集集地震土壤液化總評估研究(II)-子計畫九：
台灣西部粉土質砂液化行為及評估準則之研究 計畫編號：NSC 90-2611-E-011-001
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日 主持人：台灣科技大學 陳堯中教授
共同主持人：台灣科技大學 廖宏鈞教授 計畫參與人員：德霖技術學院 游步上教授
台灣科技大學 陳柏存、趙柏祥
一、中文摘要
本研究以現地及室內試驗來探討台灣 西部粉土質砂之液化行為，採用現場冰凍 取樣法取得高品質之不擾動土壤試體，以 動力三軸試驗探討其液化特性，並與重模 試體及以 SPT-N 值估計之液化阻抗比較。
本文敘述現地冰凍取樣法之施作方式 及試體儲存、裁切、試驗時所需注意之相 關事項。依據研究結果顯示，冰凍試體之 液化阻抗明顯高於重模試體之液化阻抗。
現地劈管取樣所得之乾單位重大於冰凍取 樣試體。依標準貫入試驗 SPT-N 值所求得 之液化阻抗較冰凍試體之液化阻抗高。
關鍵詞：冰凍取樣、液化阻抗、粉土質砂 Abstr act
This research conducted both in-situ and laboratory tests to investigate the liquefaction behavior of the silty sand in western Taiwan.
The in-situ freezing and sampling method was used to recover high quality undisturbed soil samples. Cyclic triaxial tests were carried out on undisturbed samples to obtain their liquefaction resistance, and the results were compared with those that were obtained by using remolded samples and the SPT-N values.
This paper will describe the procedures of the in-situ freezing and sampling work, and some relevant notes about the preserving, cutting, and triaxial testing of the frozen specimens. According to the test results, the liquefaction resistance of the frozen samples is higher than the liquefaction resistance of the remolded samples. The dry densities of split-tube samples are higher than those of the frozen samples. The liquefaction
resistance calculated by SPT-N values is higher than the liquefaction resistance of the frozen samples.
Keywor ds: frozen sampling, liquefaction resistance, silty sand.
二、緣由與目的
集集大地震在台灣西部平原造成廣 泛且嚴重的土壤液化現象，留下豐富之案 例資料，值得深入研究探討。
為探討砂土層受地震所產生的液化 現象，須將砂土取出並運送回實驗室中進 行試驗，以了解其性質。國內在砂土試體 之取樣方面，常以薄管直接取得試體後，
再冰凍回實驗室，但往往因鑽孔時所產生 之震動或衝擊，以及取樣器提升時試體容 易鬆脫，砂土之密度及組構已經受到擾 動，取樣的效果並不佳。
本研究採用液態氮冰凍工法將地層整 個固結起來再進行取樣，取樣過程中，由 於地層固結，試體不易受擾動，孔壁也不 會坍塌，所以可取得高品質的不擾動試體。
由 於 剪 力波速已證實能反映砂土密 度、組構、應力等狀態，並與砂土液化阻 抗有密切關係。故取得之冰凍試體運送回 室內以共振柱試驗求取其最大剪力模數，
計算剪力波速，再比較現場試驗結果，即 可探討本研究冰凍取樣技術之擾動程度。
本研究於彰化縣員林鎮現地施作冰凍
取樣作業，並將試體送回實驗室進行動力
三軸試驗，實際建立一套冰凍地層之取樣
技術及冰凍土樣之儲存、運送、準備等技
術，以獲得高品質之不擾動試體，能真實
反映現場土層密度及組構狀態。
三、冰凍取樣計畫及結果與分析 3-1 冰凍取樣計畫
彰化縣員林鎮崙雅里民安宮前的廣場 為本次現地冰凍取樣的試驗地點，此一地 點於 921 集集大地震時，發生過土壤液化 的情形，鄰房還因此而傾斜損害。該地點 經鑽探後發現，此地層的地質狀況屬於粉 土質砂和粉土互層，於地表以下 10m 至 15m 之間砂層含量較多，因此根據鑽探的 結果預定在地表以下 10m 至 15m 之間，進 行本次的冰凍取樣試驗。
本次冰凍取樣試驗採用多管冰凍法的 方式來進行，共 4 支冰凍管以正方形方式 配置，間距 80 ㎝，採用限定式冰凍管。所 謂限定式冰凍管是將冰凍管的冰凍效能限 制在某一範圍內，於其他部分用隔熱材包 覆，避免熱量的流失，以增加冰凍範圍內 的冰凍效果，也可以減少液態氮的使用 量，達到更經濟的效果。
冰 凍 取樣 的位置位於兩冰凍管的中 間，因此需打設取樣孔 4 孔。另外為了確 實掌握冰凍過程中，土壤溫度之變化，在 冰凍管外側 40 cm 處設置兩支測溫管。根 據先前鑽探資料得知，位於地下 10 ~ 15 m 之間有一顯著之砂層，因此冰凍管與測溫 管的鑽孔深度為 15m，而取樣管的預鑽鑽 孔深度為 9.5m。各冰凍管、取樣孔和測溫 管之平面配置如圖一所示。
測 溫 管 一
8 0 CM4 0 CM
冰 凍 管 二
取 樣 管 一
8 0 CM 4 0 CM 4 0 CM
4 0 CM
冰 凍 管 三 冰 凍 管 四
冰 凍 管 一
取 樣 管 二 取 樣 管 四
取 樣 管 三
測 溫 管 二
圖一 冰凍管、測溫管和取樣孔之配置 定出中心點位置後，依圖一分別定出 各管之孔位。以 Hydro core 2000 型鑽機，
利用鋼索式鑽探法鑽掘冰凍管、取樣孔和 測溫管的孔位。
冰凍管、取樣管和測溫管的尺寸分別 為直徑 3”、長度 15m；直徑 3”、長度 9.5m；
直徑 2”、長度 15m。
由於此處地下水位甚高，位於地下 2 m 的位置，鑽孔時孔壁容易崩塌，因此鑽孔 時加入皂土液循環，可以維持孔壁的穩定 性。且在鑽孔至預定深度後須先下套管，
以避免孔壁緊縮而坍孔，之後再以吊車吊 放冰凍管，即完成初步的配置情況。
鑽孔時須注意垂直精確度，因此在該 孔鑽掘完畢後，於鑽桿的前端裝上量測儀 器，以量測該孔位的磁北、方位角、方向 和傾斜角。
本試驗採用溫度計為 K-Type 熱電偶 溫度線（Thermocouple） ，其量測範圍在-250
℃~1260℃。共安裝了八支溫度計，兩支位 於冰凍管中，用來監控冰凍管內的溫度，
而其餘六支溫度計分別安裝在兩根測溫管 中，安裝深度分別為 10m、12.5m 和 15m。
將液態氮冰凍系統、溫度監控系統和 液態氮自動化流量控制系統均配置安裝完 成後，如圖二所示，即可進行冰凍作業。
溫度線 氣態氮
監控電腦
測溫管 冰凍管
自動化 控制閥門
流量計讀器 訊號線
測 溫 線
液態氮
圖二 冰凍自動化監測系統示意圖 藉由液態氮自動化流量控制系統控制 液態氮冰凍系統，達到液態氮冰凍工法的 最佳效果，再由溫度監控系統研判取樣的 時機，之後才進行冰凍取樣。
取樣時採用鑽機一樣是 Hydro core
2000 型鑽機，取樣器為 NX 取樣器，每次
取樣的長度為 1 m，取樣範圍為 9.5 m ~15
m。為避免凍土在取樣過程中過度解凍，取
樣作業時將不使用水。
由 NX 取樣器中取出之凍土，直接用 塑膠夾片夾緊，外面再用保鮮膜包覆，之 後小心的置入岩心箱中，以防止土樣之水 分流失。為了維持試體凍結的情形，須將 岩心箱置入於冰櫃中，且冰櫃中須鋪上一 層的填充物，防止試體運送時不必要的震 動。
3-2 冰凍取樣結果
地層的初始溫度為 25℃左右，而液態 氮的使用量則是每小時 200 ㎏，除了溫度 計一和二之外，其餘溫度計所量測到的溫 度，都呈現出緩慢下降的趨勢。試驗結束 前，只有溫度計一和二所量得之溫度到達 0
℃以下，其餘溫度則介於 7℃~24℃之間，
可見溫度下降的非常緩慢。
後來對該範圍土層進行分析，得到有 部分範圍的土層，其細粒料含量高達 60 %
~ 70 %，而根據 Sorour 等人(1990)指出砂 的熱傳導係數大於黏土的熱傳導係數，也 就是細粒料含量愈高，熱傳導係數會降 低。因此推測可能是細粒料含量過高，導 致溫度下降緩慢，影響冰凍的效果。
本次試驗採用限定式冰凍管，所以取 樣的範圍也侷限在 9.5m 至 15m 之間。根據 溫度變化曲線評估取樣管三和四,可能因為 溫度未達冰點，而無法取得冰凍試體，因 此只對於取樣管一和二進行冰凍取樣。取 樣的過程發現，在取樣範圍內土層的細粒 料含量過高，使得取得之試體雖然有受到 冰凍的影響，但並未達到理想的效果，也 就是說試體過於軟弱，僅部份的範圍取得 較優良的冰凍試體。
四、室內試驗計畫及結果與分析 4-1 冰凍原狀土樣之運送、保存與裁切
本研究之試體由現地取出後，直接用 塑膠夾片夾緊，外面再用保鮮膜包覆，小 心置入岩心箱中以防止土樣之水分流失。
並將岩心箱置入於冰櫃中，在岩心箱下方 與空隙處須以泡棉、保麗龍等填塞，以防 止試體運送時不必要的震動。為了維持試 體凍結的情形，冰櫃內溫度須固定在-20℃
左右，因此在現地及運送過程中，需要柴 油發電機全程提供電力。
冰櫃以卡車自現地運送回實驗室，自 冰櫃取出冰凍原狀試體，拆開包裹在外的 保鮮膜與塑膠夾片，選擇表面平整之試體 範圍，以車床修裁成適當高度。裁切時須 保持試體與刀面的垂直。由於本研究係在 室溫下進行裁切，故整個裁切過程不宜費 時太長，以免造成試體融化。裁切後需迅 速且小心放置回冰櫃裡的岩心箱中，待進 行實驗時再取出，以維持試體之冰凍狀態。
4-2 試驗結果
4-2-1 冰凍原狀土樣基本物性
本研究取得之冰凍原狀試體僅少部份 範圍之土樣表面較為完整，故只裁切得九 個試體並加以編號。
冰凍原狀試體於放入三軸室前，以游 標卡尺精密量測其上、中、下之直徑，並 量其高度及秤重，試驗後小心回收土樣烘 乾，計算得其乾土單位重，並進行各項物 理性質試驗。各試體之比重、乾單位重及 粒徑分佈情形詳表一及圖三所示。
表一 冰凍原狀土樣之基本物理性質
試體
編號 1 2 3 4 5 6 7 8 9
取樣 深度 (m)
14-15 11-12 12-13 13-14
比重 2.72 2.72 2.73 2.73 2.72 2.72 2.71 2.71 2.71 乾單
位重 (g/cm
3)
1.40 1.32 1.40 1.27 1.26 1.28 1.38 1.34 1.27
細粒料
含量(%) 54.77 50.71 59.37 54.53 56.64 51.7 57.26 53.87 15.99
0 20 40 60 80 100
0.0001 0.001
0.01 0.1
1 10
粒徑(mm) 通過百分比(%)
NO1 NO2 NO3 NO4 NO5 NO6 NO7 NO8 NO9
圖三 冰凍原狀試體之粒徑分佈曲線 從表一可得知冰凍原狀試體的比重 Gs
＝ 2.71 ～ 2.73 ； 乾 單 位 重 γ
d＝ 1.26 ～
1.40g/cm
3，隨試體的取樣深度增加而略為
增大。另外 No.FS1～No.FS8 試體細粒料含
量 FC＞50%，只有 No.FS9 試體細粒料含
量 FC＝15.99 %。由土壤分類可知，No.FS1
～No.FS8 試體屬低塑性黏土（CL），FS.9 試體則為粉土質砂（SM）。
4-2-2 冰凍原狀土樣之液化阻抗
將裁切好的試體送進三軸室，在正常 壓密狀態，有效圍壓為 98.1 kPa 條件下，
施作動力三軸試驗，求得初始液化之反覆 作用次數與應力比關係，結果詳圖四。並 由壓密過程中，體積變化儀所量得之試體 體積改變量，計算壓密後之乾土單位重，
在圖四上標註有各試體編號、細粒料含量 及其壓密後之單位重。
圖四 冰凍原狀試體液化阻抗 由圖中發現單位重大小影響液化阻抗 的情形相當明顯，單位重較高的 No.FS1～
No.FS4 試體，其液化阻抗也在所有的冰凍 CL 試體中最高。No.FS5～No.FS8 試體，
在相近的初始液化之反覆作用次數，初始 液化之應力比也隨著乾單位重增加而變 大。
將 單 位重 相近的點取其平均單位重
（γ
d,avg）連成線，得到γ
avg＝1.50、1.41
及 1.35 g/cm
3三條液化曲線，如圖四所示，
更清楚看出乾單位重愈大液化阻抗也愈 大。主要原因應是乾單位重較大者，在相 同體積內其孔隙較少，結構也較為緻密，
所以具有較高之液化阻抗，因此乾單位重 愈大則愈不容易液化。此情形與相對密度 對液化阻抗影響之原理相同。
另外由基本物理性質試驗建立該地土 樣之基本性質後，再分別以乾搗法(DT)與 濕搗法(MT)製作實心試體進行試驗。圖 五、圖六及圖七為冰凍原狀試體與重模(乾 搗及濕搗)試體之試驗結果比較。
正常壓密狀態下，有效圍壓為 98.1kPa
時，比較平均單位重γ
d(avg)＝1.41 g/cm
3冰 凍試體與乾單位重γ
d＝1.40±0.02 g/cm
3的 重模試體（乾搗法及濕搗法）液化阻抗，
如圖五所示，發現冰凍試體的液化阻抗明 顯比重模試體液化阻抗高；圖六則比較平 均單位重γ
d(avg)＝1.50 g/cm
3冰凍試體與乾 單位重γ
d＝1.60±0.02 g/cm
3的重模試體
（ 乾 搗 法 及 濕 搗 法 ） 液 化 阻 抗 。
圖五 不同試體準備方式對於反覆應力比 與反覆次數之關係(CL 試體)
1 10 100 1000
Number of Cycles (N) 0
0.1 0.2 0.3
CyclicStressRatio
DT Samples MT Samples FS Samples (1.50)
(1.49)
圖六 不同試體準備方式對於反覆應力比 與反覆次數之關係(CL 試體)
1 10 100 1000
Nu mb er o f Cycles (N) 0
0.1 0.2 0.3 0.4
CyclicStressRatio
DT Samples MT Samples FS Samples
圖七 不同試體準備方式對於反覆應力比 與反覆次數之關係(SM 試體)
發現冰凍試體的液化阻抗明顯比重模
試體液化阻抗高。其原因應是重模試體係
將土壤組構完全擾動，顆粒重新排列，致
使其強度大幅降低，所以一般以重模方法
施作試體，所得之液化阻抗會偏低，無法 確實反應出現場真正狀況，在低估強度的 情況下，在工程設計上會偏保守，工程施 作中會多採用一些保護措施，在工程費上 會造成額外的支出。
4-3 與現地資料結果比較
根據三個試驗站之現地施打 SPT 及劈 管取樣所得到之土層資料，假設地震規模 M=7.5；地下水位深度 2m 以下之土壤視為 飽和，即飽和度 S＝100%；並且假設當地 土壤比重 Gs＝2.71，地下水位上方土壤乾 單位重 ã
d=1.40 g/cm
3。另外，各測站缺少 部份深度處之土壤細料含量、含水量及打 擊能量，則參考其它測站於相同深度處之 資料，做適當的假設。再以土壤基本物性 及單位重之關係式，即可計算得到各土層 乾單位重及濕單位重。
採用 Seed and Idriss 之簡易法，根據土 層 基 本 資 料 及 現 地 資 料 計 算 CRR 值
（Cyclic Resistance Ratio）。部份土壤其細 料含量超過 80%，則直接視為不會液化。
將各測站 CRR 值與深度之關係分別繪圖，
如圖八、圖九和圖十所示。發現 CRR 值大 致隨深度增加而增大，在細料含量較少的 土層，CRR 值會有減少的現象。
根據 Seed 等人（1975）建議，地震規 模 M=7.5 所對應之相當作用次數 N＝15。
由於試體於三軸室內是採均向壓密，而現 地土壤則是非均向壓密，兩者之液化阻抗 間之關係會隨著液化準則之不同而變化。
本研究則採賴穎芳（1993）之建議，以下 式將均向壓密實驗所得之液化阻抗，修正 為與現地相符之非均向壓密結果。
v I o v A
K
= +
'
/
3
1 σ
τ σ
τ
而 K
o則依據現地之 SPT-N 值估算 ö 值，
並以靜止土壓力係數公式計算之：
φ sin 1 −
o
=
K (4.11)
另外，本研究之 CL 冰凍原狀試體取樣 深度為 10～13m 及 14～15m，細料含量約 50%～60%，其取樣深度與細料含量條件與 NO.1、NO.2 試驗站所得之土層資料相近，
因此由圖五查得之液化阻抗與修正後之液 化阻抗繪於圖八、圖九中；SM 冰凍原狀試 體 取 樣 深 度 為 13 ～ 14m ， 細 料 含 量 約
16%，其取樣深度與細料含量條件與 NO.3 試驗站所得之土層資料相近，因此由圖七 所查得之液化阻抗與修正後之液化阻抗則 繪於圖十中，並進行比較。
由圖八、圖九、圖十發現由冰凍原狀 試體液化曲線所求得之液化阻抗較低。而 經修正為非均向壓密之液化阻抗比修正前 之液化阻抗低。細料含量高的冰凍試體在 冰凍融解過程中體積變化量較大，會受到 些許擾動，細料含量低的冰凍試體則受擾 動較小，故經過修正後之液化阻抗與由現 地 SPT-N 值計算所得之液化阻抗較為接 近。再比較劈管土樣與冰凍原狀試體之密 度，相同深度之劈管土樣之乾單位重較冰 凍試體大，原因應該是土壤在劈管取樣過 程中受到擠壓，造成土壤乾單位重增大。
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
0 0.1 0.2 0.3 0.4
Cyclic Resistance Ratio
Depth(m)
FS samples
In-situ SPT
FS Samples (modified)
圖八 NO.1 試驗站資料與 CL 冰凍原狀 試體之液化阻抗比較
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Cyclic Resistance Ratio
Depth(m)
FS samples
In-situ SPT
FS Samples (modified)
圖九 NO.2 試驗站資料與 CL 冰凍原狀
試體之液化阻抗比較
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
0 0.1 0.2 0.3 0.4
Cyclic Resistance Ratio
Depth(m)
FS Samples
In-situ SPT
FS Samples (modified)
