土壤液化

美濃地震後，引起了台灣民眾對土壤液化 (soil liquefaction) 之重視。對於液化現象，地質學會會員應該並不陌生，因為我們有機會近距離觀察已固結的沉積岩受地震影響而產生幻麗的沉積構造，所以對液化的認知遠比只能看到地表現象的民眾甚至專業人士深入的多。然而，身為地質專業的我們，是否真的已對 “液化” 此一名詞背後的力學機制有充分的了解呢？本文嘗試由淺到深，提供一些 “比科普多一點” 的資訊，供地質學會朋友參考。

首先，土壤液化與土壤液化後造成的現象必須分開敘述，比較不容易造成誤解。土壤液化發生位置通常在地表之下，而液化伴生的現象通常比較容易在地表面被觀察到。簡單地說，土壤液化是指土壤受地震作用由固態暫時轉化為液態的過程，通常發生在飽和、疏鬆的砂層中。液化所造成的現象包括噴砂、噴泥水、地陷、地裂等等，甚至也包括邊坡或堤岸的破壞 (若以水平移動為主又可稱為側潰)。隨著行動裝置普及化，土壤液化後的現象愈來愈容易因拍攝而保留下來，youtube 一支影片即清楚顯示了東日本大地震時土壤液化區噴泥水之現象 (https://www.youtube.com/watch?v=_H7QszKhBOU)。至於液化所伴隨的災害則包括房屋傾斜、倒塌、維生系統下陷或上浮，經典照片之一為 1964 年 Niigata 地震後一處公寓傾斜與倒塌，液化所伴隨的國內、外災害照片可透過國震中心網頁看到(http://www.ncree.org/SafeHome/ncr02/pc3_2.htm)。若要了解液化伴生現象以及所造成的災害，透過簡單的物理模型非常有用，以下提供另一支 youtube 影片(https://www.youtube.com/watch?v=yJ-u4ShK1RM) 供大家參閱，由該影片可以清楚看到較淺部 (黑色土壤以上) 土壤流體狀的晃動以及較深部 (黑色土壤以下) 流體向上湧出地表的過程。對一般民眾而言，欲了解土壤液化這個名詞以及連結土壤液化與液化後可能產生之現象，上述說明應該已相當足夠。然而，對於專業人士而言，上述之說明其實還是太籠統。

若對以上說明不滿足，想要更深入了解土壤液化的話，必須先充分認識以下的關鍵字：

■ 有效應力原理 (Effect stress principle)
■ 總應力 (Total stress) 與有效應力 (Effective stress)
■ 剪應力 (Shear stress) 與剪應變 (Shear strain)
■ 強度 (Strength)
■ 超額孔隙水壓 (Excess pore water pressure)
■ 剪脹 (Shear dilative) 與剪縮 (Shear contractive)
深入認識這些關鍵字後再看下去才能比較容易理解，這些關鍵字很容易可以從土壤力學教科書找到。

回到土壤液化名詞解釋，再深入一點的說法如下：土壤液化為疏鬆的土壤顆粒，因受地震影響 (地震為應力波) 產生反覆剪應力，而有趨向較緊密排列的傾向 (剪縮)，然因孔隙中存在飽和的水 (相對於土壤，水為不可壓縮流體)，因而將孔隙體積縮減傾向轉化為孔隙水壓上升。若土壤中這些超額孔隙水壓無法及時排出，則土壤顆粒間的正向接觸力會減低。當地震造成之剪力作用較強烈、或作用時間夠長，孔隙水壓累積量即會促使土壤顆粒間的正向接觸力下降，一旦外在作用 (地震) 產生的剪應力超過土壤顆粒間原有抗剪強度 (來自顆粒間摩擦力、與顆粒間正向接觸力有關)，土壤即發生液化並產生大量剪應變。請注意，孔隙水壓不必然需累積至等同於總應力，也就是土壤液化時，有效應力不一定為零，強度不必然完全消失。行文至此，土壤液化機制已進行更清楚的介紹。大體上，前述液化伴隨地表現象與災害主要是跟位於地表下的土壤持續累積的孔隙水壓過大以及土壤原有的強度快速下降、產生大量剪應變累積有關。

若地質學會朋友求知欲甚強，對於以上說明仍不滿足，想要更深入了解土壤液化的話，必須先充分認識以下的關鍵字：

■ 排水 (Drain) 與不排水 (Undrain) 剪力試驗
■ 臨界孔隙比 (Critical void ratio)
■ 穩態線 (Steady state line) 與穩態變形 (Steady state of deformation)

這些關鍵字，通常要到中、高階的土壤力學課程才會教。土木工程系大地工程組碩士班課程，通常會包括中、高等土壤力學、土壤塑性力學或臨界土壤力學，有了這些背景，到了土壤動力學這門課，才會開始教授土壤液化的學理與實務，所以，事實上並非所有土木工程系的學生或是所有的土木類科專業技師都能真正充分認識土壤液化。以下筆者嘗試再進一步說明土壤液化機制。

首先，液化現象其實可包括單調載重造成的液化 (Static liquefaction) 與反覆載重造成的液化 (Cyclic liquefaction)。早在 1936 年，Casagrande 先生即已提出可根據臨界孔隙比區分於排水條件下的剪脹、剪縮砂土。值得注意的是，臨界孔隙比事實上也與砂土承受有效圍壓 (與土壤深度) 有關。

60 年代中期，Casagrande 先生的學生 Castro 先生，進行了一系列應力控制、不排水三軸試驗，他發現疏鬆的砂土在很小的軸差應變條件下即發生破壞，之後持續產生大量的剪應變。Castro 先生將此一現象稱作液化，或稱為流動液化 (Flow liquefaction)。此一現象，在低圍壓條件下的緊密砂土並不會發生，因此，Castro 先生提出穩態線 (Steady State Line) 的概念，以區分流動液化是否發生的條件。根據此一穩態線，決定流動液化發生與否將與土壤所承受圍壓、土壤孔隙比以及土壤所承受之剪應力有關，此一概念其實與 Casagrande 先生於排水條件三軸試驗獲得之臨界孔隙比息息相關。

由穩態線概念，可衍生出另一名詞 – “Cyclic mobility”，排水條件下緊密砂土受剪會先收縮再膨脹，因此，承受不排水條件下的反覆載重時，緊密砂土可能會伴隨超額孔隙水壓上升而持續累積大量剪位移，但是當反覆載重停止時，砂土強度還是高於原承受剪應力。雖然 Castro 先生曾大聲疾呼 “Flow liquefaction” 與 “Cyclic mobility” 極為不同，但是即便到現在，工程師還是習慣於使用 “Liquefaction” 一詞代表所有地震期間孔隙水壓上升、土壤強度快速下降的所有現象。其實 “Cyclic mobility” 可根據有效應力是否完全喪失再繼續往下細分，但是怕因此混淆了讀者，故就此打住。

上述說明有一些搭配的示意圖，有興趣的會員朋友可以到以下網址自行參閱： http://www.ce.washington.edu/~liquefaction/html/why/why2.html。因為這些圖涉及臨界土壤力學，未修過較中、高階土壤力學的土木工程師可能都不容易瞭解這些圖在說甚麼，本文經考慮過後決定予以省略。

至於某處土壤會不會液化的評估方法，也可由簡至繁加以介紹。簡單的說，夠大、夠近的地震加上容易液化的土壤兩相配合，是液化發生的重要條件。容易液化的土壤必須是接近地表、疏鬆、且位於地下水位面以下的砂質土壤。接近地表代表土壤承受較低圍壓，再加上 “疏鬆” 此一條件，讓土壤具有較明顯的受剪收縮趨勢。地下水位面以下是確保土壤飽和，有一點點空氣存在的不飽和土壤即可能會讓地震期間超額孔隙水壓累積量大幅下降，因此降低液化發生之可能性。日本大地工程師已研發一種將氣泡灌注到土壤間的工程方法已降低液化發生可能性，其基本概念就是如此。

更專業一點說明：液化發生與否，同時受地震驅動液化發生的能力與土壤抵抗液化的能力控制。為量化液化發生條件，土壤動力學專業領域之專家學者發展了許多方法進行評估。基本上，地震驅動液化發生之能力，與關心地區地表震動特性 (如最大地表加速度與頻率) 有關，通常採用某設計用地震可能導致土體產生的正規化平均剪應力 (對有效圍壓正規化) 作為評估參數。至於土壤抵抗液化能力，如前所述，與土壤種類、土壤孔隙比以及土壤深度有關，可以利用砂土不擾動試體進行室內飽和動態剪力試驗，以獲得土壤抵抗液化發生之正規化剪力強度。因為，不擾動砂土取樣非常困難，因此若有必要，甚至必須使用冰凍工法進行取樣。

目前工程實務較常使用的液化潛能評估方法，多利用大量實際液化經驗，配合現地試驗結果以及地震特性進行評估。現地試驗方法包括標準貫入試驗 (SPT)、圓錐貫入試驗 (CPT)、剪力波速量測等等，透過這些試驗可獲得代表抵抗液化能力之正規化剪力強度，而代表地震驅動能力的正規化平均剪應力則是利用特定規模地震可能造成某區域最大地表加速度值加以評估。這些簡化分析方法大多可以利用簡單的方程式，以計算代表液化發生可能性高低的安全係數。因為我國幾個都會區過去累積了大量的工程鑽井資料，液化潛能評估所需參數 (如標準貫入試驗 N 值、土壤種類以及地下水位等等) 絕大多數已包含於資料庫中，所以若能充分結合地理資訊系統，擬進行區域性液化潛能評估並不困難。值得注意的是，區域性潛勢 / 潛能評估通常有解析度與精度的限制，同時，分析所需參數之正確性與外插的合理性也是區域評估的關鍵課題。一般而言，區域性潛勢 / 潛能評估資料主要是提供國土規劃時參考。若誤用區域性液化潛能評估結果，可能導致嚴重後遺症，提供資料者與使用資料者都應該要非常小心

我國建築技術規則建築構造編第二章基礎構造條文第六十條規定，建築物基礎土壤可能發生液化時應檢討基礎穩定性與安全性，並採取防護措施；第六十四條亦規定若建築有土壤液化之虞者基地，應辦理地層之液化潛能評估。民國九十年頒佈的建築物基礎構造設計規範第十章，也詳列了土壤液化評估方法。若建築師嚴謹的遵照法令與技術規範辦理建築物調查與設計，建築物理當不會因土壤液化而受損。因此，現階段的努力目標應該是落實建築技術規則之規定，確實調查、分析、評估與將結果反應到建築設計。筆者也藉此機會大聲呼籲主導建築規劃設計的建築師，應充分尊重專業，千萬不要再用 “低價” 分包建築專業調查、設計工作。除此之外，因液化潛能評估涉及相當專業的學理與工程設計 (採取防護措施)，未能深入涉獵相關學理的工程師或技師不宜僅拿著非常容易取得的液化潛能評估 EXCEL 試算表，任意輸入未經專業評估的土壤或地震參數，就大膽的提供評估結果。要知道，所有簡化評估方法必定有其背後的假設，且大地工程參數選擇絕對是一門要學一輩子的學問。對於涉及人民生命財產安全的工程設計而言，若液化潛能評估者，只是懂得將參數放進方程式中計算，而不完全瞭解背後的理論以及沒有充份判斷輸入參數是否合宜的能力，這樣實在令人非常擔心，就算評估者是拿到國家授予的專業證照，其時也還是一樣的危險。

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