行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
機率式斷層位移危害度分析之應用—以山腳斷層為例(2/2)
研究成果報告(完整版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-002-258- 執 行 期 間 ： 95 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣大學土木工程學系暨研究所 計 畫 主 持 人 ： 林銘郎 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：陳師賢、張家偉 報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 96 年 08 月 14 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
機率式斷層位移危害度分析之應用—以山腳斷層為例(I&II)
計畫類別：個別型計畫
計畫編號：
NSC 95-2221-E-002 -258
執行期間：94年 08月 01日至 96年 07月 31日
執行單位：國立臺灣大學土木工程學系暨研究所
計畫主持人：林銘郎
計畫參與人員：
鍾春富、朱聖心、陳師賢、羅佳明、蔣佳興、魏勇帆
報告類型：完整報告
處理方式：本計畫可公開查詢
中 華 民 國 96年8月13日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■ 成 果 報 告
□期中進度報告
（計畫名稱）
機率式斷層位移危害度分析之應用—以山腳斷層為例(I&II)
計畫類別：□ 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：
NSC 95-2221-E-002 -258
執行期間：94 年 08 月 01 日至 96 年 07 月 31 日
計畫主持人：林銘郎
共同主持人：
計畫參與人員：
鍾春富、朱聖心、陳師賢、羅佳明、蔣佳興、魏勇帆
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
;出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：國立台灣大學土木工程學系
中 華 民 國 96 年 08 月 13 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
機率式斷層位移危害度分析之應用
—以山腳斷層為例
計畫編號：
NSC 95-2221-E-002 -258
執行期限：94 年 8 月 1 日~96 年 7 月 31 日
主持人：林銘郎
執行單位：國立臺灣大學土木工程學系暨研究所
摘要 由災害性地震事件中顯示斷層錯動導 致上覆土層變形，進而造成斷層破裂帶之結 構物或維生管線破壞之案例為數甚多。如何 評估結構物在使用年限內遭受斷層錯動之 風險，係為重要之課題。綜觀當前台北都會 區相關斷層研究咸認為台北盆地西緣的山 腳斷層屬於高活動度之正斷層，山腳斷層之 錯動將造成覆蓋於台北盆地的第四紀沉積 物變形，因此若能了解地表的變形情況以及 影響範圍，便能對於山腳斷層錯動引致地表 之變形有初步之了解。 機率式斷層位移危害度分析（PFDHA, Probabilistic Fault Displacement Hazard Analysis），為量化斷層錯動引致地表位移量 之方法學。由於所蒐集資料以正斷層為主， 適用於正斷層及斷層線位移量之評估。本研 究利用此一方法推論山腳斷層在最大可能 地震週期之基盤錯移量，再以數值方法模擬 基盤錯動下，不同覆土層厚度剪切帶發展範 圍之影響及地表差異變形之影響。 由於數值模擬在厚達700m 之覆土層， 其在斷層基盤錯動2.5 公尺時塑性應變帶之 發展並未發展至地表，且僅發展至基盤破裂 尖端附近。而由鑽孔及定年資料推斷山腳斷 層有生長斷層（growth fault）現象，此種斷 層錯動所造成上覆蓋沉積層之變形行為與 數值模擬單一覆土層錯動影響之異同亦為 本文探討重點。 本研究應用機率式斷層位移危害度分 析進行山腳斷層斷盤滑移量分析，並以數值 方法模擬基盤錯動下，不同覆土層厚度剪切 帶 發 展 範 圍 之 影 響 及 地 表 差 異 變 形 之 影 響。再以小尺寸砂箱模型，針對覆土層厚 度、生長斷層分次錯動的影響進行試驗，並 進行成果討論。 其初步試驗與數值模擬驗證結果茲列 點說明如下： 1. 全尺寸數值分析，考慮不同覆土層 厚度剪切帶的發展，發現較深之覆土層塑性 應變帶並未發展至地表，此與古地震之地陷 證據未能相符。 2. 生長次層發展至地表之第一條剪 切帶，所需要之基盤錯移率為單一覆土層第 一條剪切帶的1/3 倍。由此一現象顯示，生 長斷層在基盤錯動時，剪切帶會比單一覆土 層更為快速發展至地表，且為沿著原覆土層 之剪切帶弱面繼續向上發展，而非從基盤再 次發展新的一條剪切帶。 關鍵字：機率式斷層位移危害度分析、山腳 斷層、生長斷層、砂箱試驗、數值分析。 AbstractObserving from the earthquake disasters over the decades in Taiwan, the deformations of near surface soil, which are the major factors, leads to the damages of underground structures or pipe lines. Geologists and civil engineers are of the opinion that Shanchaio fault is a highly active normal fault that may
trigger earthquakes in Taipei basin area. To study the process of fault propagation as well as the associated soil deformation during a fault offset event, we set up sandbox experiments of simulating normal fault offset and use the non-cohesive sands was adopted simulating near surface soil. We use finite element numerical method to obtain the simulation results and compare them with that from the experiments.
This Probabilistic Fault Displacement Hazard Analysis PFDHA is still in development, the information adopted in this method is mainly normal faults. Therefore, the article chooses Shanchaio fault in Taipei basin as investigation topics. The research evaluated by PFDHA indicates the fault displacement exceeding the annual rate 2% in 50 years is about 2.5 meters by the Displacement Approach; moreover, we use this finite element program to model the simulation of the full scale normal faulting. The results obtained from numerical analyses based on the faulting process that was discussed with the depth of a single overburden soil 700 meters. The shear zones were little occurred in the overburden soil, and propagation was close to fault tip.
However, researches of prehistoric earthquakes along the Shanchiao fault indicate deformations of near surface soil. Therefore, our research sets up sandbox experiments of simulating normal fault offset with growth fault and use the non-cohesive sands was adopted simulating near surface soil. We show the difference results obtained from sandbox experiments between simulations of a single overburden soil and the growth strata.
Key Words: PFDHA, Shanchiao fault, growth
fault, sandbox experiments, numerical analysis. 壹、前言 近年來，由斷層錯動所引致上覆土層變 形，進而造成斷層帶兩側之建築物或地下維 生管線嚴重損壞之案例甚多，如 1992 年美 國加州Landers 地震(Mw=7.2)，1999 年台灣 集集地震(Mw=7.6)及同年在土耳其發生的 Kocaeli 地 震 (Mw=7.4) 及 Duzce 地 震 (Mw=7.1)。沿此地表破裂跡沿線，大多數結 構物均遭受到嚴重損毀。 由集集地震中槽溝開挖調查亦清楚顯 示，斷層錯動具有重覆性，且隨斷層前緣發 展造成沖積土層變形，而引致結構物破壞。 因此對於斷層帶附近之結構物具有較大之 危害。但消極把建築物避免跨越活動斷層為 作為防治對策。在斷層密佈的活動構造環境 中，對於維生管線或大型工程，確實很難避 免跨越活動斷層，因此如何量化評估在斷層 錯動所造成危害分析，是當前重要之課題。 機率式斷層位移危害度分析(PFDHA， Probabilistic Fault Displacement Hazard Analysis)主要評估結構物在使用年限內，遭 受某程度斷層錯動位移量的機率。現已用於 美國核廢料儲存場評估。由於 PFDHA 目前 仍處於發展階段，僅適用於正斷層及斷層線 之分析。 台北盆地西緣的山腳斷層，是大台北地 區最有地震潛能之可能活動斷層。雖然其活 動性與地震之關聯仍有許多未知數，但如果 山腳斷層發生地震活動，對台北都會區影響 甚巨。由台北盆地構造的演化，造成了盆地 不對稱沉積，由東向西逐漸加厚。此現象也 引發台北盆地西緣山腳斷層正斷層的研究 及探討。目前研究指出山腳斷層為一明顯之 生長斷層，隨著正斷層活動伴隨沉積作用， 為同一沉積構造，隨著正斷層兩側地層同時 沉積不同，可觀察斷層之活動性。 由現地調查結果顯示，斷層錯動時將引 致上覆土層變形，造成地表結構物損壞，形 成一窄區範圍之斷層帶之破壞。為模擬斷層 錯動引致地表變形之行為，進而將斷層線之
位移危害度評估擴展至斷層帶之分析，因此 必須結合目前對於斷層錯動時引致上覆土 層之研究結果。但由於相關文獻有限，且影 響參數，包含斷層傾角、抬昇量、覆土層材 料性質等，較為複雜。 由於更新世以後，受到沖繩海槽的順時 針轉向及向西延伸的影響，東西向水平伸張 的應力逐漸取代擠壓應力而成為影響臺灣 北部地殼的主要大地應力，輔以臺北盆地及 鄰近地區歷經 5 年的 GPS 測量結果顯示， 此區域地殼呈西北西－東南東伸張。造山運 動期間由擠壓應力所形成的各逆斷層構造 已經失去活動的機制，因此近期無再活動的 可能性。但山腳斷層為一正斷層，為拉張應 力的作用下所產生的斷層構造，目前臺北盆 地附近仍處於此種大地應力狀態下，因此山 腳 斷 層 活 動 的 機 制 仍 舊 存 在( 林 朝 宗 ， 2001)[1]。 山腳斷層位於北部臺灣的臺北盆地西 側，是一條約東北走向，傾角向東的正斷 層。雖然有地震記錄以來，它並未有明顯活 動，但盆地西側顯著的地形崖和盆地內第三 系沉積岩基盤的深度皆說明了山腳斷層的 活動在臺北盆地的演化中扮演著重要的角 色，且在北臺灣東西向伸張變形的應力條 件，仍有可能再次活動。 根據李錫堤（2001）的綜合分析[2]，大 臺北地區的地震威脅來自三種不同震源，其 中之ㄧ即為來自盆地下或週緣山地的淺源 地震。此類地震和斷層活動有關，除了強大 的震動之外，亦會造成地表變形直接衝擊建 築物，山腳斷層活動便是屬於此類。目前的 資料顯示，山腳斷層即是影響大臺北地區之 最有可能之高活動性斷層，有關山腳斷層之 活動歷史，由鑽探資料推斷山腳斷層在距今 一萬年以前應屬於高活動度的斷層，但在最 近 一 萬 年 或 稍 短 時 間 內 斷 層 活 動 幾 已 停 止。近年來岩心的古地震研究中顯示了 1.5 萬年以來山腳斷層最少有四次的地震活動 紀錄（Huang, et al., 2007）[3]，且關渡平原 一帶的淺層震測結果也說明山腳斷層為一 活動的正斷層（石瑞銓等，2004）[4]，至於 康熙 33 年（西元 1694 年）的大地震是否 與山腳斷層有關，目前仍無定論。由以上的 結果來看，對於山腳斷層最後一次的活動時 間看法相當分歧，可能在一萬年前就已停止 活動，也可能在數千年內尚有活動，也有可 能三百多年前是最近一次活動(盧詩丁等， 2004) [5]。 因此本研究考慮此使用砂箱實驗與數 值分析比對，探討正斷層錯動引致上覆土層 變形之影響，並以山腳斷層之現地剖面，作 為分析探討。以期將 PFDHA 之方法，應用 於台北盆地之山腳斷層分析探討，作為未來 耐震設計之參考。 貳、研究方法 位於山腳斷層沿線上有許多重要建設 （圖 1），若山腳斷層發生錯動，單層或多 次沉積之上覆土層所發展之剪切帶，將造成 地表變形，使結構物發生破壞。因此為了解 斷層錯動時，覆土層對斷層剪切帶發展之影 響，主要分為山腳斷層之錯移量設計、山腳 斷層全尺寸數值模擬以及生長斷層（growth fault）砂箱模型試驗。先以機率式斷層位移 危 害 度 分 析 （PFDHA, Probabilistic Fault Displacement Hazard Analysis）推論山腳斷 層在最大可能地震週期之基盤錯移量，再以 數值方法模擬基盤錯動下，不同覆土層厚度 剪切帶發展範圍之影響及地表差異變形之 影響。最後利用砂箱試驗了解山腳斷層生長 次層（growth strata）之沉積現象，模擬覆 土層之變形情況以及影響範圍。 2.1 機率式斷層位移危害度分析 由於山腳斷層之位置等仍待釐清，因此 採 用 機 率 式 斷 層 位 移 危 害 度 分 析 （ Probability Fault Displacement Hazard Analysis，PFDHA），將不確定之因素以機 率分析方式加以改善，並考慮區域地質之不 同，應用於山腳斷層上，建立一套分析方 式 。 此 方 法 學 分 為 兩 種 方 式 進 行 分 析
（1）地震法（Earthquake approach） PFDHA 的分析主要對時間、空間兩個 部份進行討論。時間的部份，在地震法主要 考慮斷層滑移速率、b 值、最小地震規模 （m0）及最大地震規模（mu），來計算特徵 地震地震模式下，地震的累積發生率；空間 的部分主要考慮地震規模、斷層的滑移量、 場址與斷層線的距離，來計算平均一年中， 超越特定位移量之累積發生機率。 將兩者所計算出來的機率結果相乘，即 可知道在平均一年中，超越特定位移量之發 生機率。 （2）位移法（Displacement approach） 在時間的部份，由斷層滑移速率控制， 由 歷 史 資 料 中 斷 層 滑 移 量 及 所 經 過 之 時 間，經過公式計算可得超越特定位移量之發 生機率。 2.2 山腳斷層之基本假設及錯移量推估 （1）斷層之位態 山腳斷層受到第四紀沈積物的覆蓋，傳 統的野外地質調查方法並無法得知斷層的 位置，斷層位置的確認主要依靠地質鑽探、 地球物理以及地球化學等方法；斷層之位態 無法得知，目前僅能得知一般正斷層為高斷 層傾角之錯動行為，由中央地調所山腳斷層 鑽孔調查結果，由斷層南段之樹林剖面（圖 2）做位態推論，假設山腳斷層之傾角為60 度。 （2）地層參數 在基盤深度的選取方面，利用臺北盆地 基盤等深線決定剖面之基盤深度；覆土層力 學性質方面，蔣佳興（2006） [7]從中興顧 問股分有限公司之鑽孔資料（2005） [8]得 到土壤單位重γ、由參數敏感度分析得到彈 性模數E、土壤柏松比 ν、靜止土壓力係數 K0，進行分析，選取參數如表1所示。 （3）山腳斷層錯移量推估 由機率式斷層位移危害度分析之方法 學中的位移法（鍾春富等，2004;2006） [9， 10]，可以得到基盤位移量超越指定值 d 與 平均一年發生斷層錯動超越d 的次數（年發 生機率）之危害度曲線圖。依據中央地調所 臺北都會區地下地質與工程環境調查研究 計畫地質深井鑽探結果得知，臺北盆地第三 紀基盤深達680 公尺，且由臺北盆地第四紀 沉積物質之研究，推估沉積年代約為 40 萬 年，由此估算山腳斷層之平均滑移速率約為 0.0017 公尺/年（劉桓吉等，2000）[11]；而 利用鑽探岩心與定年資料，所計算出斷層中 段過去1 萬年內的垂直滑移速率約為 0.0018 公尺/年（Huang, 2003）[12]。根據耐震設計 基本目標，考量最大地震（迴歸期2475 年） 時，土壤內基礎產生塑性變形可達規定之上 限值；因此，年發生機約為0.0004，對應危 害度曲線之滑移速率0.002 公尺/年，可得到 設計之斷層錯移量約2.5 公尺(圖3)。 2.3 山腳斷層全尺寸數值模擬 依據臺北盆地第三紀基盤等深度線圖 （圖4，王乾盈、孫志財，1999）[13]所示， 山腳斷層沿線基盤深度在五股地區基盤深 度較深，在樹林地區較淺，因此本研究針對 基盤深度在不同地區之差異，分別切剖面得 到 700m、500m、300m、100m 四個基盤深 度在設計之錯移量下，對上覆土層剪切帶之 發展、地表垂直位移之變化進行探討。 2.4 山腳斷層之砂箱物理模型試驗 由前節之全尺寸數值分析，考慮不同覆 土層厚度剪切帶的發展，發現較深之覆土層 塑性應變帶並未發展至地表，與古地震之地 陷證據未能相符，考量山腳斷層可能有多次 沉積，造成剪切帶並非一次從基盤向上發 展。在前人現地調查研究，發現正斷層的錯 動若伴隨著沖積物的沉積，上盤之沉積層會 有較下盤沉積層增厚的現象，一般稱為生長 斷層（growth fault）(謝昭輝，2000) [14]。 在沉積之後，若再次發生錯動，對於斷層錯 動究竟會產生什麼影響，本研究欲嘗試了 解。故利用砂箱試驗，先觀察沒有沉積的情 況下，斷層分次錯動試驗所造成之影響；接 者模擬有沉積的情況，即生長斷層試驗，將 現地既有地質剖面縮尺寸，進行室內物理試
驗模擬山腳斷層上覆土層變形行為。 參、砂箱試驗及配置 3.1 砂箱配置 實驗砂箱主體尺寸為長度100cm、寬度 20cm、高度 60cm，砂箱底板分為上盤及下 盤兩部份，下盤固定於底座，上盤則由馬達 所控制，可作雙向移動，模擬正斷層或逆斷 層之斷盤錯動，基盤驅動系統角度調整器可 調整15 至 90 度，變化刻度為 5 度，以模擬 斷層不同傾角，砂箱配置如圖5所示。試驗 砂箱長度 100cm，寬度 20cm。本文所採用 實驗砂為越南石英砂，礦物組成99%以上為 石英，其粒徑分佈主要為40 至 140 號篩之 間，為均勻級配，由基本物性實驗，可得平 均砂土比重Gs 為 2.65，土壤單位重為 15.7 （kN/m3）。實驗過程為斷盤之上盤沿傾角 60°之斷層面向下滑移，以模擬正斷層斷盤 錯動，實驗過程中利用固定距離下之相機進 行連續拍攝，以觀察其剪切帶發展順序及行 為。實驗所採用之砂土層總厚度為 20cm， 控制其相對密度為55%，孔隙比為 0.68。為 能清楚觀察剪切帶的發展，石英砂在鋪設過 程中，採用染色砂分層鋪設之方式將土壤分 層，每鋪設 2cm 砂土層，加鋪設一薄層色 砂，色砂材料為石英砂染色後烘乾。此外， 在試驗過程中，係以連續照片中觀察色砂層 之變化為主，在基盤抬昇過程時，當色砂層 產生扭曲或剪動行為時，即代表剪切帶已發 展至該色砂層高度。 3.2 分階錯動試驗 分階方式考慮無生長次層之情況 下，在斷層傾角為 60 度下，基盤分兩次錯 動進行試驗，觀察分階錯動前後覆土層的變 形行為，釐清對剪切帶的發展是否有影響。 3.3 生長斷層試驗 預先給予覆土層一錯動量，考慮在因沉 積造成之生長次層，同樣給予斷層傾角為 60 度的條件，觀察在含有生長次層之覆土 層，剪切帶之發展是否有所不同。 3.4 砂箱試驗規劃 規劃五組試驗如下，並將其整理(表2)。 （1）斷層傾角 60 度，無生長層，單次 錯動，錯動6cm；為蔣佳興（2006）之重複 性試驗（圖6）。 （2）斷層傾角 60 度，無生長層，分兩 階錯動；每階錯動3cm，共錯動 6cm（圖7）。 （3）斷層傾角 60 度，有生長層，分兩 階錯動，即生長斷層（growth fault）；第一 次錯動5.5cm，第二次錯動 1cm（圖8）。 （4）第（3）組之重複性試驗。 （5）第（3）組之重複性試驗。 肆、數值模擬結果 4.1 數值模擬 經進行邊界收斂分析、數值模型尺寸之 邊界效應及網格切割數測試，並由山腳斷層 之現地簡化剖面，考慮高斷層傾角（60 度） 對不同覆土層厚度的影響，利用第三紀基盤 等深度線圖，取剖面中最深之基盤位置，決 定山腳斷層沿線之基盤剖面深度（圖9）， 得到100m、300m、500m、700m 四個基盤 深度（圖10），將其分析結果之塑性應變帶 以及垂直位移量作觀察比較。 4.2 塑性應變帶之發展 （1）剖面 1 (基盤深度為 700m) 檢核初始應力狀態，如圖11（a）所示， 大地應力於平衡後土體垂直方向位移隨深 度遞增，並確認其底部應力無誤。由圖11 （b）可知在錯移前其土體應於彈性狀態， 無塑性應變之產生。 圖 12為基盤錯移量分別為1m 及 2.5m 之情況下，土體之塑性應變帶之發展情況， 由圖中可知，在厚達700m 覆土層其塑性應 變帶之發展並未發展至地表，且僅發展至基 盤破裂尖端附近。 （2）剖面 2 (基盤深度為 500m) 確認檢核初始應力狀態，並由圖 13 可 知，在基盤錯移量為1m 時之塑性應變帶發
展，較700m 厚之覆土層發展迅速；當錯移 量達2.5m，其塑性應變帶可發展至地表。 （3）剖面 3 (基盤深度為 300m) 檢核初始應力狀態。由圖14可知，在 基盤錯移量為1m 時，塑性應變帶已發展至 地表，且塑性應變量持續的在增加，至基盤 錯移量為2.5m 時，基盤破裂尖端處之塑性 應變帶之增量最為明顯。 （4）剖面 4 (基盤深度為 100m) 檢核初始應力狀態。從圖15可知， 在 基盤錯移量為 0.5m 時，塑性應變帶已發展 至地表，之後塑性應變量持續增加，錯動至 2.5m 止。 伍、含生長斷層之砂箱試驗結果 利用間隔 2cm 左右之水平染色砂在斷 層錯移時的扭曲，來觀察剪切帶的發展；在 不同之錯移率（基盤錯移量/下盤覆土層厚 度，△H/H）的情況下，觀察剪切帶發展順 序以及剪切帶的發展範圍（W/H），其中 W 代表斷層上盤尖端投影至地表之處，與地表 剪切線之水平距離，H 代表覆土層厚度(圖 16)。 5.1 分階錯動試驗 試驗結果顯示在分階前後之剪切帶發 展範圍均為 0.4，且分階後繼續錯移，並無 新的剪切帶從基盤向上發展，砂土仍然沿著 第一條剪切帶弱面向下滑移。此一現象說明 在停止錯移給予其自重平衡，再錯動之情 況，對於剪切帶之發展並不會造成影響（圖 17）。 5.2 生長斷層與單一覆土層試驗比較 在 物 理 模 型 之 生 長 斷 層 試 驗 中 （圖 18），原單一覆土層第一條剪切帶在錯移率 達 0.06 時，剪切帶發展至地表；而生長次 層試驗顯示第一條剪切帶沿著原覆土層之 剪切帶弱面繼續向上發展，且在錯移率達 0.02 時，含生長次層之上覆土層之第一條剪 切帶即可發展至地表（表 3）；亦即含生長 次層之上覆土層發展至地表之第一條剪切 帶，所需要之基盤錯移率僅為單一覆土層第 一條剪切帶的 1/3。由此一現象顯示可推 論，含有生長斷層之上覆土層在山腳斷層基 盤錯動時，剪切帶會比單一覆土層更為快速 發展至地表，且為沿著原覆土層之剪切帶弱 面繼續向上發展，而非從基盤再次發展另一 條新的剪切帶。 如以斷層擴展距離與上盤滑移量比值 （P/S）進行比較，即以斷層擴展之初始值 及目前斷層擴展尖端相連之直線P，與上盤 初始位置與上盤目前所在位置相連之直線 S，兩者相除進行剪切帶擴展過程之觀察發 現，剪切帶從開始發展至地表，生長次層剪 切帶之P/S ratio 約可達為原覆土層 3 倍左右 （表4），由此顯示生長次層之剪切帶發展 較為快速。 陸、結論與建議 由數值分析結果顯示，剪切帶之發展受 覆土層厚度之影響，覆土層厚度越厚則在相 同之基盤錯移量下，塑性應變帶越不容易發 展，對於地表之結構物影響越小。而砂箱試 驗結果則顯示分階錯動前後，原覆土層砂土 層應力重新排列，對於剪切帶之發展無顯著 之影響。而正斷層如含有生長層（生長斷 層），當基盤錯動時，剪切帶會沿原覆土層 之剪切帶弱面向上發展。且此剪切帶會比單 一覆土層，更為快速發展至地表，錯移率僅 需單一覆土層之1/3 至 1/2。 故針對山腳斷層之週邊之重大工程設 計分析，應需考慮生長斷層之影響，進行鑽 孔調查是否有生長斷層之證據，生長斷層之 剪切帶發展代表最近一次斷層錯動對上覆 土層之影響，因此發展出之剪切帶為最危險 之活動斷層線（active line），須特別加以注 意。 參考文獻 [1]林朝宗，「臺北都會區地質環境」，臺北 都 會 區 地 質 災 害 研 討 會 論 文 集 ， 第 1-1-1-19 頁（2001）。
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[12] Huang, Shao-Yi, “Prehistoric earthquakes along Shanchiao Fault, Taipei Basin, Northern Taiwan.” Master thesis, Central Washington University (2003)。 [13]王乾盈、孫志財，「台北盆地震測地層 解釋」，經濟部中央地質調查所特刊，第十 一號，p273-p292 (1999)。 [14]謝昭輝，「臺北都會區工程地質. 泰山、 關渡地區山腳斷層初期震源調查研究」， 八十九年度都會區地下地質與工程環境 調查研究計畫，臺北縣，經濟部中央地質 調查所 （2000） 表1：全尺寸數值模形相關參數表[7] 參數 數值 彈性模數 E 800 MPa 土壤彈性參 數 柏松比 ν 0.3 凝聚力 c 5KPa 土壤塑性參 數 摩擦角 ψ 35° 靜止土壓力係數k0 0.43 土壤單位重γ 20KN/m3 土壤與基盤間摩擦係數µ=tan（2/3ψ） 0.43 表2：砂箱試驗規劃表 試驗 分階錯動 生長層 附註 1 ╳ ╳ 2 ○ ╳ 3 ○ ○ 4 ○ ○ 3 之重複性 試驗 5 ○ ○ 3 之重複性 試驗
表3：含生長斷層之砂箱試驗結果表 錯移率 剪切帶發展 0 覆土層鋪至19cm 高 0.05 第一條剪切帶開始發展 0.07 第一條剪切帶發展至地表 0.11 第二條剪切帶開始發展 0.13 第二條剪切帶發展至基盤 0.18 第三條剪切帶開始發展 0.21 第三條剪切帶發展至地表 0.28 基盤錯移量5.3cm 0 生長層鋪至20cm 高 0.02 生長層第一條剪切帶發展至地表 0.04 生長層第二條剪切帶開始發展 0.11 生長層第二條剪切帶發展至生長層底部 表4：含生長斷層之砂箱試驗 P/S ratio 比較 表 發展情況 S（cm） P（cm） P/S 單一上覆土層 剪切帶開 始發展 1 12.3 12.09 剪切帶向 上擴展 1.3 14.6 10.97 剪切帶發 展至地表 1.4 19.8 13.83 含生長斷層之上覆土層 剪切帶發 展至地表 0.5 21.2 42.4 圖1：山腳斷層沿線及周邊重要建設相關位 置圖 圖2：山腳斷層斷層南段之樹林剖面柵狀圖 圖3：利用機率式斷層位移危害度分析推估 山腳斷層基盤錯移量圖 圖4：臺北盆地第三紀基盤等深度線圖（重 繪自王乾盈、孫志財，1999）
圖5：砂箱試驗配置圖 圖6：斷層傾角 60 度無生長層砂箱試驗示 意圖 圖7：斷層傾角 60 度無生長層分階錯動砂 箱試驗示意圖 圖8：斷層傾角 60 度有生長層分階錯動砂 箱試驗示意圖 圖9：本文於山腳斷層沿線之基盤剖面位置 圖 圖10：前述各剖面之基盤深度圖 （a）大地應力平衡 （b）大地應力平衡後之累積塑性應變分佈 圖11：數值模擬初始應力應變圖
（a）基盤錯移量為 0m （b）基盤錯移量為 1m （c）基盤錯移量為 2.5m 圖12：數值模擬覆土層厚度 700m 塑性應變 帶發展圖 （a）基盤錯移量為 0 （b）基盤錯移量為 1m （c）基盤錯移量為 2.5m 圖13：數值模擬覆土層厚度 500m 塑性應變 帶發展圖 （a）基盤錯移量為 0 （b）基盤錯移量為 1m （c）基盤錯移量為 2.5m 圖14：數值模擬覆土層厚度 300m 塑性應變 帶發展圖 （a）基盤錯移量為 0 （b）基盤錯移量為 0.5m （c）基盤錯移量為 1m （d）基盤錯移量為 2.5m 圖15：數值模擬覆土層厚度 100m 塑性應變 帶發展圖 圖16：砂箱試驗錯移率定義圖 圖17：砂箱試驗分階錯動圖 圖18：含生長斷層砂箱試驗圖
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行政院國家科學委員會補助國內專家學者
出席國際學術會議心得報告
96 年 08 月 13 日 計畫編號 NSC 95-2221-E-002 -258 計畫名稱 機率式斷層位移危害度分析之應用—以山腳斷層為例(2/2) 出國人員姓名 服務機關及職稱林銘郎
國立台灣大學土木工程研究所副教授 會議時間地點 時間：2007/07/09~2007/07/12 地點: 葡萄牙/里斯本 會議名稱 (中文) 第十一屆國際岩石力學會議(英文) 11th ISRM Congress- The second half century of rock mechanics 發表論文題目 A Constitutive Model for Elastic Visco-plastic Behavior of Weak Sandstones
一、參加會議經過 本屆國際岩石力學會議我國(臺灣)計有 6 位研究人員參與，其服務單位、姓名與職 稱整理如表 1。除中興大學壽克堅教授外，其餘 5 位結隊同行，與會過程整理如表 2。 本次大會提供每位與會人員會議論文集 2 冊，特殊場次研討會光碟資料 1 片。前述 資料分由各與會人員妥善保存。 表 1 第十一屆國際岩石力學會議台灣與會人員 編號 姓名 服務單位 職稱 1 黃燦輝 國立台灣大學土木工程學系 教授 2 鄭富書 國立台灣大學土木工程學系 教授 3 林銘郎 國立台灣大學土木工程學系 副教授 4 壽克堅 國立中興大學土木工程學系 教授 5 翁孟嘉 國立高雄大學土木與環境工程系 助理教授 6 王泰典 國立台北科技大學材料與資源工程系 助理教授
2 表 2 第十一屆國際岩石力學會議與會過程摘錄 日期與時間 過程摘錄 備註 7/4 16:00 自台灣大學出發至桃園國際機場，搭乘 19:30 班機飛 往西班牙馬德里 7/8 16:00 抵達葡萄牙里斯本會議中心附近，入住飯店 7/9~7/12 12:00 參與國際岩石力學會議 詳照片 1 至 照片 14 說明 7/12 12:00 離開里斯本，前往馬德里 7/17 10:40 自西班牙馬德里機場返台 7/18 12:05 抵達桃園國際機場 照片 1 第十一屆國際岩石力學會議地點 －葡萄牙里斯本會議中心 照片 2 第十一屆國際岩石力學會議報到 地點－左起王泰典、翁孟嘉、林銘郎、黃 燦輝、鄭富書
3 照片 3 第十一屆國際岩石力學會議主會 場(1/4)－左起林銘郎、黃燦輝、翁孟嘉、鄭 富書 照片 4 第十一屆國際岩石力學會議主會 場(2/4)－左起林銘郎、翁孟嘉 照片 5 第十一屆國際岩石力學會議主會 場(3/4)－左起黃燦輝、王泰典 照片 6 第十一屆國際岩石力學會議主會 場(4/4)－左起林銘郎、黃燦輝、王泰典
4 照片 7 第十一屆國際岩石力學會議里斯 本會議中心廣場留影－左起王泰典、黃燦 輝、翁孟嘉 照片 8 第十一屆國際岩石力學會議開幕 式 照片 9 第十一屆國際岩石力學會議大會 演講 Ted Brown 照片 10 第十一屆國際岩石力學會議岩石 力學青年學者獎－洛佳獎頒獎(左起洛佳 教授遺孀、第十一任國際岩石力學學會主 席 Nielen van der Merwe 教授、得獎者 Hideaki Yasuhara 博士
5 照片 11 第十一屆國際岩石力學會議海報 發表會場 照片 12 第十一屆國際岩石力學會議台北 科大材資系王泰典助理教授海報發表 照片 13 第十一屆國際岩石力學會議台大 土木系黃燦輝教授海報發表 照片 14 第十一屆國際岩石力學會議台大 土木系林銘郎副教授(右)與高雄大學土環 系翁孟嘉助理教授(左)海報發表
6 二、與會心得
國際岩石力學會議(Congress of the International Society for Rock Mechanics)為國際上岩石 力學界 4 年一度的全球盛會，自 1966 年於葡萄牙里斯本(Lisbon, PORTUGAL)首度舉辦以來， 迄今已第十一屆。為慶祝岩石力學於二十世紀後半的蓬勃發展，本屆大會於 2007 年 7 月 9 日 至 13 日重回里斯本，由葡萄牙大地工程學會(Portuguese Geotechnical Society，PGS)主辦，西 班牙岩石力學學會(Spanish Society for Rock Mechanics，SEMR)共同主辦，並特別以「岩石力 學的第二個半世紀(The second half century of rock mechanics)」為主題，結合會議前 7 月 6 日 於西班牙馬德里(Madrid, SPAIN)舉辦的「特殊情況的地下工程(Underground Works under Special Conditions)」專題討論會(workshop W1)，會議後 7 月 14 日至 15 日於波大．德葛大－ 亞索里斯(Ponta Delgata – Azores) 舉辦的「火山岩(Volcanic Rocks)」專題討論會(W2)，以及 7 月 14 日至 15 日於馬德里以及蛇姑飛亞(Segovia)舉辦的「自然岩石的保存與岩石風化 (Preservation of Natural Stone and Rock Weathering)」專題討論會(W3)，回顧過往，兼備廣度與 深度全面地探討岩石力學未來的展望。 本屆國際岩石力學會議擴大舉辦，收錄論文數量達 286 篇，創下以往的記錄，其中有關 岩石力學特性與模擬(T2 主題)、隧道與地下工程(T4 主題)的論文，投稿論文數量分別為 90 與 75 篇，佔投稿論文總數比例 31.5 與 26.2%，如同以往仍為國際岩石力學界最關心的課題。 國際岩石力學會議所發表的論文，循例按國家會員(National Group，NG)分配篇數。因國 際情勢，目前台灣仍非國際岩石力學學會之國家會員，但仍突破重重限制，本屆共計發表論 文 5 篇，由國科會自然處補助研究經費，其中 4 篇由國科會工程處補助研究經費，台灣發表 之論文題目與作者整理如表 3所示。 表 3 第十一屆國際岩石力學會議台灣發表論文 編 號 論文題目 主題 編號 論文集 頁數 作者 發表 型式
1 A constitutive model for elastic visco-plastic
behavior of weak sandstone T2 127-130
翁孟嘉、蔡立盛、 鄭富書、林銘郎
海報 發表
2 The use of a bonded-particle model for
studying the mechanical behavior of weak rock T2 491-494
鄭富書、李宏輝、 黃燦輝、謝佑明
口頭 發表
3 Elucidating the anisotropic squeezing behavior
of New Guanyin Tunnel T4 857-860
黃燦輝、陳正勳、 王泰典
海報 發表
4 Numerical analysis of soft rock tunneling in
western Taiwan area T4 959-962
壽 克 堅 、 Y. C. Chuang
海報 發表
5 Study on tunnel excavation disturbed zone in weak rock with time-dependent behavior T4
1057- 1060 王 泰 典 、 羅 偉 、 丁原智、劉世桐 口頭 發表
7 綜觀本屆國際岩石力學會議的論文主題，有幾點值得思考與借鏡之處。首先是以 PFC 程 式做為研究工具的論文數量不少，此一基於非連續體理論發展而來、利用顆粒膠結－流動觀 念建立控制方程式的新興軟體於 2002 年左右發表，不過數年的光景，已於本屆會議發表了許 多案例的模擬與機制的探討等，相較於 1990 年代許多依據非連續體理論建立的分析軟體發表 初期的應用情況，如 DDA、UDEC 與 3DEC 等程式，研究期程明顯大幅縮短，國際間岩石力 學研究在數值方法應用上的腳步大幅快速邁開，至為明顯。本人於近兩年國科會補助之研究 計畫與未來三年補助之計畫，同樣也是運用到 PFC 程式作為分析工具，作為與砂箱物理模型 比對校核之用，頗有英雄所見略同之感覺。 在投稿篇數較少的幾個主題方面，如 T5：地震工程與岩石動力學、T6：石油工程與碳氫 化合物貯存、以及 T7：安全評估與風險管理等亦值得注意。地震工程與動力學的研究因 1960 年代數個大地震造成土層液化、結構物破壞的重大損害而受重視，在大地工程土壤領域已有 較成熟的理論與分析方法，在岩石力學領域則應用較晚，本屆此一主題發表的論文，仍多以 案例分析為主，如地下結構物的地震反應以及邊坡的受震分析等部份則以試驗或量測結果闡 釋機制問題，如開炸引致岩體損傷、音射量測成果的解釋與應用等，尚無突破性的方法論。 國內地質營力旺盛，岩體工程或多或少必然受地震等動力作用影響，近來地下工程受震反應 亦受關注，岩石動力學的研究亦值重視與發展。 石油工程與碳氫化合物貯存主題收錄論文不多，論文多數依據實際案例背景進行試驗、 監測與分析，部份論文報導岩體滲透性與水文地質概念與主題 2 相近，其涉及長期行為的預 測部份則與主題 1 有關，未來亦可能為岩石力學與環境影響的另一個議題。 安全評估與風險管理僅收錄 9 篇論文，為本屆國際岩石力學會議 7 大主題論文數量最少 者，論文內容多數是將安全評估的方法應用在實例案例進行討論、減少不確定性的方法、或 是工程實例的風險管理，相對而言比較偏重創意與嘗試性的研究，成熟度略遜於其他主題的 論文。惟安全評估與風險管理自 2000 年以來在大地工程領域快速發展，其與可靠度分析、性 能設計法等的最新的分析與設計觀念，在安全性與風險性的定義上較為接近，評估結果較接 近世界貿易組織有關降低貿易技術障礙的論點，相信在短期的未來，安全評估與風險管理在 岩石力學領域亦將有另一番研究的高潮。 另外，本屆國際岩石力學會議新增的特殊場次研討會亦值得重視(表 4)，包括落石-機制 與潛能評估(S01)、岩石力學資料(S02)、地下空間建築之革新(S03)、地球物理在岩石工程之 應用(S04)、地下結構的維護與修補(S05)、採礦場之關閉(S06)、採礦(S07)、岩石爆破引致之 震動(S08)、3D 雷射掃描在地工問題的應用(S09)、廢棄物之地下處置(S10)等新興的課程與技 術，亦提供岩石力學未來研究方向的參考。 其中落石-機制與潛能評估(S01)之主題，為本人國科會計畫未來三年研究主要課題，藉此 機會了解了國外發展趨勢與自已研究努力方向是否有獨到創新之處，收獲良多。
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表 4 第十一屆國際岩石力學會議特殊場次研討會
編號 特殊場次主題 論文數量
S01
Rockfall – Mechanism and Hazard Assessment
落石－機制與風險評估 10
S02
Rock Mechanics Data: Representation and Standardisation
岩石力學資料：代表性與標準化 7
S03
Innovations in Underground Construction
地下工程的新技術 8
S04
Application of Geophysics to Rock Engineering
地球物理方法在岩石工程的應用 7
S05
Maintenance and Repair of Underground Structures
地下結構維護與修補 9 S06 Mine Closure 礦場關閉 7 S07 Mining 採礦 4 S08
Rock Blasting Induced Vibrations
岩石爆破引致之震動 8
S09
3D Laser Scanning Application to Geotechnical Problems
3D 雷射掃描在地工問題的應用 6
S10
Underground Waste Disposal: Progress and Challenges
