大臺北地區大規模地震衝擊情境之 災害潛勢與建物人員災損分析

NCDR 102-TXX

大臺北地區大規模地震衝擊情境之 災害潛勢與建物人員災損分析

國家災害防救科技中心 中華民國 103 年 02 月

NCDR 102-TXX

大臺北地區大規模地震衝擊情境之 災害潛勢與建物人員災損分析

災害潛勢與建物人員災損分析

國家災害防救科技中心 中華民國 103 年 02 月

目錄

表目錄 ... v

圖目錄 ... vi

第一章 前言 ... 1

1.1 研究動機 ... 1

1.2 研究目的 ... 2

第二章 大規模地震地動情境 ... 5

2.1 地動分析模式介紹 ... 5

2.2 地動特徵分析結果 ... 7

2.3 特定震源地動情境模擬 ... 10

第三章 大臺北地區土壤液化潛能分析 ... 24

3.1 大臺北地區地質環境概述 ... 24

3.2 土壤液化成因及國內外研究現況 ... 25

3.3 大臺北地區土壤液化分析 ... 31

3.3.1 大臺北地區土壤液化敏感性分析 ... 32

3.3.2 臺北盆地土壤液化潛能分析 ... 32

3.4 土壤液化引致沉陷分析 ... 37

3.4.1 臺北盆地土壤液化引致沉陷分析 ... 37

3.4.2 大臺北地區土壤液化引致沉陷分析 ... 38

3.5 土壤液化災害衝擊情境初步分析 ... 39

第四章 建物損壞評估 ... 53

4.1 地震災損評估系統文獻回顧 ... 53

4.1.1 HAZUS 地震災損評估系統 ... 53

4.1.2 TELES 地震災損評估系統 ... 55

4.2 新北市地震災損評估系統 ... 58

4.3 一般建物災損評估 ... 60

4.3.1 房屋稅籍資料 ... 61

4.3.2 建物災損評估流程 ... 61

4.3.3 大臺北地區建物災損評估 ... 63

4.4 小結 ... 64

第五章 人員受災情境研判 ... 83

5.1 日間人口評估模式 ... 83

5.1.1 人口定義 ... 83

5.1.2 日間人口評估模式之建立 ... 84

5.2 簡易動態人口分布評估模式之建立 ... 86

5.2.1 人口流動統計資料 ... 86

5.2.2 簡易評估法 ... 87

5.2.3 研究結果分析 ... 88

5.3 網格人口評估 ... 89

5.3.1 網格分區說明 ... 89

5.3.2 建物基地面積人口密度分區法 ... 89

5.3.3 建物基地面積人口密度分區法研究成果 ... 91

5.3.4 樓地板面積人口密度分區法 ... 91

5.3.5 樓地板面積人口密度分區法研究成果 ... 92

5.4 震後人口受災影響分布評估 ... 93

5.4.1 大臺北地區地震引致人員受災情境模擬 ... 93

5.4.2 建物引致人員受災分析 ... 96

第六章 結論與建議 ... 114

表目錄

表 2.1、地動預估模式彙整與場址修正 ... 12

表 2.2、造成大臺北地區災害的地震事件 ... 13

表 3.1、液化敏感性分類表(Youd and Perkins, 1978) ... 41

表 4.1、依房屋稅籍資料的構造類別所歸納的模型建物分類(葉錦勳， 2003) ... 66

表 4.2、不同年代建物所在震區與耐震設計水準的對應關係(葉錦勳， 2003) ... 66

表 4.3、單棟模型建物的樓地板面積(葉錦勳，2003) ... 67

表 4.4、 各模型建物的能耐曲線參數(葉錦勳，2003) ... 67

表 4.5、各模型建物的易損性曲線參數 (a)高耐震設計水準建物(葉錦 勳，2003) ... 68

表 4.5(續)、各模型建物的易損性曲線參數(b) 中耐震設計水準建物 .. 68

表 4.5(續)、各模型建物的易損性曲線參數 (c)低耐震設計水準建物 .. 69

表 4.5(續)、各模型建物的易損性曲線參數 (d) 未經耐震設計水準建物 ... 69

表 4.6、短週期與長週期結構之阻尼比修正係數

B _s

與

B ₁

(線性內插求值) ... 70

表 4.7、地表加速度計算方式(新北市地震災損評估系統，2012) ... 70

表 4.8、房屋稅籍資料格式 ... 71

表 5.1、日本和歌山縣各時刻下人口流動評估方法 ... 98

表 5.2、大阪市及台北市都市條件綜整 ... 98

表 5.3、台灣都會區動態人口簡易評估模式 ... 99

表 5.4、人員受災模擬項目彙整 ... 99

圖目錄

圖 2.1、大臺北地區 500x500m 網格化圖資 ... 14

圖 2.2、PGA 預估觀測站分布圖 ... 15

圖 2.3、PGA 預估觀測站間距統計 ... 15

圖 2.4、PGV 預估觀測站分布圖 ... 16

圖 2.5、PGV 預估觀測站間距統計 ... 16

圖 2.6、PGD 預估觀測站分布圖 ... 17

圖 2.7、PGD 預估觀測站間距統計 ... 17

圖 2.8、地動值預估的流程(Jean et al., 2006) ... 18

圖 2.9、造成大臺北地區災害的地震事件 ... 18

圖 2.10、台灣地區活動斷層分布圖與大臺北地區山腳斷層幾何圖 .... 19

圖 2.11、山腳斷層幾何位置與可能引致的地震矩規模 ... 19

圖 2.12、山腳斷層全段錯動之 PGA 模擬震度分布 ... 20

圖 2.13、山腳斷層全段錯動之 PGV 模擬震度分布 ... 20

圖 2.14、山腳斷層全段錯動之 PGD 模擬震度分布 ... 21

圖 2.15、山腳斷層北段錯動之震度分布：(a)PGA, (b) PGV, (c) PGD . 22 圖 2.16、山腳斷層南段錯動之震度分布：(a)PGA, (b) PGV, (c) PGD . 23 圖 3.1、臺北盆地 PGA=0.23g 土壤液化潛能評估結果(李崇正，2001) ... 42

圖 3.2、臺北盆地設計考量地震(PGA=0.24g)土壤液化潛能分布(中央地 調所，2011) ... 42

圖 3.3、抗液化安全係數與液化後體積應變關係(Ishihara, 1992) ... 43

圖 3.4、本研究提出之土壤液化分析流程及主要產出 ... 43

圖 3.7、大臺北地區土壤液化敏感圖 ... 45

圖 3.8、地震規模 7.1 之 PGA 分布圖及土壤液化潛勢圖 ... 46

圖 3.9、地震規模 6.9 之 PGA 分布圖及土壤液化潛勢圖 ... 47

圖 3.10、地震規模 6.3 之 PGA 分布圖及土壤液化潛勢圖 ... 48

圖 3.11、本研究與中央地質調查所之土壤液化評估結果比較... 49

圖 3.12、臺北盆地三組特定震源之液化引致沉陷分布(地下水位 2m) 50 圖 3.13、大臺北地區土壤液化引致沉陷分布圖(地震規模 7.1、地下水位 2m) ... 51

圖 3.14、大臺北地區液化引致沉陷套疊橋梁分布圖 ... 52

圖 4.1 建物地震災損評估流程(HAZUS) ... 72

圖 4.2 標準化需求震譜（蔡昇達，1999) ... 73

圖 4.3、結構物容量曲線（蔡昇達，1999) ... 73

圖 4.4、結構物易損性曲線（蔡昇達，1999) ... 74

圖 4.5、機率累積分布圖 ... 74

圖 4.6、雙線性化容量震譜曲線 (新北市地震災損評估系統，2012) ... 75

圖 4.7、性能點(新北市地震災損評估系統，2012) ... 75

圖 4.8 (a)、大臺北地區建物損壞分布圖–完全損壞 ... 76

圖 4.8(b)、大臺北地區建物損壞分布圖–嚴重損壞 ... 76

圖 4.8(c)、大臺北地區建物損壞分布圖–中度損壞 ... 77

圖 4.8(d)、大臺北地區建物損壞分布圖–輕微損壞 ... 77

圖 4.9(a)、板橋示範區建物棟數分布圖–所有建物 ... 78

圖 4.9(b)、板橋示範區建物棟數分布圖–無耐震設計建物 ... 78

圖 4.10(a)、板橋示範區建物樓地板面積分布圖–所有建物 ... 79

圖 4.10(b)、板橋示範區建物樓地板面積分布圖–無耐震設計建物 ... 79

圖 4.11、板橋示範區強地動分布圖 ... 80

圖 4.13(a)、板橋示範區無耐震設計建物災損分布圖–完全損壞 ... 81

圖 4.13(b)、板橋示範區無耐震設計建物災損分布圖–嚴重損壞 ... 81

圖 4.13(c)、板橋示範區無耐震設計建物災損分布圖–中度損壞 ... 82

圖 4.13(d)、板橋示範區無耐震設計建物災損分布圖–輕微損壞 ... 82

圖 5.1、行政院主計總處 2010 年人口統計資料 ... 100

圖 5.2、縣市常住人口及活動人口資料 ... 100

圖 5.3、各時刻下人口流動統計資料 ... 101

圖 5.4、都會城市各時段下的人口流動趨勢 ... 101

圖 5.5、動態人口資料評估流程 ... 102

圖 5.6、大臺北地區(北北基)全時段人口動態活動分布評估結果 ... 103

圖 5.7、縣市全時段人口動態活動分布評估結果比較 ... 103

圖 5.8、縣市室內人口及環境屬性人口分布比較 ... 104

圖 5.9、縣市總人口、室內人口及戶外人口比較 ... 104

圖 5.10、建物輪廓面積人口密度分區法 ... 105

圖 5.11、居家時段室內人口分布(基地面積密度分區) ... 105

圖 5.12、上班通勤時段室內人口分布(基地面積密度分區) ... 106

圖 5.13、上班時段室內人口分布(基地面積密度分區) ... 106

圖 5.14、下班通勤時段室內人口分布(基地面積密度分區) ... 107

圖 5.15、樓地板面積人口密度分區法分析流程 ... 107

圖 5.16、居家時段室內人口分布(樓地板面積密度分區) ... 108

圖 5.17、上班通勤時段室內人口分布(樓地板面積密度分區) ... 108

圖 5.18、上班時段室內人口分布(樓地板面積密度分區) ... 109

圖 5.19、下班通勤時段室內人口分布(樓地板面積密度分區) ... 109

圖 5.20、四種不同時段下人口受災境況說明 ... 110

圖 5.22、震後建物毀損引致人員傷亡資料庫與評估技術介接規劃流程

... 111

圖 5.23、震後建物毀損引致人員死亡分布模擬(居家時段) ... 112

圖 5.24、震後建物毀損引致人員死亡分布模擬(上班通勤時段) ... 112

圖 5.25、震後建物毀損引致人員死亡分布模擬(上班時段) ... 113

圖 5.26、震後建物毀損引致人員死亡分布模擬(下班通勤時段) ... 113

第一章

前言

臺灣位於歐亞大陸板塊和菲律賓海板塊之碰撞與隱沒地帶，因此 地震活動十分頻繁，地震觀測和地震研究是非常重要的事。

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXx

1.1 研究動機

臺灣的地理位置處於歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊相互碰撞之交 界帶，是一典型板塊碰撞下所產生之大陸邊緣島嶼，災害性地震重複 發生，顯示臺灣這個島嶼實為地殼活動非常劇烈的一個區域。另外，

根據過去歷史的記載，臺灣地區百人以上死亡的災害地震有14次，其 中千人以上死亡有4次：1848年彰化地震(1,030人死亡)、1906年梅山地 震(1,258人死亡)、1935年新竹-臺中地震(3,276人死亡)、及令人印象深 刻的1999年集集地震(2,444人死亡)等（資料來源：鄭世楠）。而且隨 著經濟建設的迅速發展，高樓大廈林立，各大都會區人口密度不斷提 高，更大幅增加地震對於人民生命財產的威脅，因此生活在地震威脅 如此嚴重的環境下，地震研究在災害防治上的應用益顯重要，並積極 推動大規模地震災害防治工作，以減少大規模地震帶來的損失。

1.2 研究目的

透過專家諮詢會議方式討論大臺北地區之高潛勢地震源與合宜之 地動預估方法，並建立大臺北地區高潛勢地震源之地動分布圖資與引 致液化分布情境，接續整合地動模擬與工程評估技術，目前針對建物 災損評估與人員傷亡評估為主要優先進行工作。其中，大臺北地區高 潛勢地震源之地動分析之重要成果包括：一、設定大臺北地區地震衝 擊模擬震源，二、建立網格化地動圖層，三、 建置土壤液化評估流程 與網格化潛勢圖資。

大臺北地區建物及人口主要集中於沖積平原地區，在強烈地震作 用下，沖積平原地區可能發生土壤液化現象；土壤液化後，土壤將失 去承載力而地表將產生沉陷，危及建物及設施安全。因此，本研究參 考國內外相關研究，並考量分析尺度及基本資料細緻程度，建立土壤 液化初步及詳細評估方法；然後以地動模擬之網格化地動分布值，進 行大臺北地區土壤液化潛勢及液化引致沉陷分析，建置網格化土壤液 化潛勢圖資。

針對一般建物，採用非線性靜力分析（易損性分析）的評估方法，

建立不同結構型態建物的損害評估模式，並進行測試及說明。主要工 作：

1. 網格化建物分布圖層：目前已取得台北市、新北市及基隆市的房屋 稅籍資料，並依據結構型態、建物高度、建造年代、耐震設計等級 等來進行建物分類，建立網格化建物分布圖層。

2. 建物損害評估技術：針對非線性靜力分析（如易損性分析）進行盤 點，召開學者專家座談會，與外部進行討論與交換意見，建立可行 的一般建物損害評估程序，並產製網格化建物災損分布圖。

在整個防災計畫中，人是最重要的保全對象，因此人口資訊是都 市防災計劃中，最不可或缺的基礎資料。透過已掌握的人口資料，在 災害前的整備期間，可以及早規劃防災資源的整備；當災害發生期間，

透過已知的人口分布情形，可於第一時間內將資源投入人口集中處，

提升救災資源的調度效率。

為能因應天然災害的襲擊，尤其是任一時刻都可能發生的地震，

其所引致人員傷亡的災害程度，是隨著發生時間及人口所在環境而有 所不同的。因此人口分布地圖於防災研究上有其重要性，資訊的提供 也應該朝向更細緻化的選擇。傳統的人口資訊，在數據資料的部分，

多由實際調查所得，不僅需要花費大量的人力與時間進行蒐整，從數 據資料也無法直接判讀空間性的資訊；在人口分布圖的部分，則常見 圖層分區單元不夠細緻、研究分區不同或行政單元於時間上的重組與

多以行政區域為單位，在資訊上也只呈現特定行政區的人口密度或是 人口數的訊息。爰此，人口資訊若能因應時間、所在環境來給予細緻 的人口數據資訊，並且透過人口分布圖提供空間性資訊，同時在資料 格式上可配合不同分區邊界來建置人口資料，是為較符合現今人口資 料運用的期待。

第二章 大規模地震地動情境

本研究透過專家諮詢會議方式討論大臺北地區之高潛勢地震源與 合宜之地動預估方法，並建立大臺北地區高潛勢地震源之地動分布圖 資與產製網格化圖資供後續災害潛勢評估。

2.1 地動分析模式介紹

彙整八項地動預估研究文獻，包含Jean and Loh (2001)、張毓文 (2002)、Jean et al. (2006)、章順強(2009)、Lin and Lee (2008)、Lin et al.

(2011)、劉坤松(1999)、Liu and Tsai (2005)、Wu et al. (2001)等，上述研 究成果分別針對最大地表加速度(Peak Ground Acceleration, PGA)、最大 地表速度(Peak Ground Velocity, PGV)、最大地表位移(Peak Ground Displacement, PGD)以及譜加速度(Spectral Acceleration, SA)進行地動預 估模式的分析與建立，其中為強化地動預估的精準，即降低預估模式 的偏差值，部分研究成果將場址修正因子納入地動預估模式中；修正 因子可以分為兩個範疇，第一類屬於單一場址修正因子，即不論預估 地動值大小其修正量固定，如Lin and Lee (2008)、Lin et al. (2011)、劉 坤松(1999)以及Liu and Tsai (2005)，第二類屬於非固定場址修正因子，

即場址修正量依預估地動值而變化，如張毓文 (2002)、Jean et al.

的預估，如台灣地區隱沒帶發生的地震，如Lin and Lee (2008)與Lin et al.

(2011)。各地動預估模式整理如表2.1所示。

本研究地動預估使用之網格為500x500公尺，可明顯呈現大臺北地 區(涵蓋台北市、新北市、基隆市地區)之地動各場址之間差異，空間解 析相較於鄉鎮區更細緻且易於資料彙整與提升評估效能，以及能夠涵 蓋較多地動值預估，圖2.1為大臺北地區範圍，底圖為Google Earth衛星 影像圖，其中黃色方框為網格，本項工作挑選易於取得與合宜的地動 預估模式進行特定震源造成各地震動情境，初步以PGA、PGV以及PGD 為主要情境模擬重點；PGA地動模擬選取Jean and Loh (2001)、張毓文 (2002)與Jean et al. (2006)之研究成果，PGV地動模擬選取章順強 (2009) 之研究成果，PGD地動模擬選取劉坤松(1999)、Liu and Tsai (2005)之研 究成果。

網格的解析需視上述各研究成果所使用觀測站的密度，解析大臺 北地區500x500公尺網格的地動值的需有觀測站間距離至少1,000公尺 (=1公里)的資料，才能符合該網格的解析程度，其中PGA使用Jean and Loh (2001)、張毓文 (2002)與Jean et al. (2006)之地動預估模式，文獻中 使用的觀測站位於大臺北地區之位置分布如圖2.2所示，其中方形符號 為觀測站位置，總計觀測站有108站，圖2.3為各觀測站距離間距統計，

平均間距約10公里；PGV使用章順強(2009)之地動預估模式，文獻中使 用的觀測站位於大臺北地區之位置分布如圖2.4所示，其中方形符號為 觀測站位置，總計觀測站有96站，圖2.5為各觀測站距離間距統計，距 離間距分布1~63公里範圍，平均距離間距10公里；PGD使用劉坤松 (1999)、Liu and Tsai (2005)之地動預估模式，總計觀測站有84站，距離 間距分布範圍為1~64公里；文獻中使用的觀測站位於大臺北地區之位 置分布如圖2.6所示，其中方形符號為觀測站位置，圖2.7為各觀測站距 離間距統計，間距分布1~64公里範圍，平均間距10公里。因此，由PGA、

PGV、PGD的觀測站距離間距可以得到最小觀測站距離間距為1 km，

結果符合500x500m網格解析。

各地地動分布預估流程可以分為兩個階段，首先以地動預估模式 進行各觀測站位置的地動值計算，再加以場址修正量，以Jean et al.

(2006) 之地動概略圖表示，如圖2.8所示，先進行評估各地點位的地動 加速度值，接續依據該加速度值將各點位進行場址修正。PGV與PGD 以相同流程進行各地之地動預估。

2.2 地動特徵分析結果

回顧歷史地震發生後造成大臺北地區的事件，可參閱中央氣象局 官方網站，如表2.2所示，自1694年至2002年總計共13起地震事件，依

震震源：

1. 第一類為遠處的大規模地震：如 1986 年 11 月 15 日規模 6.7 的花蓮 地震，造成中和市華陽市場倒塌災害；1999 年 9 月 21 日規模 7.3 的 集集地震，造成東星大樓、博士的家倒塌災害；2002 年 3 月 31 日 規模 6.8 的花蓮地震，造成 101 大樓吊車墜落砸死四人。

2. 第二類為盆地直下的深源地震：如 1909 年 4 月 15 日規模 7.3，深度 80 公里的台北地震，造成 9 死 51 傷及房屋全倒 122 棟、半倒 1050 棟。

3. 第三類為盆地直下的淺源地震：歷史記載顯示康熙 33 年(1694 年) 4 月台北地區曾發生大規模地震，造成盆地下陷成大湖(林朝棨，

1957)；地震學者估計其規模為 7.0 (Hsu, 1983)，地質學者認為其與 山腳斷層的正斷層活動有關(李錫堤，1995)。上述歷史地震事件分 布如圖 2.9所示。

大臺北地區之直下型地震，如1864、1865以及1867年地震紀錄，

雖然無震源深度資訊，但學者指出1864年地震事件與山腳斷層活動有 關，應可歸屬於淺源地震；此部分模擬較接近以山腳斷層錯動結果，

但設定規模較小。依據歷史紀錄，大臺北地區之直下型地震，亦有1909

據歷史災害紀錄，亦是局部災情。震源設定課題本年度初以淺部直下 型地震事件為地震動情境模擬為主，未來再深入探討其它可能模擬震 源。

此外，淺部直下型地震事件以中央地質調查所公布台灣地區活動 斷層調查與地質學者確認類屬第二類活動斷層之山腳斷層橫跨大臺北 地區，如圖2.10所示。依據林啟文等人(2007)整理相關文獻，可將山腳 斷層分為南北兩段，中間以台北市北投地區為分界點，以南向延伸至 新北市樹林地區，長約13公里，以北向為延伸至新北市金山地區約21 公里，根據近期的相關研究，學者指出北段可至海域外16公里(胡植慶 等 人 , 2011) 。 根 據 斷 層 長 度 與 地 震 規 模 的 經 驗 關 係 式 (Wells and Coppersmith, 1994) 可以估算山腳斷層可能發生的地震規模，如下：

M

w

= 4.86+1.32log(L), =0.34 (2.1)

其中M

w

為地震矩規模，L為斷層長度，

為偏差值。如圖2.11所示，

假設山腳斷層北段錯動(紅色線段)，斷層長度約37公里，可能導致震矩 規模約6.9的地震；假設山腳斷層南段錯動(綠色線段)，斷層長度約13 公里，可以導致震矩規模約6.3的地震；假設山腳斷層全段錯動(斷層長 度約50公里)則可能導致震矩規模約7.1的地震。

由於地動預估模式之輸入參數為芮氏規模，因此參考Wu et al.

M

L

=4.3*ln(M

w

)-2.09±0.14 (2.2)

其中為M

_L

芮氏規模，山腳斷層南段錯動導致芮氏規模約6.2的地 震，山腳斷層北段錯動導致芮氏規模約6.6的地震，山腳斷層全段錯動 導致芮氏規模約6.8的地震。

2.3 特定震源地動情境模擬

大臺北地區威脅最大的可能震源為山腳斷層，因此，地動情境設 定可以山腳斷層三種不同錯動導致的地震規模，第一類地動情境為全 段錯動導致地震矩規模7.1(=芮氏規模6.8)的地震，第二類地動情境為山 腳斷層北段錯動導致地震矩規模6.9(=芮氏規模6.7)的地震，以及第三類 地動情境為山腳斷層南段錯動導致地震矩規模6.3(=芮氏規模6.2)的地 震，為簡化地震源的幾何分布，本項工作初步以線斷層型態為地震源 的幾何形狀，且設定震源深度為10公里。

第一類地動情境為極端災害情境，屬山腳斷層全段錯動：圖2.12 為山腳斷層全段錯動PGA地動模擬，大臺北地區鄰近斷層之PGA值超 過400 gal (=cm/sec

²

)，為中央氣象局定義之劇震等級，即人的感受達到 搖晃劇烈以致無法依意志行動，部分建築物受損嚴重或倒塌，幾乎所 有傢俱都大幅移位或摔落地面，山崩地裂，鐵軌彎曲，地下管線破壞

腳斷層全段錯動PGV地動模擬，最大值出現在大臺北地區西南、東南 及東北區域，即板橋、石碇、基隆等區域。圖2.14為山腳斷層全段錯動 PGD地動模擬，顯示斷層沿線區域之PGD出現較大值，其中以板橋、

樹林等區域之PGD為最大。

第二類地動情境為山腳斷層北段錯動，圖2.15(a)為PGA地動模擬，

圖2.15(b)為PGV地動模擬，圖2.15(c)為PGD地動模擬，結果顯示大臺北

地區亦有震度超過七級區域，由於設定規模與斷層長度相較於第一類 情境小，因此七級震度區域小於第一類情境之七級震度區域。

第三類地動情境為山腳斷層北段錯動，圖2.16(a)為PGA地動模擬，

圖16(b)為PGV地動模擬，圖16(c)為PGD地動模擬，結果顯示大臺北地 區震度七級區域，明顯小於第一類與第二類情境。

表 2.1、地動預估模式彙整與場址修正

預估模式 修正項

*Jean and Loh (2001)

PGA, PGV, SA(T=0.3s,

1.0s) 1. 無場址修正

*張毓文 (2002) PGA 1. 各觀測站之場址修正 2. 地震規模修正

*Jean et al.

(2006)

PGA, PGV, SA(T=0.3s, 1.0s)

1. 各觀測站之場址修正 2. 地震規模修正

*章順強 (2009) PGV 1. 各觀測站之場址修正 2. 地震規模修正

Lin and Lee

(2008) PGA, SA(T=0.01-5.0s)

1. 預估式含場址分類(土 壤、岩盤兩類)

2. 板塊內與板塊邊界地震 Lin et al. (2011) SA(T=0.01-5.0s)

1. 預估式含場址分類(土 壤、岩盤兩類)

2. 淺部震源

*劉坤松

(1999)；Liu and Tsai (2005)

水平向與垂直向 PGA, PGV, and PGD

1. 無場址修正項

2. 只針對 1999 年集集大 地震與 2003 年成功地 震得到殘差值分析。

Wu et al. (2001) PGA, PGV

1. 以即時站資料建立地動 預估式

2. 各即時站之場址修正

* 符號為本研究所選用的研究成果

表 2.2、造成大臺北地區災害的地震事件 發震時間 震 災 地

區 北緯 東經 規模 深 度

(km)

災害狀況 1694/4~5 臺 北 地

區 25.0 121.5 7.0 - 地陷、形成康熙 臺北湖

1811/3/17 嘉 義 以

北地區 23.8 121.8 7.5 - 人死 21、傷 6、

房倒 41 1815/7/11 臺北、宜

蘭 24.7 121.8 6.5 - 龍山寺傾倒 1815/10/

13

嘉 義 以

北地區 24.0 121.7 7.7 - 人 死 113 、 傷 2、房倒 243 1865/11/6 臺北、基

隆 24.9 121.6 6.0 - 壽山巖崩壞、死 亡頗多.

1867/12/

18

臺北、基

隆、新竹 25.3 121.7 7.0 - 海嘯、地裂、人 死數百.

1909/4/1 5

臺 北 附

近 25.0 121.5 7.3 80 9 人死亡 1920/6/5 全臺 24.0 122.0 8.3 20 5 人死亡 1935/4/2

1

新竹、臺

中烈震 24.4 120.8 7.1 5 3276 人死亡 1986/5/2

0

花蓮、臺

北 24.1 121.6 6.2 16 1 人死亡 1986/11/1

5

花蓮、臺

北 24.0 121.8 6.8 15 中 和 華 陽 市 場 倒塌

1999/9/2 1

南投、臺

中 23.9 120.8 7.3 8 東星大樓、博士 的家倒塌 2002/3/3

1

花蓮、臺

北 24.2 122.1 6.8 9.6 101 大 樓 吊 車 倒塌

圖 2.1、大臺北地區 500x500m 網格化圖資

圖 2.2、PGA 預估觀測站分布圖

圖 2.3、PGA 預估觀測站間距統計

圖 2.4、PGV 預估觀測站分布圖

圖 2.6、PGD 預估觀測站分布圖

圖 2.7、PGD 預估觀測站間距統計

圖 2.8、地動值預估的流程(Jean et al., 2006)

圖 2.10、台灣地區活動斷層分布圖與大臺北地區山腳斷層幾何圖

圖 2.11、山腳斷層幾何位置與可能引致的地震矩規模

圖 2.12、山腳斷層全段錯動之 PGA 模擬震度分布

圖 2.13、山腳斷層全段錯動之 PGV 模擬震度分布

圖 2.14、山腳斷層全段錯動之 PGD 模擬震度分布

圖 2.15、山腳斷層北段錯動之震度分布：(a)PGA, (b) PGV, (c) PGD

(a)

(b)

(c)

圖 2.16、山腳斷層南段錯動之震度分布：(a)PGA, (b) PGV, (c) PGD

(a)

(b)

(c)

第三章 大臺北地區土壤液化潛能分析

3.1 大臺北地區地質環境概述

大臺北地區包含臺北市、新北市、基隆市三個行政區，人口達700 萬人，約佔我國人口30%，人口聚集區域以臺北盆地為主，並擴及周邊 山區及臺地。臺北盆地周圍由丘陵及臺地所圍繞，盆地東側及南側為 第三紀(Tertiary)中新世(Miocene)沉積岩地層所構成；盆地北部由大屯 火山群屏障，以安山岩熔岩及火山碎屑覆蓋於中新世地層上；盆地以 西則為林口臺地，以礫石層及砂泥岩互層為主(中央地質調查所，2011)。

臺北盆地主要的河流為淡水河水系，淡水河由基隆河、新店溪、

大漢溪等支流匯集合成，具有透水性良好的含水層，地下水蘊藏豐富。

過去臺北盆地曾因超抽地下水而造成地盤沉陷，經過政府實施禁止抽 取地下水政策後，地下水位已逐漸穩定回升。根據水利署地下水位監 測紀錄，盆地中心區域的地下水位約在地下2m至3m左右(中央地質調 查所，2011)。

臺北盆地為沖積平原，以第三紀沉積岩為基盤，上覆第四紀 (Quaternary)沉積層。第四紀沉積層由地表而下依序為松山層、景美層 及新莊層，松山層表土層為黃棕色黏土，其下分為6個次層，由砂土層

過程不同，土層分布隨著流域不同有些差異，各次層並非均勻分布於 整個盆地。景美層主要由黃棕色礫石層所組成，厚度約為20m至50m。

新莊層主要由青灰色礫石層、砂與泥之互層所組成，厚度在100m以上 (李志剛及秦中天，1998)。

3.2 土壤液化成因及國內外研究現況

土壤液化是指充滿水的砂質土壤受到強烈地震搖動後，土壤顆粒 排列趨於緊密而造成孔隙水壓增高。當超過臨界值時，促使砂與水混 合成為如泥漿般的液體，甚至噴砂至地表的現象。土壤液化發生的必 要條件包括：

1. 含有疏鬆的砂土層：地盤必須含有疏鬆的砂土層，當砂質土壤越顯 著時，其液化潛能與災害潛勢有偏高的趨勢。

2. 高地下水位：地下水位高，使得砂土層孔隙充滿水分，呈現飽和狀 態。

3. 足夠規模的地震力：土壤結構受到強烈地震搖晃，土壤顆粒將趨向 緊密排列，擠壓顆粒間的孔隙水而激發超額孔隙水壓(Excess Pore Water Pressure)，即所產生的孔隙水壓超過顆粒所在深度之靜水壓 力。當超額孔隙水壓不斷上升至等於覆土應力時，土壤顆粒間已無 接觸應力，土壤顆粒有如漂浮於水中，即達到液化狀態。

土壤液化以後，可能會造成下列地表破壞，甚至危及結構安全：

1. 噴砂：噴砂為觀察土壤液化最直接之地表特徵，當地盤受到強烈地 震作用，所產生之超額孔隙水壓將沿著地層中的裂縫或疏鬆軟弱處 往上消散，當壓力水噴發至地表時，往往將土壤中的微小砂土顆粒 一起帶出來，產生噴砂現象。

2. 地表沉陷：當地下某深度土壤產生土壤液化後，在超額孔隙水壓消 散及移動的過程中，常將砂土顆粒一起帶走，原位置土壤之體積變 少，因而產生地表沉陷。地表沉陷時，將使結構物跟著沉陷；若產 生不均勻沉陷，將使結構物傾斜，或使結構物受到額外的彎曲應力 而產生裂縫。

3. 側向擴展(Lateral Spreading)：當土壤液化後，表層土壤可能變成土 水混合物而往低處流動。側向擴展區內之結構物，可能受到額外的 側向力作用而產生側向位移或甚至破壞。

國內外已有許多學者提出土壤液化評估方法，參考國際土壤力學 與基礎工程學會大地工程技術委員會在「大地地震危害分區手冊」

(ISSMFE TC4, 1999)建議之三級調查方法，依其複雜程度及適用範圍可 以分為以下三類，並分別簡述國內外研究現況：

FEMA)開發了一套多種災害損失評估系統(HAZUS-MH)，在地震災害 模組中，提出一套分析土壤液化敏感性的方法(FEMA, 2013)，參考Youd and Perkins(1978)提出之液化敏感性分類表(如表3.1)，根據地質年代、

水系、地盤分類等資料進行分析，將土壤液化潛感分為非常高、高、

中等、低、非常低五級。美國地質調查所(U. S. Geology Survey)和加州 地質調查所(California Geology Survey)合作製作加州地區液化災害潛 勢圖，並公開於網站(http://earthquake.usgs.gov/regional/nca/qmap/)。這 套方法適用於廣大範圍、大比例尺之初步分析，之後可針對高潛感地 區做地質鑽探取得土壤樣本，進行詳細土壤液化潛能評估。

2. 液化潛能(Liquefaction Potential)評估方法

國外已有許多學者提出液化潛能評估方法，主要以工程鑽孔及現 地試驗(標準貫入試驗、圓錐貫入試驗、震測法等)獲得之土壤參數推估 土壤抗液化強度，並定義抗液化安全係數為土壤抗液化強度除以地震 引致土層剪應力。當地震引致土層之剪應力大於土壤抗液化強度時，

即抗液化安全係數小於1，則達到初始液化程度。

此外，受到土壤覆土應力的影響，在地下越深處越不容易發生土 壤液化，深層土壤即使發生土壤液化也不容易發展至地表而影響到結 構 物 ， 因 此 Iwasaki 等 人 (1982) 提 出 定 義 液 化 潛 能 指 數 (Liquefaction Potential Index, P

L

)，考慮地下20m以內之影響，以深度加權法評估整個

地盤的液化潛能：

(3.1)

其中， ，當

，當

F L

為抗液化安全係數

z 為距地表之深度，單位為公尺。

Iwasaki等人(1982)分析過去6次地震案例，綜合64個液化區域和23 個非液化區域的資料，發現P

L

=15為大部分液化與非液化工址的主要分 界線，並提出液化嚴重程度之分級方式：

P L

= 0：沒有液化或極少液化；液化風險(Liquefaction Risk)非常低。

0＜P

L

＜5：輕微液化；液化風險低。

5≦P

L

＜15：中等液化；液化風險高。深層可能液化，但地表沉陷 不明顯。

P L

＞15：嚴重液化；液化風險非常高。地表可能出現明顯液化表 徵，如噴砂或顯著沉陷。

921地震時，土壤液化地點遍及南投縣、台中縣、彰化縣、雲林縣

邊坡滑動、港灣堤岸擋土牆外移導致後方回填地盤沉陷破壞等。因此，

國科會委託國家地震工程研究中心及各大學共同執行「全國液化潛能 圖之製作及評估方法之研究」計畫，採用Seed等人(1985)、日本道路協 會(1996)、Tokimatsu和Yoshimi(1983)所提出之方法進行液化潛能評 估。其中，以日本道路協會(1996)方法及最大地表加速度(Peak Ground Acceleration, PGA)0.23g分析臺北盆地土壤液化潛能之如圖3.1(李崇 正，2001)，可以看出在淡水河兩側的蘆洲區、五股區、三重區、板橋 區、萬華區、大同區等皆有極高的液化危害風險。

中央地質調查所(2011)採用GEO2010工程地質探勘資料庫於臺北 盆地之工程鑽孔資料，將每個鑽孔地下30m以內之土壤參數進行垂直向 及水平向內插，獲得以1m為單位之三維網格化剖面資料。並根據我國 建築耐震設計規範(內政部，2011)規定之土壤液化評估方法，分別以中 小 度 地 震 (PGA=0.07g) 、 設 計 地 震 (PGA=0.24g) 及 最 大 考 量 地 震 (PGA=0.32g)分析臺北盆地土壤液化潛能。其中設計地震(PGA=0.24g) 之分析結果如圖3.2，可看出土壤液化高潛勢區除了和圖3.1相同的淡水 河左右兩岸地區外，還包括內湖區、松山區的基隆河流域地區。

3. 土壤液化機率研究及危害度分析

美國多種災害損失評估系統(HAZUS-MH)在地震災害模組中，除 了提出土壤液化敏感性分析方法外，並考量每種液化敏感性土壤可能

發生液化之PGA不同，以及地震規模、地下水位等因素，提出一套土 壤液化機率評估方法(FEMA, 2013)；此種方法適用於在尚未取得工程 鑽孔資料時，使用地質資料初步分析土壤液化之可能性。

由於地震之發生、地盤運動衰減及延時、描述土壤液化行為之基 本物理模型、自然環境土壤性質之空間分布均存在不確定性與變異 性，因此國內亦有多位學者(黃富國等人，2000；黃俊鴻，2003；賴聖 耀等人，2003)考慮上述因素提出各種土壤液化機率評估方法。大致都 是先進行地震危害度分析(Seismic Hazard Analysis)以建立地動參數(如 PGA值)之年超越機率曲線，並以不同之機率模型呈現土壤強度參數之 變異性；然後結合地動參數及其對應之地震規模、工址地盤條件及土 壤參數等，建立液化潛能指數(P

_L

值)之年超越機率，並以實際地震液化 案例比較驗證。

此外，土壤液化發生後，往往伴隨著地表沉陷，進而危及結構物 安全。Ishihara等人(1992)進行一系列不同相對密度砂土之動力單剪試 驗，提出抗液化安全係數與液化後體積應變之關係圖(如圖3.3)，可由 抗液化安全系統推估液化引致之地表沉陷量。並指出當地表沉陷達 30cm至70cm時，將產生地表裂縫、噴砂及地盤流動等破壞型態，結構 物也將產生嚴重損害。

3.3 大臺北地區土壤液化分析

經由國內外相關研究之回顧與盤點，考量分析尺度及基本資料細 緻程度，建立土壤液化之初步分析與詳細分析兩種評估方法(如圖3.4)：

1. 土壤液化敏感性初步分析法：對於大臺北地區(臺北市、新北市及基 隆市)廣大地區，在尚未取得工程鑽孔資料之前，參考 HAZUS 方法，

使用地質圖、數值地形資料、水系分布資料，初步評估土壤液化敏 感性。

2. 土壤液化潛能詳細分析法：對於液化敏感性較高的臺北盆地，採用 我國耐震設計規範之建議方法(參考日本道路橋 1996 年規範略為修 正，如圖 3.5)，及中央地質調查所提供之臺北都會區三維工程鑽孔 資料，結合特定震源之地表最大加速度(PGA)分布值，詳細分析之 土壤液化潛能。

本研究提出之分析方法，具有以下之特色：

1. 地震作用力採用特定震源之網格化 PGA 分布值，各地 PGA 值不同，

較以往分析法對於整個分析區域採用同一 PGA 值，更接近現地狀 況。

2. 將土壤參數離散為網格化三維資料，結合對應格點之土壤參數及 PGA 值進行土壤液化分析，可更細緻呈現土壤液化分布情形。

3.3.1 大臺北地區土壤液化敏感性分析

參考HAZUS建議之方法，分析大臺北土壤液化敏感性：

1. 蒐集大臺北地區之地質圖(25 萬分之一)及水系圖(如圖 3.6)，將圖層 彙入地理資訊系統；為利於後續分析及展示，將分析區域以 500m×

500m 網格呈現。

2. 根據表 3.1之液化敏感性分類表(Youd and Perkins, 1978)，河道經過 地區之現代地盤屬於極高土壤液化敏感性；因此將淡水河、基隆 河、新店溪、大漢溪主河道區域所經過之網格設定為極高液化敏感 區。

3. 臺北盆地大部分地區為沖積平原(Alluvial Plain)，屬土壤液化中度敏 感性，因此將地質圖之沖積層所在網格設定為土壤中度液化敏感 區。

4. 其他地區則為山坡地或岩盤，液化可能性低，將其設定為低液化敏 感區，並據此產製大臺北地區土壤液化敏感圖如圖 3.7。

3.3.2 臺北盆地土壤液化潛能分析

本研究以三種特定震源(山腳斷層全段、北段、南段錯動)，地震規 模分別為7.1、6.9、6.3之震源參數進行地動模擬，並以500m×500m之網

格狀區域為臺北盆地範圍，可看 出盆地幾乎所有地區之PGA皆在 400gal(如圖棕色區域) 以上，即達七級震度以上，大約一半區域之PGA 達 600gal 至 800gal ( 如 圖 粉 紅 色 區 域 ) ， 甚 至 局 部 地 區 之 PGA 超 過 800gal(如圖紅色區域)，為非常極端之地震情境。

臺北盆地之土壤參數採用中央地質調查所提供之三維工程鑽孔資 料，其網格大小為100m×100m；圖3.8(a)之PGA分布值，其網格大小為 500m×500m，位於500m×500m網格內之工程鑽孔點位，則給定其PGA 為同一數值。土壤液化分析採用我國建築耐震設計規範建議之土壤液 化潛能評估方法(如圖3.5)，以100m×100m網格為單元，結合對應格點 之網格化土壤參數與PGA分布值，計算各格點上之液化潛能指數P

_L

， 如(3.1)式。此外，根據水利署民國98年之地下水位觀測資料(中央地質 調查所，2011)，臺北盆地中心區域之地下水位大致在地下2m至3m之 間，因此分析地下水位0m、1m、2m、3m之情況，探討地下水位高低 對土壤液化潛能之影響。根據Iwasaki等人(1982)提出之液化潛能指數分 級方式，以P

_L

=0、0<P

L

≦5、5<P

_L

≦15、P

_L

>15為分界，將液化潛勢分 為極低、低、中、高四級，產製臺北盆地三種特定震源、地下水位1m 至3m之土壤液化潛勢圖如圖3.8至圖3.10。

以圖3.8(c)地震規模7.1、地下水位2m之分析結果為例，由於整個 臺北盆地之PGA幾乎都大於400gal，在如此大的地震力作用下，盆地中

心區域約40%面積皆為高液化潛勢(如紅色區域)，包含台北市士林區、

大同區、萬華區、中山區、中正區、大安區、松山區、信義區、內湖 區、南港區及新北市三重區、蘆洲區、新莊區、板橋區、永和區共15 個行政區，必須特別注意土壤液化對於結構物及重要設施之影響。此 外，比較次圖(b)、(c)、(d)，盆地中心區域極高液化潛勢的範圍變化不 大，地下水位1m的極高液化潛勢範圍僅在盆地邊緣地帶略大於地下水 位2m、3m之結果；顯示在如此大的地震力作用下，盆地中心區域可能 都達到嚴重液化程度，地震力之影響遠大於地下水位高低對液化潛勢 之影響。

圖3.9為地震規模6.9之PGA分布圖及土壤液化潛勢圖，由次圖(a)

可看出臺北盆地大部分地區的 PGA仍在400gal以上，不過600gal至 800gal區域明顯變小、且已無800gal以上地區。在這樣大的地震力作用 下，極高液化潛勢區範圍大致和規模7.1地震之分析結果相差不多，僅 在盆地邊緣地帶之極高液化潛勢範圍較小。此外，比較次圖(b)、(c)、

(d)，地下水位1m在盆地邊緣地帶的極高液化潛勢範圍略大於地下水位 2m、3m之結果；因為地下水位高，較多土壤處於飽和狀態，較易發生 土壤液化，分析結果合理。

圖3.10為地震規模6.3之PGA分布圖及土壤液化潛勢圖，由次圖(a)

1/3區域之PGA在300gal至400gal之間，盆地南部及東部區域約1/3區域 之PGA則在200gal至300gal之間。由次圖(b)、(c)、(d)，地下水位1m在 盆地邊緣地帶的極高液化潛勢範圍則可看出大於地下水位2m、3m之結 果，在規模6.3地震作用下，地下水位高低對於土壤液化潛勢之影響較 為明顯。

此外，本研究規模6.3地震之PGA在盆地中心區域大約在300gal至 400gal 之 間 ， 與 中 央 地 質 調 查 所 (2011 年 ) 研 究 之 最 大 考 量 地 震 PGA=320gal接近，因此以地下水位2m之分析結果為代表，和中央地質 調查所(2011年)分析結果(地下水位以鑽探期間之水位資料設定)比較如

圖3.11。本研究地震作用力採用網格化PGA分布值，各地PGA值不同，

相較於中央地質調查所(2011年)設定整個臺北盆地PGA皆為320gal，更 能接近現地之狀況，這也在三個地區的土壤液化潛勢評估結果反應出 二者之差異性：

1. 臺北市北投區與士林區交界、靠近基隆河匯入淡水河一帶，本研究 之 PGA 有很大區域在 100gal 至 300gal 之間，如圖 3.10(a)之綠色及 黃色區域，小於中央地質調查所(2011 年)最大考量地震設定之 320gal，使得本研究在此區域完全沒有高液化潛勢區，僅呈現少許 低液化潛勢區(如圖 3.11(a)黃色區域)，而中央地質調查所(2011 年) 之分析結果在此區域仍存在許多高液化潛勢區(如圖 3.11(b)P

_L

>15

區域)。因此，本研究採用 PGA 各地分布不同之方式，可以呈現出 此地區 PGA 較小而其土壤液化潛勢較低之合理結果。

2. 臺北市中正區及萬華區一帶，本研究分析之高液化潛勢區範圍(如圖 3.11(a)紅色區域)僅出現在局部微小地區，而以中液化潛勢或低液化

潛勢區(如圖 3.11(a)橘色或黃色區域)為主，甚至有些地方出現極低 液化潛勢區(如圖 3.11(a)綠色區域)；而中央地質調查所(2011 年)之 結果則出現相當大範圍的高液化潛勢區(如圖 3.11(b)P

_L

>15 區域)，

其次為中液化潛勢區(5<P

_L

≦15)，而無低液化潛勢區(0<P

_L

≦5)。其 原因和此區域之 PGA 值有關，以本研究此區域出現極低液化潛勢或 低液化潛勢區(如圖 3.11(a)綠色或黃色區域)而言，其 PGA 值在 100gal 至 300gal 之間；而中央地質調查所(2011 年)最大考量地震設 定之 PGA 為 320gal，其此區域之分析結果為中液化潛勢區(5<P

_L

≦ 15)或高液化潛勢區(P

L

>15) 。本研究採用 PGA 各地分布不同之方 式，亦可顯現 PGA 較小而其土壤液化潛勢較低之微小變化。

3. 臺北市南港區、位於基隆河上游地區，本研究之 PGA 以 200gal 至 300gal 為主(如圖 3.10(a)之黃色區域)，本研究分析所得之高液化潛 勢區範圍很小(如圖 3.11(a)紅色區域)，以中液化潛勢區為主(如圖 3.11(a)橘色區域)，而中央地質調查所(2011 年)最大考量地震之分析

同之方式，可充分呈現此區域大範圍 PGA 較小而其土壤液化潛勢較 低之明顯變化。

3.4 土壤液化引致沉陷分析

對於工程鑽孔資料較為齊全的臺北盆地，以土壤潛能分析結果計 算土壤液化引致之沉陷量。對於大臺北地區無工程鑽孔資料的地區，

則以土壤液化敏感性分析結果推估土壤液化可能造成之沉陷量，並將 二者分析結果整合，處理方式分別說明如下。

3.4.1 臺北盆地土壤液化引致沉陷分析

根據前節土壤液化潛能分析所得各格點不同深度之抗液化安全係 數(F

_L

值)，參考Ishihara與Yoshimine(1992)研究，計算土壤液化引致之沉 陷量，處理步驟如下：

1. 由圖 3.3 之抗液化安全係數和液化引致體積應變關係，以某格點某 深度推估土壤液化產生之體積應變。

2. 將該格點上的體積應變乘上每個網格長度 1m 得到該深度之沉陷 量。

3. 將地下 20m 各深度之沉陷量加總得到地盤總沉陷量。

圖3.12是規模7.1、6.9、6.3三組特定震源作用下、地下水位2m之液

化潛勢區之沉陷量都超過30cm，在新北市新莊區、臺北市中山區、松 山區、內湖區甚至產生80cm至1m的沉陷。次圖(b)及(c)分別為地震規模 6.9及6.3的分析結果，可看出隨著地震規模減小，沉陷量大於30cm的影 響區域略為縮小，不過沉陷達到80cm至1m的區域依然存在。

3.4.2 大臺北地區土壤液化引致沉陷分析

美國聯邦緊急災難管理署於HAZUS-MH之地震災害模組中，除了 提出一套分析土壤液化敏感性的方法(FEMA, 2013)外，亦建議各土壤 液化敏感性類別可能產生之沉陷量，即液化敏感類別極高、高、中等、

低、非常低之沉陷量分別為30cm、15cm、5cm、2.5cm、0cm。由於臺 北盆地大部分沖積層地區都有工程鑽孔資料，因此，對於有工程鑽孔 資料的地區，皆以3.4.1節由土壤液化潛能分析結果計算之沉陷量為 主；對於無工程鑽孔資料之沖積層地區、岩盤地區，則以土壤液化敏 感性推估沉陷量。最後再將二者分析結果整合，產製大臺北地區土壤 液化引致沉陷分布圖，處理方式說明如下。

1. 由於臺北盆地工程鑽孔資料網格尺寸為 100m×100m，而大臺北地區 地質圖網格尺寸為 500m×500m，為便於將分析結果整合，先將 500m 網格內由各格點位置土壤液化潛能分析計算之沉陷量平均，成為

2. 將地質圖中和臺北盆地分析區域重複之網格去除，並套疊水系分布 圖。

3. 根據美國 HAZUS-MH 之建議，沖積層為中度液化敏感區，因此將 地質圖中沖積層所在之網格設定其沉陷量為 5cm。岩盤地區為極低 液化敏感區，將其沉陷量設定為 0cm。

4. 將土壤液化潛能計算之沉陷分布圖和液化敏感性推估之沉陷分布 圖結合，產製大臺北地區土壤液化引致沉陷分布圖，圖 3.13為地震 規模 7.1、地下水位 2m 之分析結果。

3.5 土壤液化災害衝擊情境初步分析

土壤液化除了造成地盤沉陷外，亦會造成噴砂、地盤流動等地表 破壞，根據本研究土壤液化分析結果，分析土壤液化可能造成之災害 衝擊情境如下：

1. 土壤液化引致地盤沉陷之影響：土壤受到強烈地震作用，當淺層土 壤發生液化時，產生噴砂現象，土壤失去承載力，結構物下陷或傾 斜。以地震規模 7.1、地下水位 2m 之分析結果為例，臺北盆地中心 區域(約 40%面積)都達到高液化潛勢(如圖 3.8(b)之紅色區域)，這些 區域可能產生 30cm(如圖 3.12(a)淺棕色)以上的沉陷；然而這些區域 之房屋相當密集，可能造成許多房屋下沉或傾斜。此外，臺北市及

新北市有許多高架橋、跨河橋梁皆位於沉陷量超過 30cm 之地區，

部分地區甚至產生高達 80cm 至 1m 之沉陷。圖 3.14為大臺北地區 液化引致沉陷套疊省公路橋梁分布圖，淡水河、大漢溪、新店溪多 座跨河橋梁、臺北市及新北市多座高架橋梁在如此高沉陷量之情境 下，橋梁可能產生嚴重破壞，可能導致交通癱瘓、救災行動受阻等 災害衝擊。

2. 土壤液化引致地盤側潰之影響：當土壤液化發生在緩坡、河邊或海 岸邊時，土壤側向流動可能使橋梁傾斜、河堤開裂、港灣構造外移 等破壞。根據分析結果，盆地中心淡水河、大漢溪、新店溪沿岸皆 位於高液化潛勢區，應特別注意液化引致測潰對橋梁、河堤之影 響。此外，臺北港在規模 7.1 地震作用下，港區附近 PGA 達 200gal 至 300gal，亦可能對港灣構造物造成一些破壞。

3. 土壤液化引致上浮之影響：土壤液化產生之上浮力可能使地下管線 及地下捷運上浮、產生撓曲變形過大而破壞。臺北盆地地下管線、

地下捷運錯綜複雜，盆地中心區域(約 40%面積)都達到高液化潛 勢，在如此高 PGA 的地動作用下，許多地方可能會產生嚴重液化，

液化產生之上浮力可能使地下管線及地下捷運上浮或甚至破壞，可 能導致都市機能受損之災害衝擊。

表 3.1、液化敏感性分類表(Youd and Perkins, 1978)

圖 3.1、臺北盆地 PGA=0.23g 土壤液化潛能評估結果(李崇正，2001)

圖 3.3、抗液化安全係數與液化後體積應變關係(Ishihara, 1992)

圖 3.5、土壤液化潛能評估流程(內政部，2011)

沖積層 安山岩 安山岩質碎屑岩

三峽群及其相當地層, 砂岩，頁岩 三峽群及其相當地層, 玄武岩質凝灰岩及岩流

$$$

$$$

$$$

$$$

大南灣層，米崙層, 泥岩，粉砂岩，砂岩及礫石 西村層，新高層, 千枚岩，板岩，夾砂岩 野柳群及其相當地層, 砂岩，頁岩

$ $

$ $

$ $ 野柳群及其相當地層, 玄武岩質凝灰岩及岩流

瑞芳群及其相當地層, 砂岩，頁岩

$ $

$ $

$ $

瑞芳群及其相當地層, 玄武岩質凝灰岩及岩流 瑞芳群及其相當地層, 石灰岩

頭嵙山層及其相當地層, 砂岩，泥岩，頁岩

$ $

$ $

$ $

頭嵙山層及其相當地層, 礫岩 大桶山層, 硬頁岩，砂頁岩，砂岩 大桶山層, 火山岩

X X X X

X X 四稜砂岩, 石英岩，板岩，煤質頁岩

乾溝層, 硬頁岩，板岩，千枚岩

$$$

$$$

$$$

澳底層, 砂岩，頁岩，煤質頁岩 大南澳片岩, 片麻岩 大南澳片岩, 黑色片岩

圖 3.7、大臺北地區土壤液化敏感圖

(a) PGA 分布圖 (b)地下水位 1m 之土壤液化潛勢圖

(a) PGA 分布圖 (b)地下水位 1m 之土壤液化潛勢圖

(c)地下水位 2m 之土壤液化潛勢圖 (d)地下水位 3m 之土壤液化潛勢圖

(a) PGA 分布圖 (b)地下水位 1m 之土壤液化潛勢圖

(a)本研究地震規模 6.3、地下水位 2m 之評估結果

(b)中央地質調查所最大考量地震 (PGA=320gal)之評估結果 圖 3.11、本研究與中央地質調查所之土壤液化評估結果比較

(a)地震規模 7.1 液化引致沉陷分布 (b)地震規模 6.9 液化引致沉陷分布

圖 3.13、大臺北地區土壤液化引致沉陷分布圖(地震規模 7.1、地下水位 2m)

圖 3.14、大臺北地區液化引致沉陷套疊橋梁分布圖

第四章 建物損壞評估

依據大臺北地區大規模地震地動情境，推估各結構型態建物的損 害數量，建立大臺北地區之網格化建物災損分布圖。本章的大臺北地 區一般建物損害評估結果，可以提供進行後續的人員傷亡評估。建物 災損分布圖配合人員受災分布圖，更可以作為研擬大臺北地區震後建 物致災所引致人員傷亡情境分析之參考。

4.1 地震災損評估系統文獻回顧

本研究蒐集國內、外三個地震災害評估系統（HAZUS 地震災害評 估系統、TELES 地震災害評估系統、新北市地震災損評估系統），本研 究僅針對建物的地震災損評估部份加以介紹。

4.1.1 HAZUS 地震災損評估系統

美國 RMS(Risk Management Solutions, Inc.)開發 HAZUS 軟體，開 始時 HAZUS (1997)針對地震災害評估災損，2005 年改版為 HAZUS MH MR-1 (2005)可以評估多重災害，如洪水、颶風等。本研究僅針對其中 地震災損評估的建物部份加以介紹如下（評估流程如圖 4.1所示）： 1. 將建物資料分類

將建物資料依結構型態、耐震設計等級（低耐震設計、中耐震設

計、高耐震設計、無耐震設計）進行分類。

2. 建立需求震譜（Demand Spectrum）

需求震譜指建物受地震作用下的耐震要求（如圖 4.2所示），一般 為建物所在地盤的設計反應譜。HAZUS 97 建議以Ｔ=0.3 秒之譜加速度 值之

S _a

值代表等譜加速度區域。在等譜速度區域則取Ｔ﹦1 秒之

S _v

值為 定值，而

S _a

值將會與 1/T 成正比，此兩區域的交點稱為

T _av

。當週期大 於

T _vd

以上進入等譜位移

S _d

區域。

3. 建立容量曲線或能耐曲線（Capacity Curve）

容量曲線或能耐曲線是指建築物基底剪力與頂層變位之關係圖，

其代表的是結構物的抗震能力。可根據結構動力學將基底剪力與頂層 變位轉成譜加速度

S _a

與譜位移

S _d

關係圖（如圖 4.3所示），控制點為：

降服容量點

( D _y , A _y )

及極限容量點

( D _u , A _u )

。

4. 尋找容量曲線與需求譜的交會點，即為性能點。

當結構物進入非線性範圍時，結構物會產生遲滯阻尼，消散能量 而降低結構物反應。可參考 ATC(1996)作法，增加的阻尼比，修正原來 需求震譜，再重新求取性能點，因此求取性能點過程是一個迭代過程。

5. 建立易損性曲線(Fragility Curve)

易損性曲線是用來評估建物在地震發生時，發生損害的機率，橫

發生機率（如圖 4.4所示）。若以地表運動造成結構物之

S _d

為橫軸；在 給定

S _d

下，結構物損害大於等於某一固定損壞狀況發生的機率為縱 軸，假設兩者之間的函數關係為對數常態累積機率函數，如

 





 





 





 



 

 _

ds d

d ds

d

S S S

ds P

,

1 ln ]

|

[ 

(4.1) 其中，

P [ ds | S _d ]

為在給定之

S _d

下，損害大於等於某一損害狀況發生 的機率。

S d , ds



為對應某一損害狀況臨界值之中位數(Median)，

 _ds

為對 應某一損害狀況之標準偏差(Standard Derivation)，



為累積標準常態分 布函數，

ds

為某一損害狀況。

6. 決定結構物發生某種損害程度之機率

性能點配合易損性曲線，可以決定結構物發生某種損害程度的機 率。若將結構之損壞狀態訂為五階段，分別為無損壞、輕微損壞、中 度損壞、嚴重損壞與完全損壞，其四條線將空間分成五區，代表著不 同的損害程度，三條虛線代表不同震度下的結構物反應，其截距則代 表了結構物發生此種損害程度的機率（如圖 4.4所示）。

4.1.2 TELES 地震災損評估系統

台灣地震損失評估系統 (TELES)系統分析架構及評估方式系根據 台 灣 地 震 損 失 評 估 方 法 與 境 況 模 擬 軟 體 Haz-Taiwan 系 統 ， 其 中

研究中心整合各專家及單位多年研究，分析模式及參數值已逐漸本土 化，使得在地震災害的潛勢分析，能夠得到更精確的值。本研究針對 建物評估部份加以介紹如下，有關分析模式可以參考過去文獻(葉錦 勳，2003；葉錦勳，2006；葉錦勳，2007)。本節僅就 TELES 目前建物 資料庫及模式參數建置情形說明如下：

1. 建物資料庫

由於建物數量龐大，如果進行建物的獨棟分析，將耗費大量時間 與資源，若能把建物有效分類，使得在相同地震作用下，同一類建物 有類似結構反應，可減少大量分析數量。TELES 依據台灣地區建物，

的建築材料和樓層數目，將建物分類為 15 種模型建物（詳表 4.1），其 中建物樓層數目分為 1~3 樓、4~7 樓及 8 層樓以上三個區間。

另外，因為不同時期建造房屋所使用耐震設計規範並不相同，震 區劃分也不相同，因此 15 種模型建物根據建造年分以及所在位置，分 為高耐震設計(H)、中耐震設計(M)、低耐震設計(L)、無耐震設計(P)四 個等級（詳表 4.2）。一旦建物的模型建物及耐震設計等級確定後，即 可建立各類建物的能耐曲線。

由於建物數量龐大，如果進行建物的獨棟分析，將耗費大量時間 與資源，因此 TELES 在分析建物時，以樓地板面積方式來呈現。如有

積（詳表 4.3），可用該模型建物之總樓地板面積除以該模型建物單棟 之樓地板面積。

2. 能耐曲線參數

當建物受側向作用時，由結構分析可求得建物基底剪力與對應頂 層位移，可根據結構動力學原理將基底剪力與頂層變位轉換成譜加速 度

S _a

與譜位移

S _d

關係圖，此即為建物的能耐曲線。TELES 內建各模型 建物能耐曲線參數是經由簡化過程推導而來，其各模型建物能耐曲線 僅由降服能耐

( D _y , A _y )

及極限能耐

( D _u , A _u )

極限兩點決定（詳表 4.4）。

3. 易損性曲線參數

在 TELES 中，建物的損害程度分為五個等級，分別為無損壞

( d ₁ )

、 輕微損壞

( d ₂ )

、中度損壞

( d ₃ )

、嚴重損壞

( d ₄ )

與完全損壞

( d ₅ )

，其分類方 式是以建物在地震作用下的最大位移來判定，最大位移可由能耐曲線 與需求曲線交點求得，若考慮最大位移為隨機變數，並假設建物達到 任一損害程度的機率分布為對數常態分布。如果要決定一對數常態分 布的機率函數，需要決定對數標準差



以及對數平均值

m

。目前 TELES 內建各模型建物之易損性曲線參術

(  , m )

，其預設值乃根據多次震災經 驗修正後得到（詳表 4.5）。

性能點配合易損性曲線，可以決定結構物發生某種損害程度的機 率。如將輕微損壞、中度損壞、嚴重損壞與完全損壞，其四條線畫在

一起，如圖 4.5所示，圖中 D 代表最大位移，其截距 a、b、c、d 與截 距 e 分別代表無

( d ₁ )

、輕微

( d ₂ )

、中度

( d ₃ )

、嚴重

( d ₄ )

與完全損壞

( d ₅ )

。

4.2 新北市地震災損評估系統

新北市政府為提升地震防災、應變之能力，並希望能夠考量新北 市自然環境與社會經濟因素，研擬減緩地震災害衝擊之可行方案，於 是 101 年度委託專業服務案，開發新北市地震災損評估系統（以下簡 稱為新北市評估系統）。希望藉由本地化震災損評估系統，能夠提供地 震災害境況模擬之參考，擬定相關地震災害防、救事項，減輕地震災 害損失。

結構物受損評估中，經常使用易損性曲線作為依據，而易損性曲 線指各類結構物在不同最大地表加速度或頻譜位移或最大位移反應 下，所產生不同損壞狀況的機率值。新北市評估系統(2012)以最大地表 加速度(PGA)作為結構物損壞曲線之地動參數。製作地表加速度曲線的 方法，可根據結構動力學原理，首先將頂層位移（真實位移）轉換為 譜位移、基底剪力轉換為譜加速度，改以譜位移及譜加速度座標系統 建立雙線性化之容量震譜(Capacity Curve)曲線，如圖 4.6所示。

1. 地震力折減係數

速度 PGA 值，據以繪出結構位移與地表加速度的關係曲線。

現行規範的結構系統地震力折減係數

F _u

是以完全彈塑性系統為基 準來推導的，如屬雙線性，

F _u

與週期及韌性比的關係可能異於現行建 築物耐震設計規範(2011 年版)。雙線性的推導過程，是以側推分析所得 之容量曲線求得該容量曲線之降伏點，根據各階段之塑性位移

 _i

與降 伏位移

 _y

依式 4.4 計算結構物各階段下之韌性

R _i

，將側推分析所得之韌 性

R _i

代入式 4.2，即可求得建築結構在所考慮方向基本振動週期 T 對應 之結構系統地震力折減係數

F _u (R )

。

 





 







 













 











D D

D

D D

D D

D D i

D i

u

T T T

T A T

A

T T

T A

T T T T

T A T

R A

T T R

R F

0 0

0

0 0

0 0

0 0

0

2 . 0 2 ;

. 0

2 . ) 0

1 (

6 . 0 2

. 0

; 6 . 0 4 ;

. 0

6 . ) 0

(

;

)

(

(4.2)

] 1 ( 1 2 )][

1 ( 1

[     

 R _i R _i R _i

A  

(4.3)

y i

R i



 

(4.4)

DS D D

S

T ₀  S ¹

為規範之工址設計水平譜加速度的短週期與中週期的分

界點。

S _DS

與

S _{D 1}

分別為工址短週期與一秒週期設計水平譜加速度係數，

α=降伏勁度比，將降伏勁度(

K _s

)除以初始勁度(

K e

)即可求得。

2. 譜加速度

^{a pi}

ATC-40 中揭示，結構物進入非線性階段之後的有效阻尼比(等效遲 滯性阻尼比)包含原結構本身固有黏滯阻尼比(一般取為 0.05)及結構物