土壤液化基礎修復補強技術及案例探討

黃富國 (淡江大學水資源及環境工程學系副教授)

王淑娟 (朝陽科技大學營建工程系副教授)

一、前言

台灣位處環太平洋地震帶上，大地震之重複發生無可避免。目前地震之預測技術並未成熟，欲減少地震災害，最有效的方式為汲取歷次地震教訓，針對災害之破壞模式，對既有之土木結構及地盤進行評估與補強；對新建土木結構及地基之設計與施工予以規範，以避免重蹈覆轍，並適當地維護、使用與管理。2016年初之0206美濃地震，喚醒了大家對土壤液化震害的記憶，建物喪失居住性、機能性，亟待進行基礎修復與補強。建物基礎損害之原因很多，但樣態類似，修補方法也類似，本文將先說明基礎損害之型態與肇因，接著以土壤液化基礎修復補強技術及案例為重點，希望可以提供工程界，基礎修復補強技術採擇之參考。

二、基礎損害之型態與肇因  

建築物地基基礎常發現之損害型態，包括建築物產生下沉、差異沉陷、傾斜；地基滑動、側移、基礎斷裂、拱起、隆升、懸空；樁頭、樁身、柱頭、基礎版等，破損或龜裂等整體性或局部性損壞。破壞模式雖多，但其損害型態與肇因，可簡要歸納為：(1)基礎地層之既有條件因素、(2)建物之載重或構造不利因素、(3)其他外來影響因素，如表1所列。其中疏鬆、飽和之近地表（通常為20m深度範圍內）砂質地盤，在強震作用下，若發生土壤液化，將導致地盤承載力喪失或降低，而使其上建物產生沉陷、傾斜；若基礎版勁度不足，亦可能因高值超額孔隙水壓，而使地版拱起、龜裂，產生破壞。

三、土壤液化基礎修復補強技術

土壤液化後，基礎可能產生各種不同之破壞模式，影響原建築物之使用機能，而必須採取修復補強之措施，惟修復補強之工法眾多，適用性、經濟性及工期等各異，因此，必須結合考量各相關因素，方能採擇最佳方案。基礎修復、補強之技術，依處理對象（地盤本身或基礎結構）之不同、或原理（提高抵抗力或降低作用力）之差異，可概分為：（1）地盤補強、（2）基礎結構補強、（3）改變結構受力機制等三大類。由於影響地基震害之因素眾多，若僅採單一方法修補，往往難以克竟其功，因此實務上常須多種工法配套同時進行，方能達成修補目標。以下簡述三種不同對策措施之補強理念。

1. 地盤補強（地層改良）

若基礎位於軟弱或軟硬不均之地盤上，壓縮性大，抗剪強度低，或有發生土壤液化之潛能，可透過壓密排水、夯實、化學固結及置換等方式，改良土層性質，強化、固結地盤，提高地盤之承載力、降低壓縮性、增加抗震穩定性。此法一般較適用於新建結構物，對場址地盤不符合力學性能之處理；對於震後受損結構物之基礎補強，常是利用灌漿固結等方式搭配使用。

2. 基礎結構補強

基礎結構之修補方式，與基礎損害狀況、基礎型式、建物規模及復原等級等有密切關係，方法雖然很多，但其目的皆在回復或提高修補後建物基礎之耐震能力，及建物原有之使用機能。

（1）差異沉陷、傾斜扶正

扶正方式有利用千斤頂上抬之頂升工法，及以直接基礎建物為對象，逕在地基中灌入材料，藉由地基的隆升，將建物抬高的灌漿工法。前者透過機械式之操作，因此準確性較高，而後者雖難達到信賴性及準確性之標準，但卻能符合復舊時簡便、迅速的要求。

（2）基礎修補

包括托換原基礎或加固補強原基礎兩種。前者係對震後受損、強度不足之基礎構造，針對基礎型式、荷重分布及地盤條件等，予以加寬加深外增托換，或使用樁基托換；而後者係將原基礎加固加厚，或使用水泥漿或環氧樹脂等補強材料，注入原基礎裂縫或扶正後之空隙使其結合，以提高原基礎之抗彎、抗剪、抗滲透及沖蝕之能力，並提高其承載力。惟，當基礎損害程度較少，建物不須抬升扶正時，亦可僅修補基礎部分損害部位，如樁頭、基礎地梁等，以保持其功能。

（3）重建、新設基礎

若評估原基礎構造修補後，仍不足以滿足功能需求；或原基礎損害嚴重，無法再使用時，則需考慮重建或新設基礎。重設之基礎可能在原基礎下，或在原基礎外再以帽梁聯結；也可能由樁基變為直接基礎，再配合地盤補強之，其型式端視基礎損害情況及重設基礎之施工條件而定。

3. 改變受力機制

（1）隔震、消能 

於基礎採用隔震裝置及消能器，以延長結構周期及發揮遲滯消能效果，亦可有效降低結構所受之地震力及各項反應，基礎受損之機率自然降低，因此，隔震消能亦為基礎修補方式之一。惟採用隔震裝置時，所有基礎必須全面施作，工程浩大，且須考量結構之高寬比，以免傾覆力矩過大，使隔震性能失效。另外，管線設施亦須配合隔震建築的最大水平位移量，採取必要的變更設計，因此，除非必要（譬如古蹟的保存），通常較少採用隔震、消能的方式來作基礎補強。

（2）改變荷重傳遞

改變荷重分布及傳遞機制、增設伸縮縫或加強上部結構剛度等，以改變基底應力分布狀態，使基礎受力均勻，減少結構物之差異沉陷，亦為另一種基礎補強之型式。

四、修復補強案例探討

結構物之基礎，一般可分為樁基礎及直接基礎。直接基礎又可分為筏基、條基、獨立基腳、聯合基腳及聯梁基腳等，基礎型式不同，破壞的類型及損害程度，可能有很大差異，修復補強之方式，自然亦隨之不同。本文廣泛蒐集、整理了日本等國（間瀨哲等，1995）震後基礎修復、補強之案例(包括土壤液化案例)，依震害地點、建物用途、建物構造、基礎型式、建築面積、地盤條件、損害概要、補強工法及工期等，分門別類予以彙整，如表2所示。

在樁基礎部分，案例中包括有鋼管樁壓入至支撐層、在建築物底下增設地梁及承壓版、以深基礎樁置換補強原樁基礎之方法；也有切斷原有樁頂部，修補後再利用的方法，以及於樁四周填入藥液或砂漿，加入各種補強體予以強化的方法。

在直接基礎部分，與樁基礎相較之下，其受損程度較為輕微，大多是利用千斤頂予以撐起，或注入藥液來修復建築物的傾斜；也有因為地層承載力不足，以壓入鋼管樁、增設承壓版增加抵抗力，撐起建物以修復地基下陷的例子。

在國內案例資料方面，九二一地震之後，亞新工程顧問公司曾針對發生廣泛土壤液化震害之彰化縣員林鎮、大村鄉及社頭鄉等地進行基礎修復、補強狀況調查(亞新工程顧問公司，2000)，結果顯示現地多以灌漿、排土、托底頂升等方式進行地基之修復補強。

褚炳麟等(2002)亦針對台中縣霧峰鄉，在九二一震後基礎之維修方法進行調查及探討，並歸納其採用之方法計有：(1)一樓地版以RC重建、(2)土壤灌漿改良、(3)擴大基腳深度、或(4)改為筏式基礎等。而建物傾斜扶正方法，則有壓力灌漿頂升，及排土千斤頂頂升扶正二種工法。惟整個扶正修建過程，係採用土法煉鋼模式，一切以經驗為重，而基礎之施作，則係依照一般常用規格放大其安全係數來施工。

綜合國內外基礎修復補強之案例經驗顯示(黃富國，2002)，國內之修復補強業者，多以經驗為施工依據，鮮少針對建物結構，進行全面了解，施工中亦多乏監測儀器，修補後常僅能暫時治標，未能長久治本。在日本，雖然在整個修復工程中，仍由於定量評估的困難，而缺乏合理的施工依據，但其修復補強業者為確保施工成效，多會在適當地點裝置檢測儀器，如樁底荷重計、水平及垂直變位計、攝影機、長期變位穩定監測等。

從修復補強成效觀之，各案例完工時大都達致初步成效，但因很多工程係於震後短時間內快速進行，常未詳查破壞肇因，因此修補後並未為住戶提供一個長期之安全居住環境，尤其是位於發生土壤液化區域之場址。因此，基礎破壞原因之分析是很重要的，而透過各種已完工修復工程之效果分析回饋，亦可提供往後類似案例，修復工法採擇之參考。若能確保基礎修復補強成效，方可釜底抽薪，降低往後受震時，再度發生震害之可能性。

五、結 語

土壤液化乃區域性之地層結構問題，基礎之修復補強應合併考慮場址之特性，若僅修補基礎結構而忽略地盤條件，將僅治標而未治本。在九二一地震液化區受損建物之基礎修復補強案例中，多僅著重於傾斜建物的扶正，使其恢復原有的使用功能，但在提高地層的抗液化能力方面，則顯少考量，此乃液化場址復建工作的一大隱憂。

基於土壤液化的再現性，在美濃地震後，政府已允諾將台南市作為都市更新示範區域，並協助災民復建之際，應盡一切努力，將建物修復與地盤補強兩項重點，引導納為往後災區復建計畫之標準作業，提供工程界遵循，否則同樣的情節，類似的故事，每隔一段時間，就可能再度上演！

參考文獻

　1. 大擇一實、間瀨哲、田村昌仁(1995)，“基礎之破壞原因與復舊方法”，建築技術，阪神地震特集I，第54-62頁。

　2. 亞新工程顧問公司(2000)，「土壤液化評估與處理對策研擬第一期計畫（彰化員林鎮、大村鄉及社頭鄉）總報告」，行政院國家科學委員會。

　3. 間瀨哲等(1995)，“復舊事例研究”，建築技術。

　4. 黃富國(2002)，「土壤液化地基修復補強成效之評估研究」，專題研究計畫成果報告，行政院國家科學委員會。

　5. 褚炳麟、徐松圻、張益銘、林成川(2002)，“霧峰鄉太子城堡社區之扶正補強”，2002集集地震液化工程問題研討會論文集，第61～77頁。

表1 基礎損害之型態與肇因(修改自 大澤一實等，1995)

表2 日本等國之基礎復舊與補強案例