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強震的土壤液化嚴重嗎?還是被操弄的議題?

 
2016/2/28     哈囉
 

近日「206美濃大地震」的發生,造成了不少民眾生命、財產的巨大損失。天然災害破壞力之可怕和人力之脆弱無助,由此可見。不過本次大震的規模和震度,都沒有「921集集大震」(1999年9月21日發生在南投規模7.3的地震)的規模和震度來得大,其持續搖晃之「延時」約在10秒以內,遠不若921地震造成生命財產損失來得嚴重而恐怖,真是不幸中之大幸。

206大地震滿目瘡痍的悲慘景象,每天經過媒體呈現在國人面前,其中不斷的報導揣測,未經證實的究因,使得土壤力學中的專有名詞「土壤液化現象」突然一夕暴紅,成為記者、政客、新聞主播、談話秀節目的賓客及家庭主婦們朗朗上口、聞之色變的名詞。大家好像只怕土壤液化之發生,卻忘了強震之可怕。事實上這是一種完全顛倒邏輯的說法,有必要將它匡正回來。北市府、政院接下來將要公佈所謂「土壤液化發生潛能區」,掀起全台一片無厘頭之討論與恐慌,真是令人訝異。

在此,我們要誠實地告訴一般民眾,事情的真相是:「必需先有強烈的地震,才會引發某些特殊土壤液化現象」、「沒有強烈地震,就不會引發土壤液化的現象」。而且就算強烈地震來了,某些被定義為液化潛能高的地區,也不一定就會發生土壤液化。不要忘了,強烈地震發生時所帶來生命財産的損害,絕對遠大於「土壤液化」造成的災害。

在江宜樺內閣任內,前內政部長李鴻源所提的防災機制都更政策構想未獲江宜樺重視採納,加上這次206大地震後柯文哲市長想要公佈「台北市土壤液化潛能區分佈圖」, 因而更炒熱了「土壤液化現象」這個議題。李鴻源是水利專家,水利工程所處裡的地質土壤大都在河道港灣邊居多,也是最容易發生土壤液化現象的所在。「土壤液化現象」對水利工程師而言,是在規劃設計時就必需的考慮因素要項。但筆者認為,把「土壤液化現象」與都市計畫內的住宅建物之安全相提並論、且過度強調,容易造成民眾的恐慌情緒。有否抄作議題以博取令譽之嫌,有待查證。

「科學的問題用科學解決」,「工程的問題用工程解決」,「政治的問題用政治解決」,這幾個命題似乎言之成理。不過有些經驗科學或工程學並不像物理學、化學或電子學一樣,多數是可以掌握相關因素後做精密量測、分析和預測物質之行為。如眾所週知的「牛頓定律」F=ma(力量等於質量乘上加速度),或愛因斯坦「質能互換定律」E=mc2公式一樣簡單、精準沒有例外。我們首先要讓讀者明白工程學尤其是地質學、土壤力學等學科的特性,由於它們處裡的物質對象都不是均質Homogeneous(同質均勻)之材料,大多數屬於Heterogeneous(異質混雜)等多種材質,以不均勻且具多方向性混合構成。因此其展現出的地質及土壤物理性質和行為特性,帶來的「可預測性」並不高,也不一致。因而在預測其行為時,「失之毫里,差之千里」的情形不是沒有,然而也算正常,不能說它不值得參考。

災難之預防,當然要「料敵從寬」,故作為預測材料行為的「經驗公式」才會因應而生。也就是說,處理土壤行為的複雜度並不是一個學派的「經驗公式」可以輕易化繁為簡去涵蓋解決對所有土壤行為預測之期待的。換言之,以「經驗公式」在大區域中預測到發生機率的潛在性土壤行為,可能在小區域、局部的土壤行為中不一定會發生。這不能說是工程師或科學家不認真或不夠專業,而是因為研究地質、土壤行為的因素太多且相互作用關係不明,很難做較為精確的預測而已(如地震之預測、邊坡之穩定預測、隆起現象、沉陷量預估、土壤液化、土壤承載力…等之預測評估)。本文不是叫大家不必重視土壤液化現象之問題,但它絕對沒有理由造成社會無厘頭的恐慌。政治操作此一議題的正當性也不夠,一些政客、民意代表們應該致力關懷受災戶財產損失之處理、心靈創傷之撫平、建物如何重建等問題,才是正途。

 

經921集集大震後,地震震度分為7級如下:
交通部中央氣象局地震震度分級表 (2000年8月1日公告修訂) 來源:交通部中央氣象局
quake_preparedness

其中 1gal=1cm/秒2為重力加速度的單位
1G=980 gal

各位讀者可能不明白1gal=1cm/秒2、1G=980gal的意義是什麼,讓筆者舉例說明如下:
1G代表1個單位的重力加速度。大家一定聽說過F-16超音速戰鬥機,其飛行員受訓的一個項目叫「抗G耐力測訓」,當飛行員坐在高速離心機測G儀座上時,離心機快速旋轉,1G的物理意義就是說離心力達到一個G的水平離心力時,若飛行員體重已知為80公斤,則這時就是在飛行員身體水平投影的總面積上,承受了80公斤的總壓力。

當離心機達至5G的水平離心力時,則在飛行員身體的水平投影總面積上即要承受400公斤的總壓力。F-16飛行員抗G耐力要能達到9G之水準。此時身體之微血管可能破裂,甚至意識昏迷,實非常人所能抵抗得了的。

依此讀者可以推想,如果有一個強烈地震來襲,當地局部地區地震儀所代表區域震度顯示出「300gal 的6級震度」的話,假設這時震區內有一棟7樓建築物,每層面積為100坪(即330平方公尺),則其1樓以上建築物之總重量約為1620噸。以此換算為1樓底部的柱與剪力牆所承受地震的水平剪力,即為:1620噸x0.3G=486噸。也就是說,1樓底部的柱和剪力牆的抵抗總水平剪力,必需大於486噸,才能讓這棟7樓建築物可以耐震至6級震度300gaI的強烈地震,且不致於因抗水平剪力不足而倒塌。當然,結構設計計算時要加入一定的安全係數,才算合格。這是一個如何去抵抗地震水平力的簡易計算說明。當然,房屋倒塌的原因林林總總,以上這個舉例淺說可以讓對地震抗震不熟悉的一般民眾對gal力是什麼,有一個粗略的了解。

上述所說每層樓地版面積100坪的建築物,假設有二層的地下室,則房屋的總重量約為1620除以7乘上9,約為2080公噸。因此在建築物最下面的土壤,至少要能承受2080噸以上的的總重量。也就是說,土壤每平方公尺的承載力要達到2080公噸除以330平方公尺=6.3公噸/平方公尺的土壤承載力。而對某些特殊地層而言,「土壤液化現象」在強烈地震發生後之同時,土壤承載力被打了一個大折扣,造成土壤承載力在局部瞬間不足,導致房屋傾斜、沉陷之現象。

產生土壤液化現象的原因與條件,一般公認有下列數點:

1. 夠大的地震:代表地震規模大,地表水平gal加速度夠大,地震強度放大效應強者。
2. 土壤的土質主要是均勻分佈飽和疏鬆的細沙層或沈泥質細砂層,且其土層的總厚度在20公尺∼25公尺以上。
3. 高的地下水位,即土壤之土層厚度需三分之二以上埋在地下水中。

921大地震後,全台各地許多地方發生不少「土壤液化現象」而致生災害之處,今引用亞新工程顧問有限公司 蔣鼎全等之報告,指出實際情況如下:

1. 河流兩岸之沖積平原(高灘地)。例如:南投市貓羅溪沿岸堤防、草屯富寮里堤防、伸港鄉大肚溪口堤防高灘地、鳥日新溪南橋高灘地、太平一江橋左岸上游高灘地、大里市大里橋兩岸高灘地、大衛橋橋左高灘地、福田大橋左案高灘地、斗六重光橋附近、中寮鄉中山橋河岸。
2. 舊沖積河道上。如:員林鎮崙雅里。
3. 抽砂回填之新生地。如:彰濱工業區部分回填地、麥寮六輕工業區。
4. 港灣碼頭後線回填區。如:台中港1∼4號碼頭。
5. 排水溝渠、池塘、湖泊週邊。如:員林鎭崙雅里。

 

綜上之報告可知:土壤液化現象致生破壞的構造物,大多以空曠之處的水利及橋樑設施居多。地面平坦高低差很小的住宅區中,土壤液化現象出現的機率不算多見。一般還是以平地、坡地、山谷、填砂造陸、海埔新生地、港口碼頭之區域居多。

日本的Iwasaki在1982年列出了可能出現土壤液化的地質,歸類如下:

A. 現有河床、古河道、沼澤、新生地、谷地等為液化潛能最可能發生區。
B. 沖積扇、沖積平原、天然土堤、沙丘、海灘、河灘平原地為液化潛能可能發生區。
C. 台地、丘陵、山地,是屬於比較不會發生液化的潛能區。
大致上,地震規模、地震延時、地表加速度的gal值、土壤顆粒特性、相對密度、飽和度、應力歷史、側向壓力等都影響到土壤液化現象的發生。如黏土層即不產生液化現象,地下水位以上的土壤也不產生液化之現象,有黏土層互層之地質液化潛能也大大降低。

 

結論
一、
土壤液化現在大概只有在強烈地震來襲,大約震度達到六級時才容易發生。那時造成的大問題是地震本身造成建物上部結構的嚴重災害,而不是因地震可能誘發土壤液化現象造成的災害。震度4級以下的地震,引發土壤液化的機率不高。若因而造成損害,其程度也不足以和地震所造成的結構物之破壞、生命財産財之損失相提並論。

二、
本次206大地震的第六天,筆者曾親赴台南災區觀察六處倒塌的現場,發現釀災的原因幾乎都是倒塌建築物本身結構不良所致。以維冠大樓為例,其隣近的建築物有2樓、4樓、7樓、12樓不等之樓層,從表面觀之,大抵並無損傷。至於其他倒塌的建物,率多由於混凝土強度不足、鋼筋紥配不合格、結構系統不佳、角地騎樓、1樓為開放市場(導致獨立柱折斷)等引起的災害為大宗。這些幾乎都不是強震起因後導致土壤液化作用而加大損害之情形。

三、
「國家災害防救科技中心」所公佈的206強震災害彙總報告中,其資料顯示受損的建築物大多數並非座落在所公佈的土壤液化高度潛能區和中度潛能區之內。這看來還蠻諷刺的!這也就是筆者在文初所談到的,以經驗公式去處理未知因素太多的土壤行為之預測,是有其侷限性的。請見下圖(來源見此)
Earthquake0206

四、
台北市政府所謂的台北盆地「三維防災地質資料庫」的輸入資料,以「A為水平地震力」所做的兩種假設如下:
A=0.24G=240gal. 5級震度之地震之上限值
A=0.32G=320gal. 6級震度之地震之中間值
上述5級、6級大地震為假設電腦推演出來的模型,這個模型建築在鑽探資料不足的基礎上(研究單位自己也不諱言),若六級震度、規模7級以上的地震發生在大台北地區週邊的範圍內,那時多數的30∼40年屋齡、耐震力不足的老舊建物,早就面目全非了,根本就不必去探究什麼「土壤液化」的問題了。也就是說,若台北市發生A=0.32G的六級震度時,大概會有7∼8成的老舊建築物(30∼40年屋齡)將難以過關,這才是最令人擔心、傷腦筋的大問題。

五、
再一次強調: 6級震度之強震,是引發土壤液化之重要關鍵條件。就算發生了地震,若未達4級(中震)的震度,也幾乎沒有土壤液化發生之可能。請大台北的市民們放心:平常沒有地震時 大家根本不必擔心土壤液化之問題。對於規模大的強震(規模7级震度6級),我們則要有「平時如戰時」的萬全準備(齊全裝備、強化逃生知識和能力、時常警惕、演練),這才是理性看待大地震的態度。以大台北地區的地震記錄來看,目前尚未發生過6級震度的地震。當然,這並不代表以後不會發生。

六、
關於官方要公告土壤液化潛能區一事,在地質鑽探資料不是很充足的假設條件下,所輸入而成的電腦模型推演出來的土壤液化現象潛能地圖,實在沒有太大的意義,卻因此而造成人民心中的恐慌,恐怕是不負責任的政治秀吧!

七、
就算是處在土壤液化的高度潛能區,以目前一般土壤工學之手段,在基礎施工之前就可以輕易將它克服,並不足為患。工務機構只要將這些資料列入新建的建築個案中,強制要求建築設計時做為核算要點即可。

八、
土壤液化潛能區公佈以後,已完成的建築物公寓想進行改善並非簡單之事。試問要如何進行?經費來源?全體住戶同意嗎?保證有效嗎?在在都是頭痛無解的的難題!我們實在想不出公佈這些「或許」會發生的資訊卻又無法解決問題的動機與意義何在? 到底政府想做甚麼,令人難以理解。

九、
當然,若要打壓房價,這一招一定有效。 然而最重要的,我們是不是請行政院提出報告和解決方案: 假若台北地區發生7級以上的規模、6級震度的地震,請問核一核二老舊核電廠的耐震力承受得了嗎? 我想,這才是政府和民眾最應該關心的議題,而不是「土壤液化現象」這類的假議題吧?



關鍵字 : 地震, 206, 土壤液化,

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