坡地建築耐震與補強之問題探討

鄭清江、馬道奇技師

摘  要

國內自從921地震後，即重視一般公有建築物之耐震評估與補強設計施工等議題，惟一般均以地盤情況為水平之平地狀況視之，較少考量建位在坡地情況的問題。本文以一案例分析結果，呼籲適度考量坡地建築物耐震評估與設計補強問題與注意事項，由於坡地存在不平衡的側土壓力，以及可能的整體穩定問題，故坡地建築之耐震與補強，具有不同於一般平地情況之考量。內容涵蓋坡地建物共構與邊坡側壓之特殊性；常見一般建物與坡地建物耐震的問題等，最後並提出初步看法與建議。

前言

一般結構物耐震設計係以在設計地震下不倒為原則，並以保護生命為第一要務，惟現有耐震補強重點對於基礎設計部分，仍係以平地情況為分析假設條件，對於坡地建築物情況並不全然適用，實有再研究之必要。筆者曾受邀勘查基隆一坡地學校，剛完成建物耐震補強，而原本穩定的下坡面卻出現擠壓裂縫的現象，經瞭解現有耐震補強分析作業程序，並未對坡地情況加以規範，而係依平地情況分析。對於坡地建物之耐震分析，其內容應包括坡地的側滑力、邊坡穩定、動態土壓引致拉拔力等問題，故如何研究整理出一套可遵循的分析評估與補強設計法則，有賴國家地震中心與技師先進們共同努力。 

常見坡地建物耐震問題

長期以來台灣地區對於山坡地利用，另有管制條例，大規模山坡地建築物個案較少，但台灣地小人稠，山坡地開發及利用將成為無可避免的趨勢，坡地建築物耐震可能衍生與一般建築物不同之潛在危害因素如下：

（1）大邊坡穩定分析；（2）考量土壤動態土壓力；（3）地質分佈、地層走向、破裂帶、斷層帶之調查；（4）不平衡土壓力所引起之差異沉陷及防止；（5）擋土措施與結構體共構之設計；（6）邊坡監測系統佈置及邊坡滑動預警機制；（7）佈置水土保持設施及坡面保護；（8）鄰棟間距及安全距離之留設。

坡地案例耐震補強之分析與設計模式

建築物耐震能力評估之側向力分別考量，以下2種情形，（1）一般建築物，不考慮側向動態土壓力情況。（2）考量坡地建築物之不平衡土壓力影響，輸入動態側向土壓力。

北部某坡地案例（圖1，國2），若以一般建築物耐震能力評估方式，不考慮側向動態土壓力情況，進行評估。建築物以含隔間磚牆並考慮100cm高窗台等值斜撐之構架系統進行耐震能力評估。其採用混凝土抗壓強度取各層樓混凝土鑽心圓柱試體平均之抗壓強度及原設計強度之較低者，鋼筋強度則依據原設計強度。分析結果現況之X向現有最小耐震能力Acx＝0.1466g，Y向其最小耐震能力Acy＝0.2606g，兩向皆小於耐震設計規範要求之Ac＝0.3453g。顯示建築物耐震能力未符合最新建築技術規則耐震要求，須進行結構補強。

考量居室內採光須求及補強位置對稱性，補強方案擬於X向1F~5F選擇不影響標的物原使用功能之8道跨距之剪力牆，Y方向1F~5F設置6道跨距間剪力牆設置，拆除既有磚牆、窗框後植筋灌注厚度24cm之新設剪力牆。設置剪力牆之後耐震能力分析結果，X向現有最小耐震能力Acx＝0.3583g，Y向其最小耐震能力Acy＝0.5753g，兩向皆大於建築物最新建築技術規則耐震設計規範之要求Ac＝0.3453g。剪力牆及結構裂縫補強費用約為新台幣9,796,000元，以重建經費每平方公尺16,000元估算，約佔重建費用百分之十點二。

設置剪力牆或鋼斜撐，剪力牆之邊構材（Boundary Element）之軸向力將增加，需檢核邊構材因軸力增加情形，如原有強度不足則補強鋼板或碳纖維材料，增加邊構材軸力強度。

本建物基礎結構系統為獨立基礎形式，邊構材柱底基礎軸力因上構應力傳遞而增加，需檢核邊構材獨立基礎之尺寸、厚度及鋼筋量，如獨立基礎強度不足，需考量補強或增大獨立基礎尺寸，或進行基礎底面地質改良或打設微型樁補強。以本案建築物為例，原設計建築物未加設剪力牆之前，邊構材軸力較小，設置剪力牆之後，邊構材軸力增大，不考慮動態土壓力下，基礎底部軸向反力及彎矩變化如表1所示，補強後Y軸方向彎矩增加約2～4倍，軸向柱底反力增加約3～11倍，分析顯示基礎反力與原設計變化顯著。

表1：原設計與補強後不考慮動態土壓力基礎反力比值

本案例建築物共有5層樓，3層樓以下建築物單側（Y方向）面臨土壓力，依據Coulomb主動土壓力理論，若考量土壤因地震所產生土壓力，以Mononobe-Okabe解法，計算地震狀況下動態土壓力，並將土壓力以倒三角形分佈於建築物樓板，與建築物自重質量引起之地震力共同作用。分析結果現況（補強前）之X向現有最小耐震能力Acx＝0.1466g，Y向其最小耐震能力Acy＝0.0864g，Y方向輸入地震動態土壓力結果，現況建築物耐震能力小於不考慮動態土壓力之分析結果。補強後分析結果之X向現有最小耐震能力Acx＝0.3265g，Y向其最小耐震能力Acy＝0.3804g，Y方向輸入地震動態土壓力結果，補強後建築物耐震能力亦小於不考慮動態土壓力之分析結果。

若設置剪力牆並且考量動態土壓力，將使邊構材軸力增大，基礎底部軸向反力及彎矩變化如表二，Y軸方向彎矩增加約4～10倍，軸向柱底反力增加約3～13倍，分析顯示考量動態土壓力後，基礎反力顯著增加，建築物長期需考量柱底承載力，基礎底面土壤容許承載力，可考量與建築物同時達極限狀態時之土壤強度。

表2：原設計與補強後考量動態土壓力基礎反力比值

初步看法與建議

(一)、山坡地建築物因側向不平衡土壓力作用，建築物兼具擋土共構系統，側向不平衡土壓力作用下，建築物耐震能力比一般建築物為低，內政部頒布評估程式及準則，未針對坡地建築物建立評估準則，評估結果可能偏不保守側。

(二)、設置剪力牆或斜撐等補強構件，相鄰之柱邊界元素將產生軸力變化，軸力向下傳遞至基礎層，導致基礎底面軸力增量，以本文坡地案例為例軸向力約增加3～11倍，基礎容許承載能力可考量採用極限承載力，以符合上部結構達到極限值之對等狀態，如土壤達到極限強度，柱底可能會產生些許壓縮沉陷，由於耐震能力評估允許建築物產生位移、裂縫、沉陷，但不允許建築物崩塌，建築物壓縮沉陷量與基礎承載力補強（避免崩塌）之準則尚缺乏相關規定，此外，亦應檢討補強後之邊坡穩定情況，現有規範及分析程序有待進一步研究。

(三)、建築物與擋土結構共構，除考量動態土壤土壓力之外，與建物基地地質、地層、斷層走向有密切相關，如基地位於順向坡或鄰近活斷層，則側向力尚須考量相關影響。

(四)、本文案例分析顯示坡地建築物耐震能力隨坡面側向土壓力增大而降低，在建築物使用過程中，有必要針對特殊坡地建築物進行相關監測，例如坡面位移、側向土壓力、水壓力、建築物沉陷及傾斜等情況，進行長期觀測。

參考文獻

1. 行政院修正核定「建築物實施耐震能力評估及補強方案」核定本。民國89年6月16日台89內17610號。

2. 蕭江碧，顏聰，黃玉麟，「921地震震壞建築物耐震能力個案分析及改善建議」。

3. 國家地震工程研究中心，「校舍結構耐震評估與補強技術手冊」。

4. 內政部建築研究所，「鋼筋混凝土建築物耐震能力評估法及推廣」。

5. Braja M. Das，「Principles of Foundation Engineering」。

圖1案例平面示意圖

圖2、案例開孔剪力牆平面及配筋示意圖