國立宜蘭大學土木工程學系研究所碩士論文 Department of Civil Engineering National Ilan University Master Thesis

(1)

國立宜蘭大學土木工程學系研究所碩士論文

Department of Civil Engineering National Ilan University

Master Thesis

宜蘭地區之土壤液化潛能評估

Evaluation of Liquefaction Potential in ILan Area

指導教授：趙紹錚博士

Sao-Jeng Chao Ph. D.

研究生：徐瑩潔

Ying-Chieh Hsu

(2)

摘要

在台灣經歷過 1999 年 921 集集大地震後，此芮氏規模 7.3 的大地震，造成相當大的災害，當然這當中土壤液化的話題，也再次引起台灣本地及國外學者的熱烈討論。台灣地震帶分佈可分為三部份，西部地震帶、東部地震帶及東北部地震帶，其中東部地震帶及東北部地震帶，皆經過宜蘭地區因此地震相當頻繁，加上宜蘭地區地下水位相當高且蘭陽平原為沖積土層，因此當地震發生時，土壤液化發生的可能性相當的高，乃有必要深入探討宜蘭地區土壤液化的相關問題。

本論文首先利用地質資料將宜蘭地區作大地工程分區，依據宜蘭地區不同的地質環境共可分為 11 區，然而在平原區上即可分為 9 區，由此可知宜蘭地區之地質環境對於土壤液化評估上的影響。目前進行土壤液化潛能評估時，多以所收集鑽孔之地質資料，

評估各鑽孔位置受震動影響時之液化潛能值，鑑於此本論文利用工程地質資料，於宜蘭地區進行三個部分的土壤液化評估及結果展示。第一部份：鑑於土壤條件即是影響土壤液化的重要考量因素之ㄧ，因此在不考慮地震影響因素下，應可直接利用鑽探資料來判別土層概況，藉此來進行宜蘭地區土壤液化初步判別。第二部份：設定一個地表最大加速度情況下，計算液化潛能值；反之亦設定液化潛能值，推估地表最大門檻值加速度。

第三部份：由假設地震推估宜蘭市及羅東鎮之地表最大加速度，計算液化潛能值。

宜蘭地區由山區及平原區所組成的，本論文探討土壤液化區域主要著重在宜蘭地區的平原區上，由前述三個部份所探討之土壤液化結果如下：

第一部份，初步土壤液化判別，以三種液化程度來進行討論依序為高度、中度及無液化區。高度液化區主要的分布範圍在平原區的最東邊沿海一帶，由北至南依序為壯圍鄉、五結鄉及蘇澳鎮；高度及中度液化交互區由北至南為宜蘭市、羅東鎮及冬山鄉；除此之外平原區與山區之交界處，為高度、中度及無液化混合區，由北至南依序為頭城鎮、

礁溪鄉、員山鄉、三星鄉、大同鄉及南澳鄉。

第二部份，依建築技術規則耐震設計規範表示，土壤液化評估所採用之設計地震應依工程重要性、基地之地質特性及地震資料以機率法決定之，或根據內政部「建築物耐震設計規範與解說」之震區加速度值作為評估基準，在利用液化潛能指數評估損害度。

鑑於此，本研究分為兩個階段探討宜蘭地區土壤液化，一為設定適宜之地表最大加速度，本研究依據 Chao & Hsu 推估宜蘭大學之最大加速度為 0.29g，評估土壤液化，進而評估土壤液化損害程度；另外一階段，以損害程度達 15 為啟動土壤液化之潛能值，回推地表最大加速度，又稱之為特徵加速度。在第一階段結果，以四種損害程度來討論，

依序為嚴重、中度、輕微液化，由結果顯示，宜蘭地區在平原區與山區交界區的部分地區為中度至輕微液化區，由北至南礁溪鄉、員山鄉、三星鄉、大同鄉及蘇澳鎮；在其他平原區上皆為嚴重液化區。設定液化損害程度為 15 時之特徵加速度，以六種敏感程度討論，依序為極嚴重、高度、中度、低度、極低度及無液化敏感區，在中度以上之高度及極嚴重混合區，由北至南依序為壯圍鄉、宜蘭市及五結鄉；而在中度以下之低度及極低度混合區，由北至南為頭城鎮、礁溪鄉、員山鄉、冬山鄉及蘇澳鎮；無液化地區在平原區與山區交界處的部份零星區域，其中以大同鄉及南澳鄉為多。

(3)

第三部分，由假設地震模擬宜蘭市及羅東鎮之地表最大加速度及液化潛能值。本論文假設兩個地震分別進行模擬。當沖繩海槽地震帶 A 段發生錯動，於宜蘭市之地表最大加速度，最大值為 0.48g 由東向西遞減至 0.36g，依加速度計算之潛能值，全市均為嚴重液化程度；同樣的地震，於羅東鎮之地表最大加速度，最大值為 0.49g 由東向西遞減至 0.4g，再往北則增大為 0.49g，依加速度計算之潛能值，由西邊之嚴重液化程度，越往東邊漸漸趨於中度液化程度。當蘇澳外海地震帶發生錯動，於宜蘭市之地表最大加速度，

最大值為 0.32g 由東向西遞減至 0.2g，依加速度計算之潛能值，則由北之中度液化程度向南趨向為嚴重液化程度；同樣的地震，於羅東鎮之地表最大加速度，最大值為 0.36g 由東向西遞減至 0.24g，依加速度計算之潛能值，全鎮以中度液化程度為主，只有在部分區域為嚴重區。

本論文之重要結論如下：

第一點，鑽孔資料利用『大地工程分區』作為地質資料的彙整，不僅可更完善整理出地區之地質資料，同時可以對地區作工程地質的分類，對於後續的液化評估及探討是相當有幫助。第二點，初步土壤液化判別，對於評估地震影響因素之前，僅對土層進行液化之初步判別，亦可幫助補強後續的方向的重點。第三點，在一般鑽孔試驗流程所再計算土壤液化時，設定之同一地表最大加速度，將可能會過於保守估計現場的液化潛能；設定損害程度為 15 時為啟動液化值，其結果相較於其他不保守許多。第四點，假設地震模擬宜蘭市及羅東鎮。在宜蘭市依地震帶位置，地表最大加速度及潛能值呈現相對關係，地表加速度越大潛能值則越嚴重，反觀羅東鎮，地表最大加速度依距離地震帶之遠近決定大小，則潛能值依據地區性的反應液化程度。

在不同方式的評估下，宜蘭地區所評估出來的結果大致相同，可知宜蘭地區土壤液化主要區域，由沿海一帶由東向西山區為止，土壤液化程度由嚴重逐漸減小甚至到山區已成為無液化的區域，這與地質環境影響有絕對的關係。在較大的地震下，產生之液化會更加嚴重，亦可能造成震陷等災害，因此宜蘭地區應隨時做好地震防災的防範措施及防救災計畫。

關鍵字：宜蘭地區、蘭陽平原、地震、土壤液化、土壤液化潛能、地震危害度、假設地

(4)

ABSTRCT

The 1999 Chi-Chi earthquake (with Richter magnitude 7.3) caused terrible damages in the whole island. The soil liquefaction problem is thus become a hot topic again after the earthquake inside the island and all over the world. Ilan area is located between the east and the northeastern earthquake regions of Taiwan. Langyang Plain is a sedimentary deposit from several rivers. As a result, the subsurface conditions of the Lanyang Plain generally contain several layers of loose uniform grained soils. Furthermore, the groundwater table of the whole Lanyang Plain is fairly close to the ground surface. Together with the high probability of earthquake occurrence in this area, soil liquefaction phenomena need to be carefully investigated.

This research describes the approach and the evaluated results of the potential for soil liquefaction of the Ilan area using the engineering geological data as a beginning. The evaluation of the soil liquefaction potential is based on the individual borehole data with and without considering the degree of earthquake attack. The levels of evaluating soil liquefaction potential in this research can be describes as three parts.

The first part: Since the soil condition is a very important factor for evaluating the soil liquefaction potential. It is reasonable to evaluate the soil liquefaction potential preliminarily by simply using the properties obtained from the soil investigation. This research is thus carried out for the approach of preliminary assessment without considering the effect of earthquake attack.

The second part: Establishing a maximum ground acceleration situation to calculate the soil liquefaction potential value. Besides, assuming a liquefaction potential value to back-calculate the maximum ground acceleration.

The third part: Performing simulation of soil liquefaction potential caused by possible scenario earthquakes. Taking the advantages of geographic information system (GIS), the evaluated results can be connected to each other by the spatial analysis modulus to obtain the map of soil liquefaction potential. The maps of soil liquefaction potential can be used to provide information for formulating disaster reduction strategy so that damages and losses from earthquake hazards could be mitigated.

Keywords：Ilan area , Langyang plain, Earthquake, Soil liquefaction, Soil liquefaction

(5)

致謝

在寫作論文過程中，「致謝」的部份個人認為是最難寫的部份，因為要用簡短的文字感謝我要感謝的所有人，這實在太難了，在寫作這篇論文的過程，先感謝我身邊所有幫助過我的人，現在完成這篇論文。

我最先要感謝的人是我的指導教授趙紹錚老師，我從台東到宜蘭來讀書，趙老師，

把我從一個懵懵懂懂的大學生，培養到現在已經是可以完成一篇論文的我，進入了研究所後，無論在課業及其他方面，趙老師也是最幫我最支持我的人，讓我覺得老師向對家人一樣對我，天資不聰明的我再與老師討論時，常常會遇到瓶頸，而老師總是不厭其煩的指導我，讓我能充分了解，因為老師這樣的精神，支持著讓我有動力繼續研究下去，

因為有老師的支持與幫助才有今天的我及這篇論文，因此再次感謝趙老師。

另外我要感謝工學院黃宏謀院長，因為黃院長在地震災害方面，有相當的經驗，在實際地震方面因此常常給予我許多幫助，每當有問題與院長討論，院長總是以和藹可親的態度，解決我的問題後，再丟出一大推問題讓我思考，這就是黃院長的作風。在系上這兩年，當然要感謝土木系所有的老師們，尤其是大地組的游老師，有時會給我ㄧ些液化相關的建議，在修課時有關液化的問題老師都會告訴我，你應該可以其他的考量因素等。另外還要感謝結構組的徐輝明老師，目前兼任建築與永續規劃研究所所長，徐所長在軟硬體的資源上給於相當多的幫助，讓我們能夠更順利的完成下去。

特別要感謝我高職的導師，就是潘淑秋老師，如果沒有老師嚴厲的教導及幫助，我沒有辦法來到宜蘭讀書，更無法繼續讀研究所，非常謝謝老師當年的提攜。

在學這段時間除了老師外，力維學長以經驗告訴我許多研究的技巧，在生活上也幫助我很多；而 Vivi 學姐則是我的心理輔導師，在精神上給許多的幫助。另外大學的同窗好友銘瑋、程廣、阿和、佳欣、小威、大 P、思樺及阿亞的陪伴，讓我一路走來不孤單，

特別感謝銘瑋在百忙之中還抽空幫我建置鑽孔資料。最後需要苦力時，聽話的學弟們官佑、廷翰、宇軒及香蕉就會出現，讓我能夠專注於研究上，謝謝你們使我的研究，注入一股暖流，讓我整個研究更順利更完善。

最後最後，我要感謝我最可愛的家人，老爸、老媽、大哥及二哥，感謝你們繼續支持我攻讀研究所，讓我有機會在這篇論文的最後感謝你們，感謝爸媽有好好照顧身體，

感謝大哥及二哥這麼支持我，讓我在宜蘭生活沒有後顧之憂。雖然這幾年時家人常常掛在嘴邊的一句話「出去就像不見，回來好像撿到的」，讓我了解家人對於我有諸多的不捨，不過最後一句話總是會提醒我，「自己在外面要照顧身體」，讓我感到溫暖，現在完成碩士班的學業，總算沒有辜負家人對我的期望，接下來換我會好好努力在工作上回饋家人了。

(6)

目錄

摘要 ...I ABSTRCT ... III 致謝 ...IV 目錄 ... V 表目錄 ... VII 圖目錄 ...VIII

第一章緒論... 1

1.1

研究動機 ...1

1.2

研究目的 ...1

1.3

研究方法 ...1

1.4

研究內容 ...2

1.5

研究流程 ...2

第二章宜蘭地區概述... 4

2.1

宜蘭地區環境概述 ...4

2.1.1

人文地理 ...4

2.1.2

地質環境 ...4

2.1.3

水文分布 ...5

2.1.4

地理資訊系統 ...5

2.2

鑽孔資料收集 ...6

2.2.1

鑽孔資料蒐集與篩選... 6

2.2.2

鑽孔資料建置... 7

2.2.3

鑽孔分布情形... 7

2.3

大地工程分區 ...8

2.3.1

大地工程分區原則... 8

2.3.2

大地工程分區方法... 8

2.3.3

大地工程分區結果... 9

第三章土壤液化之初步評估... 35

3.1

土壤液化機制探討 ...35

3.1.1

土壤液化之定義 ...35

3.1.2

土壤液化之原理 ...35

3.1.3

土壤液化之相關名詞 ...36

3.1.4

土壤液化之影響因素 ...36

3.1.5

土壤液化之破壞型態 ...37

(7)

3.2.1

土壤液化初步判別之文獻回顧 ...37

3.2.2

土壤液化初步判別之方法 ...39

3.2.3

土壤液化初步判別之結果 ...39

第四章土壤液化之潛能與敏感度分析 ... 51

4.1

土壤液化評估方法 ...51

4.1.1 T-Y法... 51

4.1.2 NJRA法 ... 52

4.1.3 Seed簡易經驗法 ... 52

4.1.4 NCEER之Youd et al.修正Seed法 ... 53

4.2

土壤液化潛能指數 ...55

4.3

設定地表最大加速度與決定之門檻值 ...55

4.3.1

設定地表最大加速度... 55

4.3.2

決定液化潛能門檻值... 55

4.4

土壤液化之潛能指數與特徵加速度結果 ...56

4.4.1

土壤液化潛能值 ...56

4.4.2

土壤液化特徵加速度 ...56

第五章模擬地震下之土壤液化評估... 73

5.1

模擬地震災害分析概述 ...73

5.2

宜蘭市及羅東鎮之模擬地震之危險度分析 ...74

5.2.1

地震與場址 ...74

5.2.2

距離參數 ...74

5.2.3

控制地震 ...75

5.2.4

危害度分析 ...76

5.3

宜蘭市及羅東鎮之模擬地震災害之潛勢分析 ...76

第六章結論與建議... 103

6.1

結論 ...103

6.2

建議 ...103

參考文獻 ... 105

附錄 ... 109

(8)

表目錄

表 2-1 宜蘭地區行政轄區之面積 (宜蘭縣政府主計室，2005) ...10

表 2-2 刪除錯誤「座標」之鑽孔統計表... 11

表 2-3 刪除錯誤「地下水」之鑽孔統計表...12

表 2-4 刪除「資料不足」之鑽孔統計表...13

表 2-5 刪除孔數之統計表...14

表 2-6 SI值顏色分類表 ...15

表 2-7 土壤之SI分類代碼表 ...15

表 2-8 宜蘭壯圍區之土層分類概況...16

表 2-9 羅東冬山西區之土層基本性質表...17

表 2-10 羅東冬山東區之土層基本性質表...18

表 3-1 土壤液化影響因素彙整表...41

表 3-2 地質因素與土壤凝聚性之關係表 (Youd and Perkins , 1978)...42

表 3-3 液化土特徵深度(m) (中國建築抗震設計規範GB50011-2001 中國人民共和國建設部，2002)...43

表 3-4 土壤液化初步判別分類表...44

表 4-1 SPT貫入試驗之能量修正總表 (彙整自 Seed , 1985) ...57

表 4-2 地震規模轉換係數 (彙整自Seed , 1985) ...58

表 4-3 Robertson及Wride (1998)建議以Skempton (1986)修正SPT係數 ...59

表 4-4 土壤液化潛能指數之定義(彙整自Iwasaki , 1982)...60

表 4-5 液化敏感類別...61

表 5-1 1900 年至 2005 年地震紀錄 (彙整自交通部中央氣象局網站) ...78

表 5-2 模擬地震帶之震源參數 (黃宏謀等人， 2007) ...79

表 5-3 之震動衰減律參數 (簡文郁，2001) ...80

表 5-4 場址效應修正係數 (葉錦勳，2004) ...81

(9)

圖目錄

圖 1.1 本研究之評估流程 ...3

圖 2.1 宜蘭地區於台灣地區相關地理位置圖 (中央地質調查所) ...19

圖 2.2 宜蘭地區五萬分之ㄧ地質圖 (中央地質調查所) ...20

圖 2.3 宜蘭地區行政區域各鄉鎮市分區圖 ...21

圖 2.4 宜蘭地區各村里分分區圖 ...22

圖 2.5 宜蘭地區水系圖 ...23

圖 2.6 宜蘭地區地下水位 ...24

圖 2.7 宜蘭地區鑽孔各鄉鎮市刪除孔數統計 ...25

圖 2.8 刪除後剩餘之鑽孔位置圖 ...26

圖 2.9 大地工程初步概念分區流程圖 ...27

圖 2.10 數值資料處理所得之縱合分區概念圖 ...28

圖 2.11 GEOLOG版之宜蘭地區地圖...29

圖 2.12 宜蘭市國立宜蘭大學附近地區之地圖及各鑽孔位置 ...30

圖 2.13 鑽孔抬頭表資料範例 ...31

圖 2.14 鑽孔A表資料範例 ...32

圖 2.15 宜蘭壯圍區地層剖面柱狀圖範例 ...33

圖 2.16 宜蘭地區大地工程分區圖 ...34

圖 3.1 土層受地震影響之土層狀態圖 (改繪自Das , 1983) ...45

圖 3.2 土壤液化現象原理 (改繪自李咸亨，1996) ...46

圖 3.3 土壤液化之初步評估方法 ...47

圖 3.4 土壤液化初步判別「不分區」結果圖 ...48

圖 3.5 土壤液化初步判別「蘭陽平原」結果圖 ...49

圖 3.6 土壤液化初步判別「微分區」結果圖 ...50

圖 4.1 應力折減係數rd與深度(m)之關係圖 (摘自Youd et al. , 2001) ...62

圖 4.2 CN及有效應力之關係圖(摘自吳偉特，1979) ...63

圖 4.3 CSR及CRR與(N1)60於細粒料含量含量之關係圖 (摘自Youd et al. , 2001) ...64

圖 4.4 2001 年修正Seed簡易評估法 (改繪自Youd et al. , 2001) ...65

圖 4.5 地震規模(Mw)修正係數關係圖 (摘自Youd et al. , 2001) ...66

圖 4.6 假設地表加速度為 0.29g之「不分區」結果圖 ...67

圖 4.7 假設地表加速度為 0.29g之「蘭陽平原」結果圖 ...68

(10)

圖 4.9 土壤液化特徵加速度「不分區」結果圖 ...70

圖 4.10 土壤液化特徵加速度「蘭陽平原」結果圖 ...71

圖 4.11 土壤液化特徵加速度「微分區」結果圖 ...72

圖 5.1 設定地震災害分析之步驟流程圖(改繪自 Kramer , 1996) ...82

圖 5.2 宜蘭市各里分區圖 ...83

圖 5.3 羅東鎮各里分區圖 ...84

圖 5.4 1900 年至 1999 年地震位置圖 (摘自交通部中央氣象局網站) ...85

圖 5.5 2000 年至 2005 年地震位置圖 (摘自交通部中央氣象局網站) ...86

圖 5.6 宜蘭地區 1973 年至 2005 年震源及五個假設地震之位置圖。(摘自黃宏謀等人， 2007)... 87

圖 5.7 地震與場址之相關參數示意圖 ...88

圖 5.8 宜蘭市之場址地盤分類圖 ...89

圖 5.9 宜蘭市之場址地盤分類圖 ...90

圖 5.10 宜蘭市之沖繩海槽地震PGA分布圖 ...91

圖 5.11 羅東鎮之沖繩海槽地震PGA分布圖 ...92

圖 5.12 宜蘭市之蘇澳花蓮外海地震PGA分布圖 ...93

圖 5.13 羅東鎮之蘇澳花蓮外海地震PGA分布圖 ...94

圖 5.14 宜蘭市沖繩海槽地震之液化潛能「不分區」結果圖 ...95

圖 5.15 宜蘭市沖繩海槽地震之液化潛能「微分區」結果圖 ...96

圖 5.16 羅東鎮沖繩海槽地震之液化潛能「不分區」結果圖 ...97

圖 5.17 羅東鎮沖繩海槽地震之液化潛能「微分區」結果圖 ...98

圖 5.18 宜蘭市蘇澳花蓮外海地震之液化潛能「不分區」結果圖 ...99

圖 5.19 宜蘭市蘇澳花蓮外海地震之液化潛能「微分區」結果圖 ...100

圖 5.20 羅東鎮蘇澳花蓮外海地震之液化潛能「不分區」結果圖 ...101

圖 5.21 羅東鎮蘇澳花蓮外海地震之液化潛能「微分區」結果圖 ...102

(11)

第一章緒論

1964 年日本新瀉發生嚴重的土壤液化，至此『土壤液化』這個名詞開始引起世界各相關領域的學者熱烈討論，台灣在 1999 年經歷過 921 集集大地震，當時發生芮氏規模 7.3 的大地震，而土壤液化同時造成相當大的災害，土壤液化的話題也因而引起台灣本地及國外學者的熱烈討論。

1.1 研究動機

宜蘭得天獨厚的地形，在山的包圍下僅東面臨海是個向陽之地，因此又稱「蘭陽」，

而蘭陽平原主要由蘭陽溪及由各大大小小的溪流，經過沖刷到堆積在下游匯集而成的沖積平原區。宜蘭與新竹又有「竹風蘭雨」的稱號，是因為宜蘭地區雨量相當豐沛，因此也造就了宜蘭的地下土層含水量相當豐富。近年由於北宜高速公路開通後，改變了宜蘭地區原來農業型態，近年來以「文化」、「環保」及「觀光」立縣的目標，顯示宜蘭的環境正日趨發達。宜蘭位於東部地震帶、東北部地區震帶及沖繩海槽的西端，因此常常受到地震的威脅，令人記憶猶新的地震，宜蘭地區在 2005 年 3 月 6 日凌晨三點 6 分及 3 點 8 分連續發生兩次地震，在短短 68 秒內分別發生 5 規模 5.9 及 6.0 的地震，之後還引起大量的餘震。地震發生時可能造成地上建築物破壞或地下土層的液化現象，宜蘭地區由於地下土層為沖積土層，且宜蘭地區地下水位相當的高，因此宜蘭地區在地震時，發生土壤液化的可能性相當的高，因此在宜蘭地區有探討土壤液化之必要性。

1.2 研究目的

宜蘭地區地震如此的頻繁，因此土壤液化潛能評估是必要的，然由相關文獻看來，

宜蘭地區缺乏土壤液化方面研究，鑑於此，本論文蒐集相關研究及鑽探資料，並同時進行宜蘭地區之工程地質探討及地震發生所可能引致土壤液化災害研究。

面對土壤液化的問題，1996 年 Kramer 曾提到，可有系統的認真考慮一些有關於液化的問題：1.土壤是否容易發生液化、2.如果土壤可能發生液化，那麼是什麼原因產生液化，3.如果產生了液化，那會不會造成災害呢。因此本論文將對於這些問題加以探討在宜蘭地區的土壤液化問題。

1.3 研究方法

本論文評估土壤液化潛能之方法，由淺入深共分為三個部份進行討論。

1. 土壤液化之初步判別：在不考慮地震情況下，直接以土壤性質特性進行土壤液化的判別。

2. 土壤液化之潛能至數及敏感度分析：以一般現地調查之分析流程，評估液化潛能之評估，液化潛能指數表示液化損害程度。首先設定地表最大加速度評估潛能指數；再以此概念，決定液化與非液化之液化潛能分界值，回推地表最大加

(12)

3. 假設地震之潛能分析：假設一個實際可能發生的地震，模擬宜蘭地區在地震發生時所造成之危害程度，危害度以地表最大加速度表示，再利用地表最大加速度評估土壤液化潛能指數。

1.4 研究內容

宜蘭地區之土壤液化評估，本論文內容共分為六章。

第一章為緒論，針對本研究之研究背景、目的、方法、內容做概略性介紹。

第二章為背景資料，即宜蘭地區之地質概況，對宜蘭地區的地理環境作概略性的介紹，再利用鑽孔資料以工程的角度，將宜蘭地區之土壤特性做概略之分區，本研究稱之為大地工程分區，以供後續研究參考之用。

第三章為土壤液化之初步判別，對於土壤液化發生的原因、機制、影響因素、評估方法等相關研究回顧，於了解液化的機制後，利用液化土的基本性質，在不考慮地動特性狀態下，判別宜蘭地區之地下土層是否會有液化的可能。

第四章為土壤液化之潛能指數與敏感度分析，利用評估土壤液化潛能指數概念，分別以設定地表最大加速度推估潛能值，及設定液化潛能值推估地表最大加速度，做不同角度的分析。

第五章為假設地震之土壤液化潛勢分析，利用實際發生的地震案例，預測地震時各地區發生之最大地表加速度，來評估地區之液化潛能值。

第六章為結論與建議，綜合各評估方法、評估流程及評估結果，進而探討宜蘭地區之土壤液化的課題。

1.5 研究流程

本研究評估之流程如圖 1.1。

(13)

本研究之評估流程資料蒐集、彙整、建置

大地工程分區

土壤液化之初步判別第一階段

假設地震之危害度與液化潛能值第三階段

特徵加速度液化潛能值

第二階段

特徵加速度液化潛能值

第二階段

結論

圖 1.1 本研究之評估流程

(14)

第二章宜蘭地區概述

2.1 宜蘭地區環境概述 2.1.1 人文地理

宜蘭地區位於台灣的東北角，東臨太平洋海岸線長達 101 公里，北側與西北側與台北縣相接，西連新竹縣及桃園縣，南與花蓮縣和台中縣相連，宜蘭地區形狀像個直角三角形如圖 2.1。宜蘭地區主要可分為山地區及平原區，山地區由北邊到西邊及南邊向東環抱蘭陽平原，蘭陽平原由蘭陽溪及其他小溪流沖積而成，地形上自成一個封閉的區域，三個頂點為大澳、喀拉業山與漢本，山地面積佔全宜蘭地區之的四分之三，由此可知宜蘭地區以山地地區與平原地區組合而成，且山地區多於平原區如圖 2.2。

依據宜蘭縣政府提供資料，宜蘭地區之面積為 2143.62 平方公里，包含釣魚台及龜山島(含龜卵島)，全縣人口約 450943 人，宜蘭地區共由有一市、三鎮和八鄉組織而成，

由北至南依序為頭城鎮、礁溪鄉、壯圍鄉、宜蘭市、員山鄉、五結鄉、羅東鎮、冬山鄉、

三星鄉、蘇澳鎮、南澳鄉及大同鄉如圖 2.3，詳細之宜蘭地區面積與人口分佈如表 2-1 所列，縣治中心為宜蘭市；宜蘭地區在宜蘭市、羅東鎮、頭城鎮及蘇澳鎮共有 121 里，

在其他鄉共有 114 村見圖 2.4；宜蘭地區就面積看來，宜蘭地區南澳鄉所佔面積比例最大其次為大同鄉，面積所佔比例最小的是羅東鎮及宜蘭市，在人口比例上卻成反比，宜蘭地區人口以羅東鎮最多其次為宜蘭市，反之大同鄉及南澳鄉為人口最少地區。

2.1.2 地質環境

宜蘭地區由山區及平原區組成，在山區部份，可分為雪山山脈區及中央山脈區；雪山山脈呈東北-西南走向，在宜蘭地區之西側，北宜公路之九彎時八拐及北橫公路的彎曲路段，都在雪山山脈的範圍裡，由此可知此段山區是相當陡峭，在雪山山脈區帶受到輕微的變質作用，主要由硬砂岩和硬頁岩組成；而中央山脈貫穿台灣，在宜蘭地區雖為起頭卻高俊崎嶇，在蘇澳花蓮沿海而行，此山脈相當年輕因此提升作用不停，此山脈地形非常崎嶇，交通異常困難，所以人口相當稀少。

由河川沖積而成之平原區有蘭陽沖積平原、東澳、南澳及和平等三處較小規模的三角洲平原，其中以蘭陽平原區域面積最大(圖 2.2)，且在宜蘭地區的所有發展主要以蘭陽平原為中心，人口也集中於蘭陽平原。蘭陽平原主要是由大小溪流所搬運之第四紀沖積層構成，各溪谷之上游侵蝕沖刷作用盛行，沖積物以較大之塊石及粗砂石為主，流經下游後河床寬廣，搬運力減弱，所搬運之沖積物大量堆積，以細砂及砂土為主，東部海岸沖積物則以較細緻之砂土淤泥為主，1976 年江新春依震測結果表示，蘭陽平原之地質剖面由上而下可分為三層：現世沖積層及基盤地層，沖積層厚度之分佈，約在 100~400 公尺之間，在平原中心附近大約為 300 公尺，愈靠近海域愈深，而於平原邊緣山區則該層直接覆蓋於基岩上。

(15)

2.1.3 水文分布

宜蘭地區之主要河川有蘭陽溪、宜蘭河、羅東溪、得子口溪、新城溪、東澳溪、南澳溪及冬山河等十多條溪流，其中主要的河川為蘭陽溪，蘭陽溪不僅流域面積最長最大且為最主要河川，河川水系如圖 2.5。

由於宜蘭地區三面環山，對地下水文而言形成一個封閉之盆地，地下水位之消長，

決定於入滲、涵養量、補注及地下水之抽用。宜蘭地區相對地下水位最深處在蘭陽溪上游天送埤一帶，水位約在地面下 15 到 20 公尺，至蘭陽平原相對地下水水位在地面下 5

～7 公尺間，部份區域有受壓地下水潛出，至蘭陽溪最下游出海口之相對地下水水位約在地面下 5 公尺內如圖 2.6，由於地下水流由高水位往低水位流，因此宜蘭地區之地下水自西向東流最終注入海，另外由於山區之資料不足，因此山區部分地區之地下水位，

及由 GIS 之內差方式繪製，因此在山區之地下水位，較蘭陽平原精度低。

2.1.4 地理資訊系統

近年許多研究常以地理資訊系統做為輔助系統或展示系統來使用，尤其在土壤液化的分析研究上，地理資訊系統的展繪功能，可以清楚的將地形、地貌呈現出來，本研究為了更有效的做存取、彙整、資料分析及呈現等工作，以地理資訊系統做為輔助工具。

本論文所使用之 GIS 軟體為 ArcView3.x，在運用上主要著重於資料彙整、地理資訊系統分析及結果展示，在此系統裡主要包含了幾個模組可相互運用。空間資料部份，主要以點、線、面的圖徵表示已建立真實世界中事物。其中「點」為一組 X、Y 座標值，

以符號來標示某一位置點，點為主要描述點在空間的分布情形，所描述之主題為鑽孔點位、地震震源、電話亭等資料；「線」是兩個以上座標組成，X、Y 座標數量越多，就能描述一條複雜曲線，所描述之主題為河川、道路地下管線等；「面」由多個 X、Y 座標所構成之封閉多邊形，因此起點與終點為相同之座標值，所描述之主題為縣市邊界、土壤地質等資料；屬性資料則是利用文字或數字來描述空間資料 (陳錦嫣，2003)。

地理資訊系統(Geographic Information System)簡稱 GIS，在國外也有人使用 Spatial Information System 表示相同的意思。所謂地理資訊，泛指地表上下之可見特徵及解釋空間特徵的現象，結合了電腦科技來協助完成各項決策的擬定，基本上 GIS 包含四項功能模組系統：

1. 圖形展繪及編修功能模組：一般之地理資訊系統均包含有，空間資料的編輯、修改功能及對非空間資訊進行輸入與編修功能，使空間資訊圖形與非空間資訊結合。

2. 資料庫管理模組：資料管理系統就如同是資料庫的管理者，決定儲存資料最有效的方法，主要目的在使資料庫能更有效率的安排資料欄位及記錄，在此強調是資料分享的管理與控制。

3. 地理資訊分析模組：地理資訊分析功能，針對不同主題圖層進行分析查詢與模式分析，這些功能可以直接被使用者使用，或相關附屬程式呼叫使用，一般功能如下：

(16)

擷取、分類、度量：利用圖形資料庫與屬性資料庫相連結的特性，依資料庫及取另一個資料庫的資料，或者在相同性質的圖徵加以合併分類，對於圖徵可做運算，如量測距離、周長及面積。

疊合分析(Overlay)：以人口之屬性欄位除上面積屬性欄位，便可得到人口密度，

此功能性質即為算數疊合分析。利用不同圖形資料套疊分析稱為圖形疊合分析。

近鄰分析(Neighborhood Analysis)：區域內近鄰關係之各種空間分析，例如空間統計、地形分析、內插分析或等高線分析等，如可利用內插分析求取未知點位資料。

連通分析(Connectivity Analysis)：在特定空間中做連續性移動的各種特性分析，

如影響範圍。

4. 附屬應用程式模組：地理資訊系統除了本身系統所提供的模組之外，還有其他附屬之程式語言的編輯功能，如 ARC/INFO 軟體所提供之 SML 語言等。

在資料分析處理時，首要工作必須蒐集相關的地理資料，地理資料是一種空間資料，必須有一種方法加以標定例如二度分帶座標。在空間資料以外的資料，例如描述資料或特徵文字等資料，通稱為屬性資料，主要是提供查詢所需的資料。在空間與空間之間有許多關聯性的資料，只要在空間中的資料屬性相同，可做空間與空間上的聯結或計算，但是空間與空間的關連性相當多且複雜，因此在建立屬性資料時，多以現有資料先建立，待後續資料建立時能有效運用。

2.2 鑽孔資料收集

2.2.1 鑽孔資料蒐集與篩選

本研究於宜蘭地區經由各單位所收集到之鑽孔共計 739 比，鑽孔資料鑽孔資料主要來源是國家地震工程研究中心、宜蘭縣政府、國道新建工程局、水利處第一河川局及宜蘭線經過篩選之工程顧問公司和建築師事務所等。為了有效的整理鑽孔資料首先將所有的鑽孔資料建入 Excel 中，再將其轉成可在 ArcView3.x 執行的 dbf 檔，利用結合空間及資料的功能，將所有的鑽孔位展示出，並加以判斷其資料的正確性。

鑽孔資料的初步篩選可分為三部份進行：X、Y 座標的準確性、地下水位資料的正確性及相關資料的完整性，以此三部份過濾可能錯誤或資料不齊全之鑽孔資料，經過篩選後剩餘鑽孔資料為 601 孔，初步鑽孔資料篩選內容如下：

依鑽孔資料的 X、Y 座標結合的空間性，以檢核鑽孔座標的正確性，利用 (ArcView3.x-join)加入的功能，首先將所有的鑽孔資料的 X、Y 座標和宜蘭地區之行政區域座標範圍作結合，將鑽孔資料個別的各行政區域中，將劃分後的行政區城與原始資料做比對，檢核抄錄的行政地區是否吻合，並將不正確的鑽孔資料刪除。本研究在檢視座標資料中共刪除 20 比鑽孔資料，詳細資料統計如表 2-2。

(17)

依鑽孔資料的地下水分佈，以地下水位分布檢核地下水位合理性，利用空間分析(ArcView3.x-Spatial Analyst)，其能將資料結合空間性來加以分析的功能繪出地下水深，並刪除不合理的資料，首先在 Excel 表格中檢查所有鑽孔資料的地下水深，並將所有鑽孔資料的地下水位繪出，判讀出不合理的資料後加以刪除。本研究檢視地下水不合理資料共刪除 56 比鑽孔資料，詳細資料統計如表 2-3。

依相關資料之完整性做篩選，檢視各鑽孔試驗數據，如取樣深度、土、岩層說明、土壤分類或標準貫入值等，如有資料不齊全、記載不清楚及深度不足等狀況，鑽孔便予以刪除，本研究在資料不足部分所共刪除 62 比鑽孔資料，詳細資料統計如表 2-4。

鑽孔之統計如圖 2.7 所示可以發現，座標錯誤刪除以羅東鎮最多，在地下水位不合理的部份，以冬山鄉及及羅東鎮較多，在資料不足的部份，則是以礁溪鄉及蘇澳鎮較多。

由統計表 2-5 可知道各分區鑽孔分布狀況，經過三次的篩選共刪除 138 鑽孔資料，剩餘鑽孔為 601 孔，在三次篩選過程中，總計刪除最多鑽孔之地區為羅東鎮，其次為蘇澳鎮、

礁溪鄉及冬山鄉，反之在壯圍鄉並無刪除任何鑽孔，然而依各地區之鑽孔數量多寡，從正確率看來以壯圍鄉最高，其次宜蘭市、羅東鎮及五結鄉，宜蘭地區之平均正確率為 81%；從以鑽孔分布密度表示，鑽孔密度越高表示該地區鑽孔越少，除了在及山區鑽孔較少甚至在大同鄉並無鑽孔之外，宜蘭地區之鑽孔可說相當均勻的分布在各鄉鎮市。在篩選過程中發現資料錯誤的原因可分為二大類：一為人為疏失所造成；另一可能為鑽孔資料錯誤。

2.2.2 鑽孔資料建置

本研究鑽孔資料庫建置可分為四類地質屬性資料庫，此分類方式依據大地工程分區方法之抬頭表、A、B 及 C 表四類格式。

第Ⅰ類為抬頭資料，其中包括鑽探資料之基本資料，如鑽孔編號、鑽孔座標、鑽孔高程、地下水及鑽探方式等。

第Ⅱ類為鑽孔資料之土壤基本物理性質，包括取樣深度、土、岩層說明、土壤分類、

標準貫入值、取樣編號等，均依據鑽探公司所提供之試驗結果。

第Ⅲ類為土壤強度資料，包括直剪強度試驗(DST)、三軸壓密排水試驗(CID)、三軸飽和不壓密不排水試驗(SUU)等。

第Ⅳ類為計算資料，利用 Microsoft-Excel，計算土壤液化之安全係數、液化潛能指數、特徵加速度等。

2.2.3 鑽孔分布情形

在構造物施作之前須先進行鑽探了解地質狀況，宜蘭地區之鑽孔位置分布情形如圖 2.8，由鑽孔分布圖 2.8 看來，發現在宜蘭市及羅東鎮鑽孔分布最多密度最高，主要因為

(18)

在山區僅零星之鑽孔分布其中，主要因為山區鑽孔孔取得不易。整個鑽孔的分布來看，

可以稱的上均勻分布於蘭陽平原上，因此可以想見分析之數據能充分反應現地狀況。

2.3 大地工程分區

2.3.1 大地工程分區原則

大地工程分區之原則，經參照 1991 年及 1996 年，由李咸亨在所訂之工程地質分區原則，考量之原則條列如：依行政區域、依地質、依地形、依土壤分佈情形、依河流流域及沖積環境特性及土層性質，土壤性質包括考慮土壤基本特性、工程性質與其層次分佈情形，若土層厚度在 1.5 公尺內，且出現頻率在 40﹪以下，若厚度與出現頻率之乘積小於 60 公分，則予以忽略。

2.3.2 大地工程分區方法

大地工程分區方法主要以三步驟進行，為了能充分利用以資料庫數值的處理功能，

以絕對客觀的方式，將所有的鑽孔利用以下步驟做大地工程初步概念分區，分析流程如圖 2.9。大地工程分區法為一結合科學性及專業判斷之分析法，利用此方法可充分利用資料的運用性及嘗試性，可快速的提供參考判斷的數據，此外，地理資訊系統的套疊及分析功能，亦可提供整體性研判。

第一步驟：概念分區

依資料中鑽孔各土層土壤，依據不同土壤給於不同之代號，依公式 2.1 便可得到總深度之平均代碼值，依不同的SI 值以不同之顏色展現如表 2-6，至此便可以得到各鑽孔 之土壤初步的區分如圖 2.10。

∑

∑ ×

=

= n

1

i i

n 1

i i i

d d SI

SI

(2.1)

SI =等值土壤代碼

SIi =第 i 土層之土壤代碼 (查表 2-7) di =第 i 土層深度

n =分析鑽孔之土層層數 第二步驟：輔以地理資料值之判斷

將各鑽孔之土壤分類值利用地理資訊系統，套在宜蘭地區行政分區圖層或水系圖層等，將宜蘭地區之大地工程分區以概念劃分。

第三步驟：以大地工程資料庫系統作確認

最後利用大地工程資料庫系統(Geolog)，統合分析地層剖面柱狀圖，做最後確認工作；舉例說明 Geolog 分析流程如圖 2-11~圖 2.15。

(19)

2.3.3 大地工程分區結果

宜蘭地區依前述之分區原則及分區方法，可得到宜蘭地區之大地工程分區見圖 2.16，宜蘭地區大地工程分區圖將全區分為 11 區，由北至南依序為，頭城區、礁溪區、

宜蘭壯圍區、五結區、員山區、羅東冬山西區、羅東冬山東區、清水濱海區、蘇澳區、

中央山脈區、及雪山山脈區，各區依據地下土壤分類、土壤基本性質及土壤力學性質分類出來供後續的評估，各區之土層性質則依各區所收集得鑽孔之最深鑽探深度為主。

舉例說明，宜蘭壯圍土層分類概況如表 2-8，由於宜蘭市與壯圍鄉土層性質非常接近，因此將其定為同一區，此區可分為五層，第一層為黏土厚度約為 8.7 公尺，第二層為砂土厚度約為 11.5 公尺，第三層為黏土厚度約為 5.5 公尺，第四層為砂土厚度約為 10.3 公尺，第五層為黏土厚度約為 11 公尺，可以發現宜蘭壯圍區由黏土及砂土交互產生，

可清楚判別至五層深度總深度約為 47 公尺。在羅東鎮及冬山鄉，在大地分區上畫分為同一區，但又可分為兩區，即為：羅東冬山東區及羅東冬山西區。此二區之最大區別在於，東區第一層為黏土層厚度約為 12 公尺，西區第一層粉土層厚度約為 10 公尺，雖然兩區之第二層皆為砂土，但厚度卻相差近 2 公尺，因此才將此羅東冬山區分為兩區，羅東冬山西區土層分類概況見表 2-9，羅東冬山東區土層分類概況如表 2-10；其他分區也可依序劃分出來詳見附錄。

綜合以上大地工程分區的結果顯示，在蘭陽平原上的分區有分為 9 區，因此可知在蘭陽平原上不止一種土層分類型態，由結果可知可蘭陽平原區內地下土壤多屬於砂土及粉土黏土互層，因此本研究推論蘭陽平原發生土壤液化的現象很高，應進行土壤液化的判斷及計算，進而推論出會液化的區域。

(20)

表 2-1 宜蘭地區行政轄區之面積 (宜蘭縣政府主計室，2005)

行政區名稱面積(km²) 面積分配率(%) 人口人口密度(km²) 備註宜蘭市 29.41 1.37 94,606 3,217 縣治羅東鎮 11.34 0.53 73,629 6,490

蘇澳鎮 89.02 4.15 43,895 493

頭城鎮 100.89 4.17 32,188 319 轄區包括龜山島與釣魚台列嶼礁溪鄉 101.43 4.73 36,625 361

員山鄉 111.91 5.22 32,711 292 壯圍鄉 38.48 1.80 25,878 673 五結鄉 38.87 1.81 37,702 970 冬山鄉 79.86 3.73 50,907 637

三星鄉 144.22 6.73 21,712 151 縣地理中心大同鄉 657.54 30.67 5,812 9 山地鄉南澳鄉 740.65 34.55 5,921 8 山地鄉全縣合計 2,143.62 100.00 461,013 215

(21)

表 2-2 刪除錯誤「座標」之鑽孔統計表

行政區名稱鑽孔總數刪除錯誤鑽孔數剩餘鑽孔數

宜蘭市 217 0 217

羅東鎮 196 14 182

蘇澳鎮 65 2 63

頭城鎮 35 0 35

礁溪鄉 45 0 45

員山鄉 30 0 30

壯圍鄉 13 0 13

五結鄉 61 0 61

冬山鄉 56 3 53

三星鄉 11 0 11

大同鄉 0 0 0

南澳鄉 10 1 9

全縣合計 739 20 719

(22)

表 2-3 刪除錯誤「地下水」之鑽孔統計表

行政區名稱鑽孔總數刪除鑽孔數剩餘鑽孔數

宜蘭市 217 7 210

羅東鎮 182 10 172

蘇澳鎮 63 7 56

頭城鎮 35 6 29

礁溪鄉 45 2 43

員山鄉 30 2 28

壯圍鄉 13 0 13

五結鄉 61 5 56

冬山鄉 53 13 40

三星鄉 11 0 11

大同鄉 0 0 0

南澳鄉 9 4 5

全縣合計 719 56 663

(23)

表 2-4 刪除「資料不足」之鑽孔統計表

行政區名稱鑽孔總數刪除鑽孔數剩餘鑽孔數

宜蘭市 210 8 202

羅東鎮 172 3 169

蘇澳鎮 56 10 46

頭城鎮 29 5 24

礁溪鄉 43 15 28

員山鄉 28 9 19

壯圍鄉 13 0 13

五結鄉 56 2 54

冬山鄉 40 4 36

三星鄉 11 3 8

大同鄉 0 0 0

南澳鄉 5 3 2

全縣合計 663 62 601

(24)

表 2-5 刪除孔數之統計表

行政區鑽孔總數鑽孔刪除總數剩餘鑽孔數鑽孔正確率 (%)

鑽孔於各鄉鎮市分布密度 (孔/km²) 宜蘭市 217 15 202 93 0.146 羅東鎮 196 27 169 86 0.067

蘇澳鎮 65 19 46 71 1.935

頭城鎮 35 11 24 69 4.204

礁溪鄉 45 17 28 62 3.623

員山鄉 30 11 19 63 5.890

壯圍鄉 13 0 13 100 2.960

五結鄉 61 10 54 84 0.762

冬山鄉 56 17 36 70 2.048

三星鄉 11 3 8 73 18.028

大同鄉無鑽孔無鑽孔無鑽孔無鑽孔無鑽孔

南澳鄉 10 8 2 20 370.325

合計、平均 739 138 601 81

(25)

表 2-6 SI 值顏色分類表

SI 值範圍分類項分類圖標示

1-1.5 I 紅

1.5-2.5 II 灰

2.5-4 III 藍

表 2-7 土壤之 SI 分類代碼表

土壤土壤代號土壤代碼(SI_i)

礫石 G 1 砂土 S 2 粉土 M 3 黏土 C 4

(26)

表 2-8 宜蘭壯圍區之土層分類概況

礫石砂土粉土黏土層次統一土壤分類厚度(m) SPT-N

%

第一次層 CL 8.72 4 0.41 11.22 63.15 24.96 第二次層 SM 11.74 13 2.53 70.63 22.02 4.77 第三次層 CL 5.52 10 0.97 14.97 59.8 24.32 第四次層 SM 10.29 20 1.67 73.81 19.13 5.15 第五次層 CL 10.95 14 0 12.33 72.03 26.17

(27)

表 2-9 羅東冬山西區之土層基本性質表

%

第一次層 ML 10.22 4.69 0.13 10.78 65.51 23.15 第二次層 SM 10.18 12.18 5.05 64.61 25.51 3.20 第三次層 ML 6.65 8.81 0.00 29.94 58.01 10.92 第四次層 SM 8.41 16.32 6.55 68.81 23.19 2.24

(28)

表 2-10 羅東冬山東區之土層基本性質表

%

第一次層 CL 12.34 4.77 0.00 7.24 66.38 26.43 第二次層 SM 7.97 11.30 4.53 74.38 20.98 0.13 第三次層 CL 8.83 10.06 0.00 22.30 61.00 16.70

第四次層 SM 7.00 9.00 －－－－

(29)

圖 2.1 宜蘭地區於台灣地區相關地理位置圖 (中央地質調查所)

(30)

圖 2.2 宜蘭地區五萬分之ㄧ地質圖 (中央地質調查所)

(31)

圖 2.3 宜蘭地區行政區域各鄉鎮市分區圖

(32)

圖 2.4 宜蘭地區各村里分分區圖

(33)

水系分布位置

圖 2.5 宜蘭地區水系圖

(34)

圖 2.6 宜蘭地區地下水位

(35)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

宜蘭市羅東鎮蘇澳鎮頭城鎮礁溪鄉員山鄉壯圍鄉五結鄉冬山鄉三星鄉大同鄉南澳鄉

行政分區

刪除鑽孔數

刪除座標錯誤孔數刪除地下水錯誤孔數刪除資料不足孔數

圖 2.7 宜蘭地區鑽孔刪除統計圖

(36)

圖 2.8 刪除後剩餘之鑽孔位置圖

(37)

考量之原則條列：

依行政區域、依地質、依地形、依土壤分佈情形、依河流流域及沖積環境特性及土層性質，土壤性質包括考慮土壤基本特性、工程性質與其層次分佈情形。

考量之土層條件：土層在該分區內厚度在1.5公尺以內，且出現頻率在40﹪以下，若厚度與出現頻率之乘積小於60公分，則予以忽略。

步驟一：依據不同土壤給於不同之代號(SI

_i

)，依下列公式 (2.1)求取總深度之平均代碼(SI)值：

(2.1) SI =等值土壤代碼

SI

_i

=第i土層之土壤代號(查表2-7) d

_i

=第i土層深度

n =分析鑽孔之土層層數

∑

∑ ×

=

= n

1

i i

n 1

i i i

d d SI SI

步驟二：利用地理資訊系統，將結果套在宜蘭地區行政區域及水系圖層上便可依地理資料，將宜蘭地區之大地工程分區以概念劃分。

步驟三：利用大地工程資料庫系統(Geolog)統合分析地層剖面柱狀圖，做最後確認工作。

考量之原則條列：

依行政區域、依地質、依地形、依土壤分佈情形、依河流流域及沖積環境特性及土層性質，土壤性質包括考慮土壤基本特性、工程性質與其層次分佈情形。

考量之土層條件：土層在該分區內厚度在1.5公尺以內，且出現頻率在40﹪以下，若厚度與出現頻率之乘積小於60公分，則予以忽略。

步驟一：依據不同土壤給於不同之代號(SI

_i

)，依下列公式 (2.1)求取總深度之平均代碼(SI)值：

(2.1) SI =等值土壤代碼

SI

_i

=第i土層之土壤代號(查表2-7) d

_i

=第i土層深度

n =分析鑽孔之土層層數

∑

∑ ×

=

= n

1

i i

n 1

i i i

d d SI SI

步驟二：利用地理資訊系統，將結果套在宜蘭地區行政區域及水系圖層上便可依地理資料，將宜蘭地區之大地工程分區以概念劃分。

步驟三：利用大地工程資料庫系統(Geolog)統合分析地層剖面柱狀圖，做最後確認工作。

圖 2.9 大地工程初步概念分區流程圖

(38)

#

##

#

##

#

##

#

##

#

##

#

###

#

##

#

# #

#

##

#

##

###

##

#

##

#

##

# #

#

##

#

##

#

##

#

##

#

##

# #

#

# #

#

# #

#

##

#

##

#

##

#

##

#

## #

##

#

##

#

##

#

##

#

# ##

#

##

#

##

#

##

#

# #

#

##

#

# #

#

##

#

##

#

## #

#

##

#

##

#

##

#

# #

#

##

#

# #

#

##

#

##

#

##

#

##

#

###

##

#

###

#

# #

#

###

#

##

###

#

####

##

#

# ##

#

##

#

##

#

# #

#

##

#

##

#

# #

#

宜蘭水系宜蘭縣鄉鎮圖 SI值

#

1 - 1.5

#

1.5 - 2.5

#

2.5 - 4 N S

E W

S

宜蘭水系宜蘭縣鄉鎮圖 SI值

#

1 - 1.5

#

1.5 - 2.5

#

2.5 - 4

圖 2.10 數值資料處理所得之縱合分區概念圖

(39)

圖 2.11 GEOLOG 版之宜蘭地區地圖

(40)

圖 2.12 宜蘭市國立宜蘭大學附近地區之地圖及各鑽孔位置

(41)

圖 2.13 鑽孔抬頭表資料範例

(42)

圖 2.14 鑽孔 A 表資料範例

(43)

圖 2.15 宜蘭壯圍區地層剖面柱狀圖範例

(44)

中央山脈區雪山山脈區

礁溪區宜蘭壯圍區

頭城區

員山區五結區

蘇澳區羅東冬山西區

羅東冬山東區清水濱海區

23 18

2

27

167

72

19

87 61

22 14

E W

S ^N

E W

S

圖 2.16 宜蘭地區大地工程分區圖

(45)

第三章土壤液化之初步評估

在上一章所探討之大地工程分區結果發現，宜蘭地區於蘭陽平原之地質狀態非為同一種，然土壤液化有區域特性的，也就是說土壤液化不會大範圍的發生，而是發生在某個範圍內，因此從土壤性質出發，作為評估宜蘭地區土壤液化潛能的開端，有助後續的研究。因此，本章主要探討在不考慮地震因素下，宜蘭地區之土壤是否有液化的可能性，

此方法主要是根據探討地震時液化與非液化案例之文獻，蒐集歸納相關土壤性質數據後，找出液化土壤的共通性予以判斷，本研究稱之為土壤液化之初步判別。

3.1 土壤液化機制探討 3.1.1 土壤液化之定義

土壤液化是指土壤狀態由固體轉為液化的過程，液化後土壤行為近似液體，由於液體本身不能抗剪，且不能維持自身的形狀，有流動性及浮力，產生液化主要是因為「振 (震)動」的產生，可能為施工時所產生的振動或地震震動，但多數探討土壤液化時則以地震所產生之震動為主。

3.1.2 土壤液化之原理

最早在 1918 年，Hazen 針對 Calaveras 土壩破壞現象提出液化(Liquefaction)名詞，

在當時所指的是高靜水壓力下砂土破壞現象。Casagrande 於 1936 年以砂質土壤的臨界孔隙比(Critical Void Ratio)理論提出土壤液化之概念。當緊密砂土受到剪力時則會使土體產生膨脹的現象，當疏鬆砂土則會使體積變小，當砂土受到剪力而使體積不再變化時之孔隙比，稱之為臨界孔隙比，當沉積砂土層之孔隙比大於臨界孔隙比受到地震影響時，

孔隙中的水無法排出因此孔隙水壓增大，若地震持續作用下則可能發生液化現象。

Mogami 與 Kubo 在 1953 年時提出，當無凝聚性土壤當受到擾動時，土壤將會變形的定義稱之為「液化」。

1964 年日本新瀉發生大規模的地震，地震調查報告發現，建物沉陷、傾斜及橋墩下陷甚至路面破壞，多數因為土壤受到地震力作用，引起土壤液化而產生的結果，至此土壤液化的課題引起全世界的熱烈討論。

Seed 於 1966 年指出，液化現象應以「反覆振動力作用」產生為主，引起大地工程界廣泛討論。Das 於 1983 年以有效應力與孔隙水壓之和來說明的條件，如公式 3.1 表示，

如果總應力等於孔隙水壓，則有效應力就為零，在此條件下砂土不會有任何抗剪強度。

因此當地震作用於土體之後，土壤之垂直應力不會改變，但反覆剪應力則伴隨地震作用力而產生如圖 3.1。

−u

=

σ

^' (3.1) σ 為有效應力 '

σ 為總應力

(46)

黃富國在 1996 年表示液化發生的原因，當地震發生時震由岩盤往上傳佈至土層，

大能量的剪力波對土體持續施予反覆剪應力，由於反覆剪應力作用甚短，土體內之孔隙水壓無法消散，使土體結構發生改變。李咸亨與陳慧慈在 1997 年表示，地震前的砂土地盤雖有地下水存在，但房屋依然可以屹立其上如圖 3.2(a)。遇到地震時，顆粒之間激增的地下水壓使空隙變大，顆粒分離減少接觸點，以致瞬間失去支撐力，房屋因此傾斜且陷入流砂中，如圖 3.2(b)。地震後的孔隙水壓消散，砂土顆粒沉澱土層反而更加緊密，

因此原來的地表面會有沉陷的現象如圖 3.2(c)。

3.1.3 土壤液化之相關名詞

土壤液化研究發展至今，關於土壤液化的名詞，依據土體的變化而有不同的見解，

根據文獻將此相關名詞彙整如下，主要依據液化的狀態來做區分，在工程應用上均通稱為液化。

1. 液化(Liquefaction)：任何物質轉化成液體之行為，孔隙水壓力逐漸升高或有效應力降低，此時土壤的抗剪強度逐漸減小。Seed 於 1979 年指出高孔隙水壓的產生若持續存在，會使土壤之有效圍壓減至非常低，使土壤殘餘抗剪力強度因而變小，土壤極可能產生變形的現象，靜荷重及反覆荷重均可能造成此現象。黃富國於 1996 年表示，對於具有收縮性的鬆砂而言土壤受剪時，土壤內的孔隙水壓力升高，有效應力降低，當孔隙水壓升高至ru=100%或有效應力降低至

σ

^' ≅0，稱之為液化。

2. 初始液化(Initial Liquefaction)：此名詞常使用於室內試驗；當孔隙水壓力與有效圍壓相等時之砂土狀態，此名詞又可以全孔水壓力比(Full or 100% pore pressure ratio) 表示。Seed 於 1979 年則以反覆應力作用一週後，殘留孔隙水壓與圍壓相等時狀態。

3. 反覆流動性(cyclic mobility)：黃富國於 1996 年表示，對於具有膨脹性的緊密砂土而言，初始液化後，強度並未完全消失，若變形量累積超過容許值，則產生破壞現象，

稱之為反覆流動性。

4. 有限流動應變(limited flow strain or deformation)：因為當孔隙水壓等於圍壓時，也就是初始液化後，隨後的反覆剪應力僅能造成有限的應變後即停止應變，主要原因是因為土體膨脹使孔隙水壓降低有效圍壓升高，有限應變使剪力強度只是暫時損失，

並非永久損失，此名詞與上述之反覆流動性有相同的意思。

5. 無限流動應變(unlimited flow strain or deformation)：在初始液化後，在不排水反覆應力持續狀態下應變持續不段增加，剪力強度永久損失。

6. 反覆應變軟化(cyclic strain softening)：在飽和不排水狀態於反覆荷重下，孔隙水壓持續增加之緣故，應變與應力的比值逐漸增加的現象。

3.1.4 土壤液化之影響因素

當振動引致反覆剪應力大於土壤阻抗剪應力時，即會產生液化情形，因此對於可能造成土壤液化的各項因素可分為地震特性、土層特性及土壤組成特性，影響之因素彙整

國立宜蘭大學土木工程學系研究所 碩士論文 Department of Civil Engineering National Ilan University Master Thesis