分享本文至 E-mail 信箱
學術引用格式
MLA
APA
EndNote(.enw)

什麼是「土壤液化」?它真的很可怕嗎?——真正可怕的是你我都忽略的事

土壤液化不是指土為水,而是你我腳下土地平衡的破壞

在美濃地震後,台南部分地區出現大量「土壤液化」災情。這四個字個別都看得懂但合在一起卻又有點陌生;也或許這個災害在過往的天然災害中並不算常見,即使能輕易的就能從 google或一些研究機構的說明文件查到相關資訊的介紹(譬如國震中心的網頁:安全耐震的家),仍有些民眾或是民意代表對此一知半解。

從有民意代表誤會成液化災區的土壤特別軟、一戳就凹之類的誤解,就可知道不懂的人或許真的還很多。雖然這樣的舉動會讓多數地質人的理智線斷裂,但我們還是要把事情說清楚講明白,看清楚問題的所在,才是探討土壤液化更重要的事吧?

液化一點也不簡單。感謝pansci作者廖英凱賜圖。

液化一點也不簡單。感謝pansci作者廖英凱賜圖。

什麼是土壤液化?讓我們從頭開始說明

字面上的意思雖然很直觀,但實際上土壤液化並不是土變軟或是土變水的土盾或水盾忍術。在過程中土量、水量都沒有變化,本身微觀的性質也沒有什麼變化,變化的是排列方式和受力程度。土壤的排列其實十分鬆散,無論巨觀上看起來有多扎實,都有可能裡面藏著很多「孔隙」,講到孔隙就必需借用一下國震中心的圖片了:

孔隙率的計算方式示意,圖中灰色的地方是土壤,藍色的地方就是孔隙。圖來源:安全耐震的家。

孔隙率的計算方式示意,圖中灰色的地方是土壤,藍色的地方就是孔隙。圖來源:安全耐震的家。

大多數的情況下,土壤不會堆的很好,那些孔隙也是不規則的樣貌,但基本上砂土的顆粒和顆粒之間是有互相接觸的。有接觸就有力和反作用力的作用(工程術語叫有效應力,但為簡化說法請容許我改變一下形容方式)。一般來說這些力達到平衡時,大家會乖乖排好不會亂動,也不會有沉陷的問題發生。

但水開始進來後(多半是地下水),又是不同的情況了(跟惡魔果實能力者一樣泡在裡面會變弱),因為水會多了一個類似浮力效果的作用(孔隙水壓),感覺就像較上層的顆粒被抬起來了,對下方顆粒的作用力減少,反作用力自然也較少,強度會下降。

但是平常我們看到的情況,即使有地下水,底下還是維持著平衡的狀態,當然在建築時也常需要把水排掉,讓地質較穩固也是有的現象。但地震來時(尤其是大地震),震波的搖晃會破壞平衡,然後孔隙水壓本來就大的地方,會有以下兩種作用:

重新堆疊,排出水分,大概的情況就像下面這張圖一樣:

地震後重新排列後的土壤,排出了多餘水分。圖來源:安全耐震的家。

地震後重新排列後的土壤,排出了多餘水分。圖來源:安全耐震的家。

不過這個過程中,還有一個過渡狀態,就是土顆粒們反應不及,還浮在水中的時候,此時此地的土壤就會變成像液態般的行為,上方如果有些地方重、有些地方輕,就會有不同的沉陷方式,所以有建物的地方會垮下去也是正常的,而地震波帶來的搖晃加上建物房屋本來就不均質的關係,也會讓建物出現傾斜或地坪破壞的現象。

就像下圖的狀態(想像成地震時的瞬間快照)

筆者自繪說明土壤正在發生液化過程的圖。

筆者自繪說明土壤正在發生液化過程的圖。

啊多出來水咧?往下沒地方去(液體的不可壓縮性),當然就是往上跑,水往上跑的時候往往就會帶著泥沙噴出來,所以這次震後常見到噴砂、甚至是泥火山的現象。

以下的影片可以快速看到這兩種現象,沉陷+噴砂(深色那個推測應該是染色標記的色砂而已)

  • 實驗設計者:臺大土木系翁作新教授

土壤液化若在有坡度的地方或是河岸邊,就會出現「側潰」的現象,簡言之就是有點像小規模山崩的樣子,像台南高爾夫球場的崩塌的樣貌,就有點像是類似側潰的現象(但因筆者未實際走訪,實際原因仍保留,但新聞照片看起來的確較像表面崩塌而非斷層,加上球場多以填土方式製造坡度,若底下含水量高時,遇到地震確容易發生側潰)。

快速總結一下,地震引發土壤液化的條件就是:

  • 1.粒徑組成在某個範圍內的土
  • 2.地下水面以下的土
  • 3.夠大的地震製造擾動

土壤液化好像很可怕!怎麼辦啊?

從過往的災例來看,土壤液化使樓房傾斜損壞的災情多半是財損大於人損,對人命的安全較無立即性的危害,直接倒塌多半還是本身建物抗震能力不足所致。甚至土壤含水較高時,晃動程度還會比鬆軟但含水少的土壤小一點,大概是液體的抗剪能力強,剪力波的能量難以穿透,簡言之就是還有部分吸收地震能量的效果,所以土壤液化其實並不是那麼可怕的東西。

當然,它還是很討厭,因為發生後還是得處理,傾斜的房屋需要補強地基、地基有損毀的房屋也要花一筆錢、噴砂的現象還是得清理乾淨,還是天外飛來一筆橫禍。而且即使能修,屋主內心的陰影創傷也難以抺滅…像是下面的災情:

台南新市三民街受0206地震土壤液化影響的房子,主要結構未損壞,但地坪隆起、磚牆破裂。鍾令和博士提供。

台南新市三民街受0206地震土壤液化影響的房子,主要結構未損壞,但地坪隆起、磚牆破裂。鍾令和博士提供。

新化當地居民提供的噴砂照片。by「鄉民地震災害學」相簿

新化當地居民提供的噴砂照片。by「鄉民地震災害學」相簿

那麼預防的方式呢?一般來說如果是「高土壤液化潛勢區」(等一下再介紹這是什麼)的地質環境,會有一些建議的施工方式,像是基盤改良、打較深的椿穿過液化潛勢區,或者直接把土壤夯實(就是叫浩克來踩一踩把孔隙變小)一點(下面幾張國震中心繪的圖也借用一下說明)。

不過這邊要特別提一點很重要的事,不是這樣做了就一定不會液化或者是房子鐵定不會受影響,只是相對起來有預防至少可以避免相關災情發生,也讓房子較為穩固,減少因地震引發的土壤液化而被破壞

打基椿的土壤液化防治工法,即使打不到岩盤深度,夠深的話還是有一定的防治效果。圖來源:安全耐震的家。更多工法請見http://www.ncree.org/SafeHome/ncr02/ncr3.htm

打基椿的土壤液化防治工法,即使打不到岩盤深度,夠深的話還是有一定的防治效果。圖來源:安全耐震的家。更多工法請見這裡

地盤改良的灌漿工法,簡單來說就是把液化潛勢區的地方變成不可能會液化的水泥,並且連接到房子的地基。圖來源:安全耐震的家。

地盤改良的灌漿工法,簡單來說就是把液化潛勢區的地方變成不可能會液化的水泥,並且連接到房子的地基。圖來源:安全耐震的家。

另外,修復方式也是根據類似的原理來復原,如果房屋的主要結構未受破壞,也是可以繼續修復的,但如果破壞的太嚴重,也只得砍掉重練,當然這些還是得請專業的來判斷。

用頂升和灌漿的方式修復液化傾斜的房子。圖來源:安全耐震的家。

用頂升和灌漿的方式修復液化傾斜的房子。圖來源:安全耐震的家。

土壤液化潛勢區公布後,房價會受影響?

那麼最近一直在說要公布的「土壤液化潛勢圖」,為什麼不早公布?難道政府是圖利財團,不想要讓房價跌?在我看來這是個假議題(至於為什麼等等會提),應該先回歸到「液化潛勢的意義是什麼?」來看,至少我們得先了解這個圖怎麼做出來的,又要怎麼解讀才正確?因為不當的解讀反而不易達到原先預想防災效果,只會徒增恐慌和讓不肖建商有更多增加建築成本的說法。

那我們先來看看何謂「土壤液化潛勢區」。工程上有一些計算的方式,在此為免事情複雜化以致篇幅過長,先從原理面談起。從前面提到土壤液化的原理可以發現不外乎就是三個主要因子:

  • 土:各種性質和粒徑
  • 水:地下水
  • 地震:外在擾動

接著我們再來拆開看,地下水高度、土壤大致上可以從鑽井資料得知,只是會有一個問題就是:取樣偏差。一般來說不會隨便就鑽工程地質鑽井,多半是重大建設或是一些研究需求時才會進行鑽井,這樣沒井的地方怎麼辦?實際上也只能用內插法了,雖然一般工程界不會用很笨的線性內插(這樣會變超不準),而會另外有一些學理上的法則,但實際上沒data的地方就是沒data,我認為還是存在一定誤差。

一般來說,沙質土壤越粗,孔隙越大,水比較容易逃離,而較細的土壤就不好排水,地震來時裡面的孔隙水壓就會比較大,液化的程度會較嚴重,但如果細到黏土程度,或是有黏土填滿砂的孔隙時,這些黏土會讓透水能力變差,裡面的孔隙水壓也不易因擾動而變化,所以鑽井的分析內容大致上是作粒徑、強度以及成分之類,這些都還算蠻基礎的分析(也就是幾乎都會做的)。

至於地震,還沒發生地震怎麼會知道地震有多大呢?這也只能仰賴地震方面的研究,從世界各地過去幾次的大地震引發土壤液化的經驗來看(最早比較開始重視是1964阿拉斯加地震和同年的日本新潟地震,近年的大概就屬921地震和日本311地震),用在探討是否是潛勢區的時候,就會給定一個合理的地震規模和地表加速度值,代入評估的經驗公式來計算(目前筆者看過有使用規模7的、也有用規模7.5來評估的研究,主要應該是依房屋設計耐震規範,小弟的背景偏向地質,故這部分有待指正)。

接著把各個鑽井求出的土壤特性、地下水面高度、地震參數利用經驗公式與統計的方式來評估,就有一個叫「液化潛能指數PL」的參數,之後就把觀測點的資料圖像化,加上一些內插法補點,我想大概就是未來要公布的圖了,而目前會公布的是20公尺以內的資料。

只是公布出來,潛勢高的地方房價會跌嗎?我認為這個問題問太快了,應該先考慮另一件事:住在液化潛勢高地區的人,該怎麼辦?政府該做什麼?民眾自己能做什麼?在看了近期的新聞,幾乎沒有報導提及液化潛勢區的意義,甚至連最重要的一件事也沒有說到:

液化潛勢區的分布圖只能告訴你哪邊「較有可能發生液化」,不代表「真實災情分布」。

液化潛勢區的分布圖只能告訴你哪邊「較有可能發生液化」,不代表「真實災情分布」。

液化潛勢區的分布圖只能告訴你哪邊「較有可能發生液化」,不代表「真實災情分布」。

為什麼?看看這次台南的災區和高液化潛勢分布吧:

目前安南區並無顯著災情(不知會不會更新),但實際上一堆噴砂和液化導致地表變形的地區散布在各地,反而高潛勢區少有災情。這絕不是因為研究人員亂做亂畫,而是台灣島的侵蝕沉積速率極快,沖積層厚度厚且年輕(年輕等於鬆軟,平原和各處盆地都是這樣),雖然國際上大地工程對液化範圍調查的規範約是 20至 25公尺深,理由是從經驗上含再深一點的深度較不常發生液化的現象,這是有明定規範的規定。

雖然從臺灣的地質角度看總會覺得有點不安,不過畢竟也是由一段時間的研究累積出來的規範,我想還是相信大地工程專業,但我覺得大眾要留給這些研究一點空間,這些規範在早年都還沒訂(沒研究),未來仍有可能會有變動。

再者鑽井處不夠密、鑽井的資料老舊(土和水都會因天然或人為活動有變動),加上前述的取樣偏差與內插法的誤差等等,我們拿到的液化潛勢圖仍會有一定的誤差,因此在行政上若要做出配套政策來因應,就會產生許多難處,譬如要如何定罰則處罰沒有依法施工預防液化的建商,或是如果圖上沒標出卻發生液化的地區是否需要國賠等等,就是我較擔心的層面。在我看來,難以公布的因素不單是政治問題,而是這東西的使用上本來就要仰賴專業解析,這並不容易。日前看了中央大學黃俊鴻教授的臉書PO文,也有提到上述的問題。

source:wikimedia

source:wikimedia

但其實我也贊同透明公開資訊,最理想化是未來再花時間更新補足現有不足的部分,讓公布的圖有一定的精度,或是增加宣導與說明,讓民眾真正理解土壤液化,並從這些防災資訊建立防災意識,才會真正發揮效果。否則徒以房價為理由,焦點又會從防災轉到其它議題,到最後又被說「沒有防災頭腦」,誰願意呢?

在此忍不住提一下,其實液化區域早有人做(譬如這個參考連結),但能怎麼用也是一直沒有人提,這樣的資訊也是無用武之地的。

最後,在液化戳土事件新聞中,似乎又有一項被忽略的事……

《災害防救法》的修法連署

仔細看過災害防救法,就會發現,裡面沒有土壤液化這項災害,而它也算是地震伴隨的災害,理應也要併入來處理。但就新聞得到的資訊,有民代提出受液化影響的災民無法得到補助我實在查不到真假)。不過,災害防救法和一般的法令最大不同的地方,就是它是一個因應天災人災而生的法令,而經常會有大規模的災害發生後,我們才會來檢視法令不足之處。

日本的災害對策基本法來說,裡面涵蓋了非常大的範圍,也有許多「防災」的作為,而我們的《災害防救法》,即使已修改多次,仍有許多不足之處,目前看來也是「救災」的層面為主,較少防災作為,也希望能藉由這個契機,讓防災能更落實。

參考資料與延伸閱讀:

想要耳聽分享,嘴吃熱炒、手領好書、同時認識一大群愛科學的朋友嗎?

「生猛科學」的特色是:

  1. 只在台灣南部舉辦(精準一點的定義是雲林以南,一直到屏東)。
  2. 只找當地最生猛的科學人擔任講者。
  3. 只談在地的科學,或是在地人最關注的科學。
  4. 只在最生猛的生猛熱炒舉辦。

我們希望透過「生猛科學」系列活動,更認識在地科學社群,並且讓在地的科學除了讓更多在地人知道以外,也透過PanSci的網絡傳得更遠。好久沒辦了想要見見最生猛的你,限量 25 個名額!報名還可獲得科普好書一本,原價800元,現在只要600元!

[報名 10/1 (日)生猛科學@高雄]

關於作者

「你地質系的?」不,但我待過地質所,而且還是海研所的碩士。無論在氣象局、小牛頓…都一樣熱愛地科與科普。現在從事試題研發工作,並持續在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科的各種知識,想以科普寫作喚醒人們對地球的愛。