文 / bizarre173
本魯是地質系和土木系畢業，美國大地工程師。以下介紹土壤液化
- 土壤液化原理
地底下土壤所承受的壓力並不是單純由土壤承擔而是一部分由水壓來承擔，也就是說
土壤總應力 = 孔隙水壓力 + 有效應力
其中孔隙水壓力跟地下水位成正比，而有效應力則是土壤本身所需要承受的壓力。
土壤總應力 = 孔隙水壓力↑+ 有效應力↓
這個過程如果發生在極短時間內 (數分鐘內)，則土壤的有效應力無法反應過來而喪失承載力和剪力，無法承載地表上方建築物或是結構物而造成電視上看到的災害。
- 誘發原因
上述提到要讓孔隙水壓力” 短時間內增加” 的方式可以分為三項，而符合以下符合條件就可能造成土壤液化
1. 飽和的土壤
也就是地下水位以下的土壤。
2. 會引發液化的土壤材質
如果土壤受到擾動時會收縮 (contractive soil)，則會把孔隙中的水擠壓，那麼就會造成孔隙水壓突然增加。這些土壤包括砂 (sand) 粉 (silt) 還有低塑性的泥 (low plastic clay)，所以不只有砂質土才會液化！當然不只土壤的種類，還包含其他參數例如相對密度、過去載重史、區域地震史等等。
3. 外在擾動
只要是快速變動地下水位面的方式都可能誘發液化。除了大家熟悉的地震之外，還有規律的震動 (例如打樁) 或是水面快速的變動 (例如沿海漲退潮) 都可以誘發土壤液化。而現在主要討論是地震造成的土壤液化。
- 工程評估方式
液化的原理在 1918 年就由 Hazen 根據加州 Calaveras 水壩的破壞提出的，然而在 1964 年日本新潟地震和美國阿拉斯加地震所造成的破壞才受到工程師的注意。大地地震工程之父 Harry B. Seed 在 1979 年對於地震土壤液化量化分析才有了初步概念的建立
土壤液化安全係數 =CSR / CRR
如果安全係數>1 就是安全， <1 就是會液化
CSR=cyclic stress ratio 土壤受到地震時剪力和有效應力的比值，主要由 PGA (Peak Ground Acceleration) 和地震規模 (Mw) 決定；CRR=cyclic resistance ratio 土壤對抗地震剪力強度和有效應力的比值、可以由現地試驗、室內實驗決定。
後續學者根據世界各地的大地震 (也包括集集地震) 收集資料來校正 CRR 的計算方式，其中現地試驗評估是最簡易也最普遍的評估方式：包括利用標準貫入試驗 (SPT-N) 和圓錐貫入試驗 (CPT) 或剪力波速 (shear wave velocity)。
也由於是經驗收集的方式而非解析解，因此有各種版本和更新。目前業界常採用的文獻有：L. Youd et al 2001 、 R. Seed (就是前文提到 H. B. Seed 兒子) et al 2003 、Iddriss & Boulanger 2008。通常是利用現地試驗資料 (鑽井) 先做評估哪些地層的液化安全係數 <1 來判斷現地液化潛能，再來評估地上建築物或結構物要怎麼設計。
最近政府要公布的土壤液化潛勢圖只是非常初步的評估。根據地質圖劃定 的第四季沉積物和砂質土壤和地下水位做初步估計，而上述工程評估方式則是較為精確的手段得到的評估。能夠判定一棟建築物下方的土壤是否能在設計地震規模之 下發生液化，也未必能夠反映一些非砂質但具有液化潛能的土質 (粉質和低塑性黏土)。事實上 921 出現的很多液化案例都被寫進教科書或手冊內了
規範上，美國 ASCE 7-10 (建築用的規範) 規定要對地表下 50 英呎 (15m) 的土壤作液化分析，AASHTO 2014 以後的版本 (公路用規範) 則要求要分析地表下 75 英呎 (25m)。
土壤力學是 1925 年問世的學科，然而土壤液化災害在 1964 年阿拉斯加地震後才開始受到重視，1980 年末期才開始有量化分析程序，最新廣泛被業界接受的分析手冊 2008 年才出現，以土木界來講是非常年輕的學科。所以就算不論台灣營建體制的瑕疵，在三十年前的建築物在設計階段也時沒有考慮到的。
(本文由bizarre173授權轉載，未經允許、不得轉載。首圖來源：聯合財經網)
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