0206花蓮地震

土壤液化「加震效應」之探討

黃富國¹、王淑娟²

¹淡江大學水資源及環境工程學系

²朝陽科技大學營建工程系

一、前言

兩年前，105年2月6日，地震規模6.6的美濃地震，大家記憶猶新，除了造成台南維冠大樓倒塌、人員重大傷亡外，「土壤液化」也頓時成了顯學，並被過度炒作成洪水猛獸，造成全國民眾的恐慌與不安！也因此促成了政府加速公告土壤液化潛勢區，並推動安家固園計畫。而兩年後，很巧合的又是2月6日，在花蓮縣立霧溪沖積扇近海北緯24.1°、東經121.73°，發生了地震規模6.26、震源深度6.31公里的淺源地震，並觸動了米崙斷層及嶺頂斷層錯動，由北邊往南邊破裂，在花蓮市之震度，達到7級劇震。

此次花蓮地震，除了強地動造成幾棟大樓倒塌外，事實上也發生了土壤液化震害。相較於九二一地震、0304桃源地震、0206美濃地震(黃富國等人，1999；黃富國等人，2012；黃&王，2016)，此次震度雖高達七級，但強震延時較短，所以液化震害相對較為輕微，因此並未引起大家太多的注意;但經初步調查，其實液化也造成了部份建物的下陷、傾斜，影響功能性及使用性！且顛覆我們對土壤液化震害的認知，亦即，土壤液化並非全然是減震效應，也可能因液化較輕微，地層仍具傳遞剪力波之能力，但因地層已局部軟化，地盤振動周期延長，而使中高樓層及具軟弱底層建物，容易發生共振效應，反使震害加劇，出現「液化加震」現象。為了能從每次震害經驗中學習與成長，本文將著重於本次地震，建築物地基液化震害的說明，並闡釋「液化加震」的現象，希望透過對液化之作用與影響，更深入的認識，深化液化防災及減災的作為。

二、土壤液化成因與建築物地基震害

1. 土壤液化成因

0206花蓮地震之土壤液化震害，可歸納為(1)建築結構及港灣設施地基震害; (2)維生管線震害;(3)土工結構及橋梁樁基震害;及(4)地盤側向擴展及流動破壞等(黃富國，2018)。發生液化震害現象的範圍，從米崙斷層帶上之華西路，至嶺頂斷層帶上之崩坎，距離震央最遠約30公里；尤其在花蓮火車站前站，西起國聯五路，東至國盛七街美崙溪畔，南起商校街，北至國盛八街，面積約0.2平方公里的範圍內，有較明顯之地盤下陷，及建物震損的情況(圖1)。歸納發生土壤液化現象之地點，主要為美崙溪流域、及木瓜溪、花蓮溪流域等，第四紀現代沖積地盤的粉土質砂及砂礫石層等。在華西路及東華大學一帶，主要為舊池沼區之軟弱池沼沉積土壤；在嶺頂斷層帶附近的液化，則多為斷層破裂線上之河床沖積砂質土壤。

先前大家普遍認為，花蓮應該不太會發生土壤液化，最主要是因印象中花蓮之地質條件，多為含砂礫石或卵礫石之地層，且這次地震在花蓮市之震度雖高達7級，但強震延時僅約10秒左右，超額孔隙水壓，應不足以激發至發生土壤液化之條件。但事實上震後發現，花蓮之地質條件及地震因素，均與先前之認知有很大差別! 在地質條件方面，花蓮地區之沖積層由砂、礫石與泥(粉土)組成，有些區域仍含有相當厚度，易液化之砂土、粉土質砂與粉土等，且即使含礫石之礫質砂土與粉土質砂，在國內外也有相當多液化的案例，包含九二一地震時霧峰地區及南投地區;本次0206花蓮地震，在花蓮港就噴出最大粒徑近10 cm的礫石。在地震因素方面，此次花蓮地震很特別的一點，就是前震及餘震很多，且有數個前震及餘震之地震規模，均超過5.0(圖2)，對花蓮地區之沖積地層造成一定影響。如圖3所示，在前震時，地下水位以上地層，可能沒有達到發生土壤液化的條件，但水位下土層所激發之超額孔隙水壓持續向上流動、消散，會使前震後，近地表地層之飽和區域向上延伸(如同地下水位變高)，使得主震時，土壤更易液化;且由震後居民訪談知悉，有些區域是在主震後續的餘震後，才看到大片的噴砂現象，如美崙溪畔兩岸大面積的噴砂，其機制相同。因此，這個很特別的地震特性，也是造成此次花蓮地區，發生土壤液化震損的重要原因之一。

2. 建築物地基震害

本次花蓮地震真正引起關注的，是四棟中高樓層建築物的倒塌，包括雲門翠堤大樓、白金雙星大樓、吾居吾宿大樓，及統帥大飯店等，導致十多人喪生。雖然這四棟倒塌的大樓，皆鄰近錯動的米崙斷層，地震力很大，但前三棟同時也都位於花蓮車站前站美崙溪畔附近，是否具液化震害現象(噴水冒砂、土體流動、地基震陷)，仍待調查釐清，惟在其他範圍，部分建物地基有噴砂、開裂、下陷10~20cm、傾斜1~2°、室內或室外地版上拱，形如龜殼狀者，不一而足(照片1~8) ;也有地基液化下陷，伴隨室內斷層錯動而地坪破裂情形(照片2) ;但大部分建築物之影響有限，或未受液化震害，視地盤與上部結構特性而定。因建物倒塌與坐落地盤、地震力大小、結構系統及施工品質等設計、施工及監造因素密切相關，基於這次的震害經驗，往後在興設建築結構時，應更重視工址調查的重要性，並對前述各相關影響因素，進行更周詳之考慮，以確保建物之受震安全性。

三、土壤液化「加震效應」探討

在國內外較嚴重的液化震害歷史上，土壤液化後地層行為與液體類似，不能維持自身的形狀、有流動性，所以其上建築物常如剛體運動般，產生沉陷、傾斜等現象，雖影響使用機能，但因承載地盤不能傳遞剪應力，上部結構不易受剪破壞，而有「液化減震」的效益。相對地，0206花蓮地震，震度雖高，但強震延時較短，花蓮火車站前站附近，約0.2平方公里範圍內之建物，雖因地盤液化有較明顯之10~20cm地盤下陷、傾斜1~2°，但尚屬輕微至中等損害程度，反有「液化加震」效應之疑慮。其原因係地層分布具變異性，輕微至中等損害程度之地盤，近地表地層剖面並未完全液化，尚有傳遞剪應力之能力，但超額孔隙水壓之激發，已使地盤特徵周期延長，導致中長周期結構(如中高樓層建物、具軟弱底層建物、長跨距橋梁等)，會有較大受震反應，易發生震損。

以照片3國盛五街之富臨門大樓及佳美華廈為例，富臨門大樓七樓高、無地下室，底層一樓作為停車使用之開放空間，牆量不足，有軟弱底層情況。0206花蓮地震時，大樓有土壤液化跡象，在大樓左右圍牆旁地坪，分別下陷10 cm及6 cm，停車場地坪有拱升抬起、滲砂情形(照片4)，液化程度較輕微。雖發生了液化，但其一樓多根柱子及牆壁，卻有剪力破壞之現象(照片5)，顯示「液化加震」之可能性;主震後為防餘震持續作用，慈善團體馬上利用鋼柱幫助補強一樓，以策安全。探究其原因，富臨門大樓液化較輕微，使得地盤仍有傳遞地震應力波之能力，而因液化輕微，地盤軟化後，使地盤振動周期變長，對大樓造成了不利影響; 但因場址位於米崙斷層帶上，震度高，且鄰近災損點測站之地震紀錄，具近斷層長周期速度脈衝之特性，也對中高樓層結構有不利影響，使得具軟弱底層情況之富臨門大樓一樓，多根柱子產生剪力破壞情形。因此，富臨門大樓的結構性損壞，可能肇因於液化加震、與近斷層地震的加乘效應，惟其個別貢獻及影響程度，有待再深入探討。

另一方面，作為對照之佳美華廈，位於富臨門大樓對面，5樓高、無地下室，樓層稍低，且無軟弱底層情況，振動周期較短，雖也遭致液化震害(照片6)，地盤下陷約13 cm、傾斜約1°，但各大樓梁柱並無明顯損害情形，一樓地坪雖伴隨有米崙斷層錯動破壞，向左橫移3 cm，並無大礙，此現象明確地顯示了建築結構之周期特性，與液化震損的關聯性!

經震後詳查，花蓮火車站前站附近，類似富臨門大樓具軟弱底層情況，地基出現液化徵兆，梁柱、牆壁多處產生剪力裂縫之中高樓層大樓，仍有很多棟，如照片7~8所示為其中二例。這些實際案例，給了我們很大的啟示，當一場址經分析，具有輕微至中度液化損害潛能時，其上建築物的耐震性能，包含結構系統，必須加以仔細評估。而以往「液化減震」的傳統觀念，也須加以調整; 建築物耐震快篩、耐震評估及補強的項目及重點，也應將此特性納入考量。

四、結語

　1. 相較於九二一集集大震、桃源地震、美濃地震，0206花蓮地震之土壤液化震害，表面上較為輕微，但卻隱含了一些重要課題，值得再深入探討與釐清。包括:(1)前震或主震(相對於餘震而言)的前期振動效應，使超額孔隙水壓在短時間內持續累積及傳佈，對啟動液化的影響; (2)輕微至中度液化損害，所引起「液化加震」效應，對中長周期結構物，尤其是對具軟弱底層建築物的影響，此點有別於傳統「液化減震」的觀念，宜加以重視，並應反映於耐震設計規範之中!

　2. 土壤液化與危老建築及具軟弱底層建築物之安全性，有密切關係。此次花蓮地震多棟受損之建築物，位於發生地盤下陷、地基開裂，具土壤液化徵兆之區域，復因近斷層地動效應而震損。因此，土壤液化及近斷層地動，對建物震損之個別影響與綜合效應，應再深入研究！傳統較著重評估開發基地，是否位於嚴重土壤液化區之觀念，也須加以調整；尤其輕微至中度液化地盤受震之場址效應，不容忽視！

　3. 為防範震害之發生，營建署陸續推動了建築物之耐震初評、詳評及耐震快篩等措施，也針對危險及老舊建築物，給予重建之容積獎勵，或都市更新整建維護、結構耐震補強之補助與賦稅優惠等。根據此次震害經驗，建議液化潛勢區之危老建築及具軟弱底層建築物，應列為優先耐震快篩、評估及補強之對象。而以往大多著重上部結構耐震評估及補強的方式，也應延伸至場址下部之地盤改良及補強。此外，對於發生液化震損的住戶，震損程度的認定及修復補強費用的補助標準，也建議盡速研議後納入法規，俾利遵循，以減少民怨及不必要的抗議與糾紛。

參考文獻

1.  黃富國、余明山、何政弘(1999)，“九二一集集大震土壤液化震害與問題探討＂，土木工程技術，第3卷，第3期，第47-79頁。

2.  黃富國、吳俊磊、王淑娟、黃騰輝(2012)，“2010年3月4日桃源地震土壤液化震害探討”，中華民國第十一屆結構工程研討會暨第一屆地震工程研討會，論文編號：11031。

3.  黃富國、王淑娟 (2016)，“0206美濃地震土壤液化震害探討”，技師報，第1006期，台灣省土木技師公會發行。

4.  黃富國(2018)，“0206花蓮地震土壤液化震害探討”，公共電視「我們的島—大震之後」節目邀訪簡報，民國107年5月24日。 

圖1 花蓮火車站前站附近區域，具土壤液化 徵兆點位		圖2  0206花蓮地震前震及餘震發生時間序列圖
圖3  0206花蓮地震地基土壤液化過程		照片1 國盛八街三巷住戶，土壤液化噴砂及 一樓階梯因斷層錯動而破裂情形
照片2 國盛八街及五街住戶，地基液化下陷 伴隨室內斷層錯動而破裂情形		照片3 國盛五街富臨門大樓及佳美華廈，皆發生 液化震陷及傾斜，但前者梁柱有剪力開裂破壞
照片4 國盛五街富臨門大樓一樓，地坪因 土壤液化而拱起及滲砂情形		照片5 國盛五街富臨門大樓一樓， 柱體剪力破壞情形
照片6 國盛五街佳美華廈，因地基土壤液化 而下陷13cm		照片7  國民八街吉興華廈，因土壤液化 而地坪抬起及地基下陷情形
照片8  林森路昇園大樓，因液化而地坪拱起開裂 及地基下陷情形