集集地震土壤液化總評估研究(I)---子計畫十二：台灣西部粉土質砂液化行為及評估準則之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告 集集地震土壤液化總評估研究(I)

子計畫十二：台灣西部粉土質砂土液化行為及評估準則之研究 計畫編號：NSC 89-2211-E-011-083

執行期限：89 年 08 月 01 日至 90 年 07 月 31 日

主 持 人：陳堯中 教授 國立台灣科技大學營建工程系 共同主持人：廖洪鈞 教授 國立台灣科技大學營建工程系 共同主持人：游步上 助理教授 私立四海工商專校土木科 研 究 助 理：林慶豐 黃朝聰

摘要

本研究針對員林粉土質砂之重模土 樣，利用動力三軸試驗儀進行液化阻抗試 驗，探討相對密度、細粒料含量及冰凍- 融解過程對砂土液化阻抗之影響。再者，

以共振柱試驗儀進行共振柱試驗，探討平 均有效圍壓、相對密度、細粒料含量及冰 凍-融解過程對砂土最大剪力模數之影 響，並建立最大剪力模數與液化阻抗之關 係。依據本研究結果顯示，在相同的含水 量條件下，砂土冰凍時之膨脹量隨相對密 度及細粒料含量之增加而增加。冰凍-融 解過程會降低砂土之液化阻抗，其影響程 度隨相對密度之增加而增加；砂土之最大 剪力模數則隨細粒料含量及冰凍-融解過 程而降低。

關鍵字：砂土、冰凍融解、液化阻抗、最 大剪力模數

ABSTRACT

This research performed triaxial tests on remolded specimens of the silty sand recovered from Yuen-Lin town. Dynamic triaxial tests were performed to study the effects of relative density, fines content and freeze-thaw process on the liquefaction resistance. Resonant column tests were performed to study the effects of mean confining pressure, relative density, fines

content and freeze-thaw process on the maximun shear modulus. The relationships between maximun shear modulus and liquefaction resistance were established.

According to the test results, the expansion due to freezing increases with an increase in relative density and fines content of sand at the condition of same water content. Freeze-thaw process would decrease the liquefaction resistance, its influence increases with increasing relative density. Maximun shear modulus decreases with increasing fines content and decreases after freeze-thaw process.

Key wor ds: Sand、Freeze-Thaw、

Liquefaction Resistance、Maximun shear modulus

一、前言

目前國內在砂土試體取樣方面，仍以 薄管直接取得試體後，在予以冰凍運回實 驗室，此種取樣方式事實上已經對砂土之 密度及組構產生很大的擾動，所以其試驗 數據很難精確的反應現地土壤之情況。因 此，如何取得真正之不擾動砂土試體，相 關研究實為當務之急。

依據國外之經驗顯示，欲求得高品質

-2-

本研究即針對員林崙雅里之粉土質 砂土，探討砂土之液化阻抗與最大剪力模 數受冰凍-融解過程之影響，並找出砂土之 液化阻抗與最大剪力模數之關係，以評估 利用最大剪力模數預測液化阻抗之可行 性。

二、文獻回顧

2.1 土壤冰凍之膨脹行為

Yoshimi and Goto (1996)探討細粒料 含量對冰凍-融解過程中試體體積變化之 影響，如圖 1所示。圖中顯示冰凍時試體 體積增加與融解時試體體積減少，二者之 變化量大致相同，且細粒料含量越高體積 變化越大。

圖 1 飽和砂土於冰凍-融解過程中之體積變化

（摘自 Yoshimi and Goto ，1996）

2.2 冰凍時有效圍壓及細粒料含量之影響 Goto（1993）指出隨細粒料含量的增 加其液化阻抗降低，同時亦指出於冰凍- 融解的過程中之有效圍壓越大，則所得之 液化阻抗越高，如圖 2所示。Yoshimi and Goto (1996)以 Toyoura 砂混合不同比例之

細粒料進行試驗，結果得到冰凍前試體之 液化阻抗會高於冰凍-融解後之試體，且隨 著細粒料的增加而使其差值增大。

圖 2 粉土含量及有效圍壓對液化阻抗之影響

（摘自 Goto，1993）

三、試驗計畫 3.1 試驗土樣

本研究所採用之試驗土樣係重模土 樣，取自於彰化縣員林鎮崙雅里崙雅巷因 921 集集地震造成噴砂之水井的土樣，屬 於黃褐色粉質細砂，其顆粒形狀為片狀現 地土樣細粒料含量為 4.6%。為建立該地土 壤之性質，並配合前人研究，因此以過篩 方式調配土樣，以控制其細粒料含量分別 為 5％及 20％；並且依據 ASTM D451-85 進行篩分析試驗，該土樣之顆粒粒徑分佈 曲線如圖 3所示，相關之物理性質如表 1 所示。

10 1 0.1 0.01 0.001

Grain Size (mm)

0.2 0.4 0.6 0.8 1

PassingbyWeight

F.C=5%

F.C=20%

圖 3 顆粒粒徑分佈曲線

表 1 試驗/分析土樣之基本物理性質

細粒料含量 5％ 20％

D

60

₅₀

₃₀

（mm）

D

₁₀

_u

c

_s

_max

min

3.2 室內試驗計畫

首先，由基本物理性質試驗建立該地 土樣之基本性質後，再以濕搗法之方式製 作實心試體。冰凍試體之製作方式，則係 將濕搗法製成之試體置於冰櫃中 24 小 時，且量測試體冰凍前後之高度變化。為 了解試體在冰凍前後之體積變化，另外製 作直徑 5 ㎝、高度 10 ㎝之試體，除量測 冰凍前後之高度變化外，再將冰凍試體靜 置 2 小時，待其融解後量測試體高度減少 量，以找出冰凍-融解過程試體高度之變化 情形。

本研究擬針對所取之土樣進行動力 三軸試驗及共振柱試驗，以探討砂土於不 同試體密度、細粒料含量及受冰凍-融解過 程對液化阻抗及最大剪力模數之影響。

3.3 試體準備方法

於相同的條件下，分別用三種不同的 方式來準備試體，敘述如下：

1.濕搗法試體

（1） 依 照 粒 徑 分 佈 曲 線 各 粒 徑 之 含 量，秤取適當之烘乾砂並加入 5％之 水均勻混合，並將土樣分成 5 等分，

分別置於密封容器中靜置一天。

（2） 將土樣分層在分裂模中夯實，直至

預定之高度，試體完成後之直徑與高 度分別為 5 ㎝及 10 ㎝(動力三軸試 體)，7.1 ㎝及 19.5 ㎝（共振柱試體）

2.低含水量冰凍試體

如上述步驟，但利用一獨立之分裂模 製作試體，試體製作完成之後，將之置於 冰凍櫃（-20℃）24 小時，此試體稱為低 含水量冰凍試體。因為共振柱試體尺寸較 大（D=7.1cm、H=19.5cm），當製作低含 水量冰凍試體時，在拆模時候會使試體產 生裂痕，造成試體受到損壞，所以僅在動 力三軸試驗製作低含水量冰凍試體。

3.高含水量冰凍試體

同上所述，唯一不同的是在冰凍前，

將分裂模置於水盆中，使試體僅底部接觸 水，利用砂土之毛細現象使試體能夠擁有 較高的含水量，待試體頂部濾紙濕潤時，

再將之置於冰凍櫃（-20℃）24 小時，此 試體稱為高含水量冰凍試體。

3.4 現地冰凍取樣之步驟

本研究將進行現地冰凍取樣方法之 研究，詳細之實驗步驟如下所述：

1. 利用柴油式鑽機配合人工重力沖洗鑽 出冰凍管放管位置及取樣孔位置(於 此階段過程中須特別注意孔位之鉛直 度)並用此位置之鑽孔先勘查現地之 地質以決定砂土取樣之位置，並判斷 地下水位之位置以及現地砂土之含水 量，依此作為判斷液態氮使用量之依 準；如圖 4 所示。

砂土區

取樣孔 冰凍管

14m

12.5m

-4-

於取樣孔底部放置溫度計以量測取樣 位置之溫度，並於取樣孔中放置皂土 並灌注水使滿至地下水位面；如圖 5 所示。

3. 冰凍工法開始，灌注液態氮使循環於 冷凍管中；先將取樣預定區上方皂土 以及預留土層去掉再使用柴油式鑽機 配合 DENISION 薄管取樣將冰凍取樣 區域之凍土取出；如圖 6 所示。

4. 將取出之薄管放置於冰凍櫃中，帶回 實驗室。

四、試驗結果與分析 4.1 冰凍膨脹量之探討

根據試驗結果顯示，當低含水量（5%）

試體冰凍時，產生之高度變化不明顯，而 高含水量（約 28%）試體冰凍時所產生的 高度變化相當明顯，如圖 7所示，圖中可 以看出，其膨脹量隨相對密度及細粒料含 量之增加而增加。另外圖 8顯示試體冰凍 時之膨脹量及融解時之收縮量之關係，圖 中顯示當試體融解時，不會回復到未冰凍 時試體體積。此結果與國外研究結果有所 差異，國外是以三軸室進行冰凍融解過 程，故膨脹量與收縮量相同，本研究僅允 許試體單向度膨脹和收縮，可能在試體融 解時，試體表面與分裂模間具有附著力，

所以阻礙試體融解時之收縮量。

30 40 50 60 70 80

Relative Density (%) 0

1 2 3

AxialStrain(%)

Sample Size(5*10) F.C=5%

Sample Size(5*10) F.C=20%

Sample Size(7.1*19.5) F.C=5%

Sample Size(7.1*19.5) F.C=20%

圖 7 冰凍時相對密度與試體軸向應變之關係

0 1 2 3

Length Increase During Freezing (mm) 0

1 2 3

L e n g th D e c re a s e D u ri n g T h a w in g (m m )

F.C=5%

F.C=20%

圖 8 冰凍時長度增加量與融解時收縮量之關係

砂土區

取樣孔 冰凍管

皂土 溫度計

圖5 於取樣孔中放置皂土並灌注水 使滿至地下水位面

砂土區

液態氮 氮氣

取樣孔 冷凍管

圖五 將冰凍取樣區域之凍土取出

另外毛細作用過程中，砂土試體含水 量與時間之關係如表 2所示。由表中可以 看出，當試體上部濾紙濕潤時，試體之含 水量即達到穩定狀態，而且細料含量 5％

之試體達穩定狀態之時間少於細料含量 20％之試體。另外在表 3中顯示，試體上、

中、下部之含水量不一，由此可見利用毛 細作用使試體擁有較高含水量時，會使試 體各高度含水量不一。

表 2 試體含水量與時間之關係 含水量（%）

細料 含量

相對密

度（％）30 分 45 分 60 分 75 分 飽和 含水 量 40 30.6 30.7 30.7 30.8 39.7 55 28.8 28.9 29.0 29.0 37.6 5％

70 27.5 27.6 27.6 27.6 35.5 40 26.7 30.8 30.9 30.9 39.1 55 25.2 28.4 28.5 28.5 36.4 20％

70 23.5 26.3 26.4 26.4 33.7

表 3 試體各部位含水量

（毛細作用 75 分鐘時之狀態，試體尺寸 D=5 ㎝，H=10 ㎝）

含水量(%)

試體條件 試體

上部

試體 中部

試體 下部 F.C=5%，Dr=40% 30.1 30.8 31.7 F.C=5%，Dr=55% 27.8 28.8 29.9 F.C=5%，Dr=70% 26.4 27.4 28.1 F.C=20%，Dr=40% 29.1 29.9 30.6 F.C=20%，Dr=55% 27.6 28.1 28.7 F.C=20%，Dr=70% 25.2 26.4 26.9

4.2 冰凍-融解過程對液化阻抗之影響 將試驗所得之資料整理之，然後以相 對密度及液化阻抗之關係表示，如圖 9及 圖 10 所示，圖中顯示於高相對密度狀態

下，受冰凍-融解過程之影響較大。而低含 水量冰凍試體之液化阻抗與高含水量冰 凍試體非常相近，但是此二者受冰凍時之 膨脹量有異，顯然影響其液化阻抗之因素 並非來自試體的垂直膨脹量，推測原因應 該是試體受冰凍-融解過程後，改變了砂土 顆粒間之接觸狀態，也就是說砂土經冰凍 -融解過程後，雖然無明顯之垂直膨脹量，

但其組構已經改變，所以造成高含水量冰 凍試體與低含水量冰凍試體二者液化阻 抗相近之原因。

30 40 50 60 70 80

Relative Density (%) 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

CyclicStressRatio

N=10,MT Samples N=10,LW Frost Samples N=10,HW Frost Samples

圖 9 相對密度與液化阻抗之關係

（F.C=5%）

30 40 50 60 70 80

Relative Density (%) 0

0.1 0.2 0.3 0.4

CyclicStressRatio

N=10,MT Samples N=10,LW Frost Samples N=10,HW Frost Samples

圖 10 相對密度與液化阻抗之關係

（F.C=20%）

4.3 融解過程對最大剪力模數之影響 圖 11∼圖 13分別以不同相對密度比 較，其中 F(e)=(1+e)/(2.97-e)

²

細粒料含量為 5％之冰凍試體之最大剪力 模數比未冰凍試體少了約 3％，而細粒料

-6-

10 100 1000

Effective Confining Pressure (kPa) 10

100

GmaxXF(e)(MPa)

Dr=40%

MT Samples (F.C=5%) HW Frost Samples (F.C=5%) MT Samples (F.C=20%) HW Frost Samples (F.C=20%)

圖 11 Gmax×F(e)與平均有效圍壓之關係

（Dr=40%）

10 100 1000

Effective Confining Pressure (kPa) 10

100

GmaxXF(e)(MPa)

Dr=55%

MT Samples (F.C=5%) HW Frost Samples (F.C=5%) MT Samples (F.C=20%) HW Frost Samples (F.C=20%)

圖 12 Gmax×F(e)與平均有效圍壓之關係

（Dr=55%）

10 100 1000

Effective Confining Pressure (kPa) 10

100

GmaxXF(e)(MPa)

Dr=70%

MT Samples (F.C=5%) HW Frost Samples (F.C=5%) MT Samples (F.C=20%) HW Frost Samples (F.C=20%)

圖 12 Gmax×F(e)與平均有效圍壓之關係

（Dr=70%）

4.4 現地冰凍取樣結果之討論

此 次 現 地 試 驗 場 地 選 定 於 員 林 鎮 崙 雅 里 內 液 化 嚴 重 之 區 域 ， 該 處 地 質 從 鑽 孔 過 程 中 發 現 ， 從 地 下 12.5m 至 地 下 15m 為 砂 層 ， 藉 此 結

果 將 此 次 實 驗 取 樣 位 置 預 計 於 地 下 13m 至 地 下 14m，並 將 冰 凍 管 放 置 於 地 下 14m 深 之 位 置 。

於 取 樣 孔 鑽 孔 及 冰 凍 管 放 置 作 業 完 成 後 ， 採 用 柴 油 式 鑽 搭 配 乾 鑽 方 式 從 預 計 深 度 取 樣 ， 從 取 樣 過 程 中 發 現 此 次 實 驗 土 層 於 取 樣 孔 處 形 成 之 凍 結 區 域 乃 從 地 下 13.5m 至 地 下 14.2 m， 將 此 深 度 範 圍 之 冰 凍 土 樣 自 地 底 取 出 後 ， 旋 即 加 封 蓋 及 放 入 冷 凍 櫃 中，保 持 -20℃ 之 櫃 溫 帶 回 實 驗 室 。

依 據 先 前 在 校 內 小 規 模 實 驗 之 結 果 ， 預 估 此 次 兩 根 冰 凍 管 底 部 周 圍 半 徑 40cm 且 長 度 1m 內 皆 應 為 結 凍 區 ， 但 是 結 果 並 非 如 此 ， 約 只 有 半 徑 30cm 和 長 度 50cm 之 凍 結 區 ； 推 測 可 能 之 原 因 有 下 :

1. 兩 根 冰 凍 管 並 非 完 全 鉛 直 放 入 ， 使 得 取 樣 孔 距 冰 凍 管 位 置 發 生 偏 差 ； 此 次 試 驗 雖 然 有 使 用 基 本 之 氣 泡 水 準 校 正 ， 但 是 由 於 冰 凍 管 長 度 相 當 長 ， 故 採 用 更 高 精 度 之 量 測 與 控 制 是 必 要 的 。

2. 於 校 內 小 規 模 試 驗 乃 採 用 靜 止 水 狀 態 ， 並 不 考 慮 水 流 之 影 響 ； 以 至 當 現 場 工 地 存 在 有 地 下 水 流 時 ， 其 冰 凍 效 果 比 之 校 內 試 驗 將 會 打 折 扣 ， 但 過 於 緩 慢 之 流 速 如 1 2m/day， 欲 於 短 期 內 量 測 其 值 乃 實 屬 不 易。

五、結論與建議 5.1 結論

本研究針對員林崙雅里之粉土質細 砂進行動力三軸及共振柱試驗，探討冰凍 -融解過程對液化阻抗及最大剪力模數之 影響，以及現場冰凍取樣方法之研究，大 致獲得以下之結論：

1. 在相同的含水量條件下，砂土冰凍時之 膨脹量隨相對密度與細粒料含量之增 加而有增加的趨勢。

2. 試體之液化阻抗低於未冰凍試體，且隨 著其相對密度增大使其差距增大，顯示 冰凍過程中，對於緊密砂土之影響較 大。

3. 低含水量(5%)冰凍試體在冰凍-融解過 程之體積變化可忽略，高含水量(28%) 冰凍試體在冰凍-融解過程之體積變化 量則較明顯，惟其淨體積變化量仍小於 0.5％，且砂土試體經冰凍後造成顆粒 間接觸之改變，所以造成二者之液化阻 抗大略相同。

4. 冰凍試體之最大剪力模數高於高含水 量冰凍試體，且隨細粒料含量增加而略 微增加其差距，顯示冰凍-融解過程對 於細 粒 料 含 量 高 之 試 體有 較 大 之 影 響。

5.2 建議

1. 砂土冰凍時的膨脹量及融解時的收縮 量之關係，仍待更完整的試驗結果詮 釋。

2. 雖然利用毛細現象能使試體擁有較高 之含水量，唯試體沒達到飽和狀態及試 體各高度的含水量不一，此現象是否造 成冰凍時之差異，有待進一步研究。

3. 對於影響砂土冰凍行為之其他因素（如 顆粒形狀），有待探討。

4. 有 鑑 於 冰 凍 工 法 之 準 確 性 相 當 高 ， 故 必 須 對 現 地 地 質 狀 態 之 認 知 有 相 當 準 確 之 程 度 ， 以 避 免 液 態 氮 流 量 估 算 錯 誤 或 其 餘 土 樣 混 入 之 可 能 。

5. 由 於 含 水 量 對 於 冰 凍 工 法 之 影 響 相 當 重 要 ， 故 建 議 取 樣 深 度 能 在 地 下 水 位 以 下 ， 以 確 定 凍 土 之 完 整 性 。

6. 由 於 取 樣 深 度 通 常 大 於 10 m， 故 孔 位 鉛 直 度 之 掌 握 須 相 當 準 確 ，

建 議 使 用 電 子 式 測 量 傾 斜 之 儀 器 以 提 高 實 驗 之 準 確 性 。

7. 此次冰凍效果不佳，故建議改採限定式 冰凍管，以提高其冰凍效果；因其限定 式冰凍管方式乃是將針對局部區域之 土層做凍結作用，有別於雙重管式之全 區段冰凍。

六、參考文獻

1. Goto, S. “Influence of A Freeze and Thaw Cycle on Liquefaction Resistance of Sandy Soils,” Soils and Foundations, Vol.

33, No. 4, pp. 148-158, 1993.

2. Hatanaka M., M. Sugimoto, and Y. Suzuki

“Liquefaction Resistance of Two Alluvial Volcanic Soils Sampled by In Situ Freezing,” Soils and Foundations, Vol.25, No.3, pp. 49-63, 1985.

3. Tokimatsu, K. and Y. Hosaka “Effects of Sample Disturbance on Dynamic Properties of Sand,” Soils and

Foundations, Vol. 26, No. 1, pp. 53-64, 1986.

4. Yoshimi, Y. and S. Goto, “Liquefaction Resistance of Silty Sand Based on In Situ Frozen Samples,” Geotechnique, Vol. 46, No. 1, pp. 153-156, 1996.

5. Yoshimi, Y., M. Hatanaka, and H. Oh-oka

“Undisturbed Sampling of Saturated Sands By Freezing,” Soils and

Foundations, Vol. 18, No. 3, pp. 59-73, 1978.

6. Yoshimi, Y., K. Tokimatsu, and J.

Ohara “In Situ Liquefaction

Resistance of Clean Sands Over a

Wide Density Range,” Geotechnique,

Vol. 44, No.3, pp. 479-494, 1994.

-8-