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技師報於85年11月18日土木日創刊
新聞局出版事業登記證局版省報字第48號


中華民國一○五年五月二十一日

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文字記者:許素梅

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,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6177頁。

1 基礎損害之型態與肇因(修改自 大澤一實等,1995)

 

2 日本等國之基礎復舊與補強案例

地點 用途 構造 基礎型式 建築面積 地盤條件 損害概要 補強工法 工期
神奈川縣 集合住宅 RC,5F 擴座樁f35cm 1F124.7m2 黏土、砂質粉土、粉土質砂 下陷50.5cm 鋼管壓入工法 4個月
橫濱市
宮城縣 集合住宅 RC,4F PC樁f35 cm L=10m 1F285.71m2 下陷15cm 既有樁補強 3.5個月
仙台市 工法
宮城縣 集合住宅 PC,4F RC樁f30~40cm部分直接基礎 1F332.8m2 黏土質回填土 下陷 深基礎樁置換工法 6.5個月
仙台市
沖繩縣 獨立住宅 RC,2F PHC樁f35 cm L=16m 1F295m2 2F146m2 風化石灰岩、泥岩 下陷4.5cm建物南側 深基礎工法 補強5.5個月,增建地下室11個月
滑動
兵庫縣 倉庫 RC,3F RC樁 8406m2 軟弱地層 下陷74.5cm 柱切斷與頂升工法 2.5個月
神戶市
東京都 商店 RC,2F 木樁 1F69.7m2 黏土、砂 下陷50cm 承壓版工法 1.5個月
中央區
東京都 商店 S,3F 摩擦樁 1F69.08m2 粉土質砂、砂質粉土 下陷6cm 鋼管樁壓入工法 3個月
台東區 暨住宅
東京都 商店 S,4F 摩擦樁L=5.4m 1~4F39.72m2×4,5F6.61m2 粉土、砂、粉土質砂 下陷13.4cm 承壓版工法與鋼管樁壓入工法 2個月
中央區 暨住宅
兵庫縣 工廠 S,2F PHC樁f50 cm L=33m、35m 1700m2 軟弱地層 液化引起 加氣砂漿填充工法 調查及施工7日
西宮市 兼事務所 回填地 樁周空隙
大阪府 歌劇院 RC,4F B1F PC樁f60~70 cm 2255m2 粉土質細砂 裂縫漏水 無機水玻璃系藥液灌漿 1個月
豐中市
青森縣 工廠地基 RC 樁基礎、基腳 砂、砂石 承載力不足 灌漿工法
東京都 獨立住宅 RC,3F 筏基 1F64.08m2 黏土、黏土質砂、粉土、細砂 下陷7.5cm 鋼管樁壓入工法 2個月
渉谷區
東京都 獨立住宅 S,2F 筏基 1F107m2 黏土質粉土、粉土質黏土 下陷11.3cm 承壓版工法 0.5個月
江東區 2F69m2
東京都 商店 S,3F 筏基 1F48.23m2 下陷9.6cm 頂升工法 10日
暨住宅
北海道 小學 RC,2F 直接基礎 180m2 差異沉陷6.8cm 擠壓灌漿 1.5個月
兵庫縣 辦公大樓 RC,6F 直接基礎 130m2 差異沉陷4.7cm 擠壓灌漿 2周
神戶市
神奈川縣 獨立住宅 木造,2F 連續基礎 1F35.6m2 回填土 下陷10.6cm 從地梁頂升工法 5日
橫濱市
歧玉縣 獨立住宅 木造,2F 筏基 1F59.28m2 回填土、腐植土、粉土 下陷14.3cm 鋼管樁壓入工法 2.5個月
大宮市
神奈川縣 獨立住宅 木造,2F 連續基礎 1F181.75m2 下陷21.5cm 新設基礎 4個月
橫濱市
岐阜縣 獨立住宅 木造,2F RC樁f30 cm L=10m 1F153.97m2 粉土質黏土、細砂 下陷30cm 建物搬移與新設樁 約3.5個月
神奈川縣 獨立住宅 木造,2F 連續基礎,地盤改良樁f60 cm L=3m 124.58m2 下陷6.5cm 千斤頂下降工法 約1個月
橫濱市
岡山市 事務所 S,2F 連續基礎 156m2 軟弱地盤 差異沉陷4cm 灌漿工法 10日
三重縣 工廠 直接基礎 黏土 差異沉陷 樹根樁(微型椿) 23個月
鈴鹿市
菲律賓 辦公大樓 RC,5F 連續基礎 1F約200m2 下陷1.5m 柱切斷與頂升工法 約3個月
呂宋島

 

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