Re: [問卦] 土壤液化之父是誰的八卦?消失
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
有效應力則是土壤本身所需要承受的壓力
當總壓力不變的情況下 如果孔隙水壓力"突然增加"則會由土壤有效應力降均
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
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
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
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 那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
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符合液化的條件
2016/2/16更新
這在我的筆記上但找不到案例所以刪除
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50英呎(15m)是目前普遍的共識
AASHTO用在橋梁規範 多半是較深的摩擦樁
很怕稍微深一點的土壤液化後讓該深度以上的摩擦力完全喪失
所以才定75英呎
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