦愈大，
其阻滯孔隙水壓之激發，影響試驗結果甚鉅。本
研究採用透明膠片環繞於試體周圍以降低橡皮膜 貫入效應，使孔隙水壓之激發快速，效果明顯且 方便。
將室內試驗結果與施元瑋（2004）現場表面波 譜法（SASW）量測結果及 Andrus & Stokoe 礫石部 份之資料進行最小錯誤分類法分析，初步得到修正 後之抗液化強度 CRR7.5之公式如下：
( ) ⎥⎦⎤
⎢⎣
⎡ −
+ −
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛
1 1 1 2
1 5
. 7
1 8 1
. 100 1 045 . 0
S S C S S
V V V CRR V
其 中 ， Vs1為 正 規 化 後 之 剪 力 波 速 ， 修 正 後 之 a=0.045、b=0.18、Vs1c=255 m/s，最後進行液化潛能 評估，在地震加速度 0.79g、0.5g 之情況下，其安全 係數分別為 FS0.79g=0.28、FS0.5g=0.44，其安全係數 均小於 1，表示現地確實存在液化潛能，與現地發生 液化之事實相符，證明修正後之抗液化強度 CRR7.5 公式較適合台灣礫石土液化潛能評估。
4.3 子計畫三: 受震後土壤阻抗與沉陷之研究現地土 壤液化試驗之發展與應用
本計畫之目標為發展可量測現地剪應變量與孔 隙水壓力激發關係曲線之現地土壤液化試驗方法，
以克服現有室內土壤液化實驗如動力三軸、振動台 等程序中因受限於試體尺寸、土壤擾動，受力狀態 等影響，與實務上利用現地試驗（如 SPT、CPT 及 剪力波速量測）與半經驗公式評估液化潛能之方法 不確定性。試驗程序為利用大型可控制之人造震 源，對預先埋置感應器之潛在液化區域施加反覆動 態荷重，藉由同時量測土壤顆粒之振動與孔隙水壓 力激發歷時，量測土壤結構與孔隙水壓力激發之耦 合(coupled)行為。計畫執行效益包括可用於驗證現 有液化潛能評估方法，並可延伸至量化評估液化土 層地盤改良成效等液化相關研究，而相關之試驗程 序與儀器亦可引用於現地土壤動態特性量測與地盤 反應，高科技廠區隔、減振等大地地震工程領域，
且 其 研 究 整 合 現 地 探 勘 技 術 (site characterization techniques)，應用地球物理(applied geophysics)，機 電 整 合 與 自 動 控 制 ， 大 地 地 震 工 程 (geotechnical earthquake engineering)等相關領域，對提升國內地震 工程技術應有相當之助益。
現 地 土壤 液化 試 驗系 統包 括 大型 震盪 震 源車 vibroseis) 、 自 動 資 料 擷 取 系 統 (automatic data acquisition system) 、 液 化 感 測 子 (liquefaction sensor)，訊號與資料處理程序(signal processing and data reduction procedures)。試驗以震盪震源車施加固 定頻率與震幅之反覆荷重於地表，產生之震動以應 力波形式傳遞至裝置液化感測子之土層，使土層因 擾動產生反覆剪應變並激發孔隙水壓力，由液化感 測子與搭配之高速自動資料擷取系統紀錄地盤動態 反應與孔隙水壓力變化量測，所擷取之資料再以分
4 散訊號處理 (discrete signal processing)方法將所需之 訊號轉換成物理量(如顆粒速度、孔隙水壓力等)並將 雜訊濾除，最後以所發展之資料處理(data reduction) 程式由量測之物理量推估剪應變量與孔隙水壓力比 等，試驗時所施加之動態荷重由小漸增，重複試驗 程序，建立現地孔隙水壓力激發曲線、門檻剪應變 量(threshold shear strain)、孔隙水壓力消散行為等與 液化相關之特徵。並由現地量測之土壤剪應變與孔 隙水壓比關係曲線，應用於以反覆剪應變為主之液 化 評 估 方 法 (cyclic strain approach) (Dobry et al.
1982)，此方法之優點為將地震波形、延時、土壤非 線性行為等效應一併考量。
本計畫原規劃為三年期計畫，計畫第一年之項目 與預期完成之成果包括：（1）對此研究之相關文獻 作一全面回顧；（2）液化感測子與相關量測附件製 造及測試完成；（3）自動資料擷取系統建構及整合；
（4）進行重模試坑試驗與完成系統整合；（5）開 發與完成訊號與資料處理程式。本年度已完成相關 液化機制與現地土壤液化試驗之文獻回顧，並設計 與組裝可同時量測地盤震動與動態孔隙水壓力之液 化感測子 3 組與搭配之飽和率定槽(saturation and calibration chamber)及安裝桿(installation rod)。所需 之自動資料擷取系統為以 NI 之 Labview 與 SCXI 信 號制約系統整合測試完畢，並已向暨南國際大學借 用一 30m×30m 之空地進行為重模試坑試驗場，完成 試坑開挖、震源基礎灌漿、體積量測與水電管線，
試體將以越南砂重模，相關試體準備程序，儀器安 裝，試體物理特性與波速量測等工作已完成並完成 試體安裝，並由落錘試驗完成系統驗證與試體物理 特性量測。相關資料處理程序已完成程式撰寫與測 試。除重模試坑試驗稍有延誤外，原規劃目標已完 成大部分內容。
試驗所需之大型震盪震源車，已向中國石油公司 完成租借手續，但因為配合中油震測處之試驗時 程，試驗需延至 10 月中旬方可進行，因此先以怪手 於震源基礎施加荷重進行近似衝擊震源之試驗，量 測於試體內之產生應變量，因能量有限，所得最大 剪應變僅約為 0.006％，仍無法激發顯著殘餘孔隙水 壓力，但孔隙水壓計之紀錄仍可得到與速度計同相 (in phase)之壓力，顯示監測系統可達到紀錄土壤結 構與孔隙水壓力激發之耦合(coupled)行為之功能。
雖然第一年因震盪震源車租借使得計畫執行有所延 宕，但相關量測系統與分析程序已完成，且並不影 響第二年規劃現地土壤液化試驗進行時程，應可於 第二年前半趕上進度。計畫中得到有關於動態孔隙 水壓力影響因子量化研究、剪應變量估算方法發展 與驗證與土壤受剪力作用下非線性特性現地量測等 已著手整理並將投稿於相關期刊與研討會。
五、結論
本土壤液化調查評估技術之研發與整合群原申
請計有七個子計畫三年執行期限，經核定三個子計 畫，此三個子計畫在本年度均穫致初步結果與成 效。然而，子計畫一之土壤液化監測儀器在 93 年 7 月 2 日督敏莉颱風來襲後，颱風造成之水災將量測 站設置之設備（不斷電系統、電腦主機、螢幕及訊 號處理器等設備）全數淹沒而損壞，在未來需予全 面將其修復，並持續進行強震及孔隙水壓激發行為 之監測。而本土壤液化調查評估技術之研發與整合 群，由於下年度未能穫核定繼續補助研究，而不得 不劃下休止符，殊為可惜。
參考文獻
1. 國家地震工程研究中心 (2000), “921 集集大地震 大地工程災害調查報告”
2. DeAlba, P., Chan, C. K., and Seed, H. B. (1975),
“Determination of Soil Liquefaction Characteristics by Large Scale Laboratory Test,” Report No. EERC 75-14, Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, California
3. Dobry, R., Ladd, R. S., Yokel, F. Y., Chung, R. M., and Powell, D. (1982), “Prediction of pore water pressure buildup and liquefaction of sands during earthquake by the cyclic strain method,” NBS Builing Science Series 138, National Bureau of Standards, Gaithersburg, Maryland, 150 pp.
4. Finn, W. D. L., Lee, K. W., and Martin, G. R. (1977),
“An effective stress model for liquefaction,” Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 103, No. GT6, pp. 517-533.
5. Mitchell, J. K., Baxter, C. D. P., and Munson, T. C.
(1995), “Performance of improved ground during earthquakes,” Soil Improvement for Liquefaction Hazaed Mitigation, Geotech Special Pub. No. 49, ASCE, pp. 1-36.
6. Seed, H. B., and Idriss, I. M. (1967), “Analysis of soil liquefaction: Niigata Earthquake,” Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol. 93, No. SM3, pp. 83-108.
7. Seed, H. B. and Idriss, I. M. (1971), “Simplified Procedure for Evaluation Soil Liquefaction Potential,” JSMFD, ASCE, Vol.97, No.SM9, pp.1249-1273.
8. Seed, H. B. and Brooker, J.R. (1977), “Stabilization of potentially liquefiable sand deposits using gravel drains,” Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 103, No. GT7, pp. 757-768.
9. Zienkiewicz, O. C., Chan, A. H. C., Pastor M., Paul, D. K., and Shiomi T. (1990), “Static and dynamic behaviour of geometerials – a rational approach to quantitative solutions, part-1 fully saturated problems,” Proc. Royal Society of London, A429, pp.
285-309.
