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研究生： 徐均飛
Chun-Fei Hsu
論文名稱： 綜合判斷液化問題的影響因素之研究
A STUDY ON INFLUENCE FACTORS FOR THE COMPREHENSIVE JUDGMENT ON LIQUEFACTION PROBLEMS
指導教授： 陳堯中
Yao-Chung Chen
李咸亨
Hsien-Heng Lee
口試委員: 倪勝火
Sheng-Huoo Ni
趙紹錚
Sao-Jeng Chao
李咸亨
Hsien-Heng Lee
林宏達
Horn-Da Lin
陳堯中
Yao-Chung Chen
學位類別： 博士
Doctor
系所名稱： 工程學院 - 營建工程系
Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年： 2023
畢業學年度： 111
語文別： 中文
論文頁數： 448
中文關鍵詞： 綜合液化判斷方法 、細粒土壤總體評估法 、滲透係數 、現地抽水試驗 、蘭陽平原
外文關鍵詞： Liquefaction Comprehensive Judgment Method, Fine-grained soil total assessment method, permeability coefficient, in situ pumping test, Lanyang Plain
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    • 目前廣泛使用的土壤液化評估方法，如：Seed et al. (1985)評估法等，應用於實際案例時仍有一些解釋不完整之處，例如：
    一、蘭陽平原經常發生五級以上地震，官訂版本以鑽孔數量估算(臺灣世曦，2016)，高、中、低度液化潛勢各占69 %、21 %、10 %，若僅估算宜蘭市，則高、中、低度液化潛勢各占78 %、16 %、6 %，但是，近年來宜蘭市卻無土壤液化情況發生。
    二、經濟部中央地質調查所委託臺灣世曦於110年度針對臺南美濃地震歷史液化位置進行補充鑽探調查分析發現，安南區惠安街之歷史液化案例與公告潛勢圖有所差異。依設計地震條件繪製公告之土壤液化圖資，安南區惠安街災區為中度潛勢，但實際上該災區已屬高度潛勢區，且已經發生液化沉陷災難。
    因此，本研究先以Seed et al. (1985)評估法分析該二處實例之液化理論條件，再整合其他重要影響因子進行綜合判斷。本研究的主要成果為：
    一、透過蘭陽平原不液化現象，提出地震歷史、PGA之局部地域性、土壤透水性、黏土厚層和細粒土壤軟化等五項影響因素的綜合液化判斷方法。首先解析蘭陽平原特殊地質條件，因沖積扇地形所形成之湧泉與土壤滲透係數息息相關，並以現地抽水試驗資料與7種滲透係數經驗公式評估出，適用北台灣之滲透係數經驗公式，再採用1980年以來之地震加速度資料，發現近30年來中央氣象局官方紀錄只有一次達291.18 gal (0.297 g)，不如官方土壤液化潛勢圖採用的0.32 g。而透水性很好之蘭陽平原地層條件又再降低了液化發生的機率。所以，土壤液化問題沒有想像中嚴重。
    二、細粒土壤的液化，對於地震液化分析之整體結果影響極大，不可予以輕忽。以美濃地震為例，臺南市安南區惠安街受害極大，然地調所公布之初級圖資卻為中度液化。本研究提出採用Bray & Sancio (2006)法單筆資料是否液化以及李咸亨等人(2016)建議之總體評估法，達到解析含細粒土壤軟化之地層液化現象。

    Currently widely used soil liquefaction assessment methods, such as Seed et al. (1985) assessment method, etc., still have some incomplete explanations when applied to actual cases, for example:
    1.Earthquakes of magnitude 5 or above often occur in the Lanyang Plain. The official version is estimated by the number of drill holes (CECI, 2016). High, medium, and low liquefaction potentials account for 69 %, 21 %, and 10 % respectively. If only It is estimated that in Yilan City, high, medium, and low liquefaction potentials account for 78 %, 16 %, and 6 % respectively. However, in recent years, no soil liquefaction has occurred in Yilan City.
    2.The Central Geological Survey of the Ministry of Economic Affairs (CGS) commissioned CECI to conduct a supplementary drilling survey in FY110 on the historical liquefaction location of the Taiwan-Nanan earthquake and found that the historical liquefaction case of Huian Street in An-Nan District was different from the announced potential map. The announced soil liquefaction map for the Anan district was based on the design seismic conditions and indicated that the Huian Street area was of moderate potential, but in reality, the area was already of high potential and had already experienced liquefaction subsidence.
    Therefore, this study first analyzed the theoretical conditions of liquefaction in these two cases using Seed et al. (1985), and then integrated other important influencing factors to make a comprehensive judgment. The main results of this study are:
    1.Through the phenomenon of non-liquefaction in Lanyang Plain, we propose a comprehensive judgment method of five influencing factors such as earthquake history, local locality of PGA, soil permeability, the thick layer of clay, and softening of fine-grained soil. First of all, analyze the special geological condition of Lanyang Plain, because of alluvial fan terrain formed by the gushing spring and soil permeability coefficient is closely related, and evaluate with the data of the local pumping test and seven kinds of permeability coefficient experience formula, and apply the permeability coefficient experience formula of Northern Taiwan, and then use the seismic acceleration data since 1980, and find that only once in the last 30 years the official record of Central Weather Bureau reached 291.18 gal (0.297 g), which is not as good as the 0.32 g used in the official soil liquefaction potential map. And the stratum conditions of the Lanyang Plain with excellent water permeability further reduced the probability of liquefaction. Therefore, the problem of soil liquefaction is not as serious as imagined.
    2.The softening of fine-grained soil has a great influence on the overall results of seismic liquefaction analysis and cannot be ignored. Taking the Meinong earthquake as an example, Hui'an Street in Annan District, Tainan City was severely damaged, but the primary maps released by the Geological Survey showed moderate liquefaction. This study proposes to use the method of Bray & Sancio (2006) to determine whether a single piece of data is liquefied and the overall evaluation method proposed by Lee et al. (2016) to analyze the liquefaction phenomenon of stratum softening with fine-grained soil.

    目 錄I 符號索引V 圖目錄VII 表目錄XIII 第一章 緒論1 1.1 研究動機與目的1 1.2 研究方法與流程2 1.3 論文內容架構4 第二章 文獻回顧5 2.1 蘭陽平原水資源5 2.1.1 湧泉定義5 2.1.2 湧泉的成因5 2.1.3 伏流水定義6 2.2 土壤液化7 2.2.1 土壤液化定義7 2.2.2 土壤液化潛能評估方法7 2.2.3不液化覆土層之影響評估12 2.2.4 液化潛能指數12 2.3 細粒土壤13 2.3.1 細粒土壤定義13 2.3.2 細粒土壤之液化評估14 2.4 液化評估分析原則15 2.4.1 單筆資料和單孔資料之液化評估原則15 2.4.2 液化評估原則16 2.5 滲透係數16 2.5.1 滲透係數定義16 2.5.2 滲透係數經驗公式16 第三章 資料建立與研究方法19 3.1 現地抽水試驗19 3.1.1計畫概述19 3.1.2 抽水試驗19 3.1.3 蘭陽平原水文鑽井19 3.2 地震資料20 3.2.1 中央氣象局地震資料20 3.2.2 中央研究院地震資料21 3.3 蘭陽平原21 3.3.1 蘭陽平原地理位置與地形概述21 3.3.2 蘭陽平原沉積地質概述22 3.3.3 蘭陽平原湧泉帶23 3.3.4 蘭陽平原工程地質分區24 3.3.5 蘭陽平原現地地下水井抽水試驗測站基本資料25 3.3.6 蘭陽平原官訂版本液化潛勢分析成果26 3.4 臺南平原27 3.4.1 臺南平原地理位置與地形概述27 3.4.2 臺南平原地質概述27 3.4.3 臺南平原工程地質分區27 3.5 水文地質圖繪製流程29 3.5.1 水文地質圖繪製設定29 3.5.2 水文地質圖繪製尖滅原則29 3.5.3 五面3D柱狀圖繪製步驟30 第四章 液化問題之綜合判斷方法研究33 4.1 蘭陽平原地震加速度分析與討論33 4.1.1 蘭陽平原1901年至2002年災害地震(CWB)33 4.1.2 蘭陽平原1980年至1990年地震(IES)36 4.1.3 蘭陽平原1993年至2021年地震(CWB)36 4.2 透水性分析結果與討論37 4.2.1a 滲透係數經驗公式比較分析37 4.2.1b 滲透係數經驗公式K值誤差檢討39 4.2.1c 土壤滲透係數範圍分析40 4.2.2 宜蘭市透水性分析40 4.2.3 蘭陽平原透水性分析44 4.2.4 蘭陽平原YZ區及LW區透水性細部解析46 4.2.5 蘭陽平原平面地質檢核52 4.3 蘭陽平原透水性分區(含湧泉帶)分析結果與討論52 4.4 蘭陽平原液化分析結果與討論54 4.4.1 宜蘭市液化分析55 4.4.2 蘭陽平原液化分析58 4.4.3 蘭陽平原綜合討論60 第五章 細粒土壤軟化分析結果與討論64 5.1 臺南地區液化現象探討64 5.1.1 美濃地震110年度液化分析問題探討65 5.1.2 美濃地震111年度液化分析問題探討66 5.2 臺南地區細粒土壤軟化結果與討論66 第六章 結論與建議72 6.1 結論72 6.2 建議73 參考文獻74 附錄A 1993年至2021年宜蘭地區地震資料188 附錄B 蘭陽平原地質鑽探資料346 附錄C 蘭陽平原各測站資料409 圖目錄 圖1-1 研究流程圖80 圖2-1 湧泉形成示意圖81 圖2-2 Tokimatsu ＆ Yoshimi (1983)簡易經驗法之分析流程82 圖2-3 Seed et al. (1985)分析方簡易經驗法之分析流程83 圖2-4 Mw =7.5時粉土質砂抗液化反覆剪應力比與(N1)60之關係84 圖2-5 深度折減係數rd之範圍84 圖2-6 不同有效覆土應力σv'之CN值85 圖2-7 JRA (1996)簡易經驗法之分析流程86 圖2-8 液化後地表下陷機制示意圖87 圖2-9 判斷液化是否導致地表破壞之經驗圖87 圖2-10 液化土層與非液化土層厚度之定義88 圖2-11 日本道路協會規範JRA (1996)之圖說89 圖2-12 JRA (1996)規範內包含粗、細粒土壤的完整液化分析流程90 圖2-13 Bray & Sancio 液化評估關係圖91 圖2-14 臺北市土壤液化評估流程圖91 圖3-1 蘭陽平原31口水文鑽井92 圖3-2 蘭陽平原地下水分區92 圖3-3 臺灣強地動觀測網的測站分布圖93 圖3-4 SMART1於羅東鎮各測站位置圖93 圖3-5 SMART1陣列配置圖94 圖3-6 蘭陽平原地形及水系圖94 圖3-7 蘭陽平原地下沉積物厚度圖95 圖3-8 蘭陽平原東側南北向震測資料所顯示的構造剖面圖95 圖3-9 蘭陽平原主要的湧泉帶約分佈在標高7-15公尺區域96 圖3-10 蘭陽平原主要湧泉區(生態)樣點位置96 圖3-11 三星(Sanxing)、大洲(Dazhou)和公館(Gongguan)三口井之地層柱狀圖97 圖3-12 蘭陽平原工程地質分區圖97 圖3-13 蘭陽平原官訂版本液化潛勢分析圖98 圖3-14 蘭陽平原液化潛勢圖98 圖3-15 臺南都會區與周緣地區地形及水系圖99 圖3-16 臺南平原工程地質分區99 圖3-17 色彩設定模式圖100 圖3-18 YZW剖面水文地質圖(視角方向A)101 圖3-19 YZS剖面水文地質圖(視角方向A)101 圖3-20 YZE剖面水文地質圖(視角方向A)102 圖3-21 YZN剖面水文地質圖(視角方向A)102 圖3-22 土層標示設定圖103 圖3-23 YZS面及YZW面立體旋轉連結圖103 圖3-24 YZN面及YZE面立體旋轉連結圖104 圖3-25 YZ區視角方向A之2D地質剖面圖104 圖3-26 YZ區視角方向A之五面3D地質柱狀圖105 圖3-27 YZE剖面水文地質圖(視角方向B)105 圖3-28 YZN剖面水文地質圖(視角方向B)106 圖3-29 YZW剖面水文地質圖(視角方向B)106 圖3-30 YZS剖面水文地質圖(視角方向B)107 圖3-31 LWW剖面水文地質圖(視角方向C)107 圖3-32 LWS剖面水文地質圖(視角方向C)108 圖3-33 LWE剖面水文地質圖(視角方向C)108 圖3-34 LWN剖面水文地質圖(視角方向C)109 圖3-35 LWE剖面水文地質圖(視角方向D)109 圖3-36 LWN剖面水文地質圖(視角方向D)110 圖3-37 LWW剖面水文地質圖(視角方向D)110 圖3-38 LWS剖面水文地質圖(視角方向D)111 圖3-39 YZ區視角方向B之2D地質剖面圖111 圖3-40 YZ區視角方向B之3D地質剖面圖112 圖3-41 LW區視角方向C之2D地質剖面圖112 圖3-42 LW區視角方向C之3D地質剖面圖113 圖3-43 LW區視角方向D之2D地質剖面圖113 圖3-44 LW區視角方向D之3D地質剖面圖114 圖4-1 1994年6月5日蘭陽平原地震各測站位置115 圖4-2 1994年6月5日蘭陽平原地震加速度等值圖116 圖4-3 1995年6月25日蘭陽平原地震各測站位置117 圖4-4 1995年6月25日蘭陽平原地震加速度等值圖117 圖4-5 2002年5月15日蘭陽平原地震各測站位置118 圖4-6 2002年5月15日蘭陽平原地震加速度等值圖118 圖4-7 1986年1月16日蘭陽平原地震各測站位置119 圖4-8 1986年1月16日蘭陽平原地震加速度等值圖120 圖4-9 2005年3月6日蘭陽平原地震各測站位置121 圖4-10 2005年3月6日蘭陽平原地震加速度等值圖121 圖4-11 各經驗公式誤差百分比圖122 圖4-12 蘭陽平原鑽探圖122 圖4-13 湧泉區域和四條大地工程剖面線位置圖123 圖4-14 大地工程剖面圖PEW-1124 圖4-15 大地工程剖面圖PEW-2，含Chiang (2009)之三口井柱狀圖124 圖4-16 大地工程剖面圖PYL-1125 圖4-17 大地工程剖面圖PYL-2125 圖4-18 蘭陽平原剖面線位置圖126 圖4-19 YZ-3D剖面圖A、B視角方向圖126 圖4-20 LW-3D剖面圖C、D視角方向圖127 圖4-21 蘭陽平原平面地質圖127 圖4-22 YZ區及LW區之平面地質詳圖128 圖4-23 YZ區及LW區平面地質轉3D地質流程圖128 圖4-24 宜蘭市剖面線位置與蘭陽平原剖面線位置套疊圖129 圖4-25 YZ區域區塊地質檢核130 圖4-26 LW區域區塊地質檢核131 圖4-27 YZ區及LW區之平面地質更新詳圖132 圖4-28 地震超過120 gal各測站位置132 圖4-29 宜蘭地區土壤液化潛勢圖和四條大地工程剖面線位置圖133 圖4-30 Ishihara的抗液化不透水層厚度H1之補充建議圖133 圖4-31 剖面線PEW-2各鑽探孔區土壤液化上下限區域圖134 圖4-32 宜蘭地區土壤液化潛勢圖和YZ區及LW區平面地質位置圖135 圖4-33 YZ區及LW區3D地質圖(雙視角方向)135 圖4-34 1994年6月5日蘭陽平原地震加速度與宜蘭地區土壤液化潛勢比較圖136 圖4-35 1995年6月25日蘭陽平原地震加速度與宜蘭地區土壤液化潛勢比較圖137 圖4-36 2002年5月15日蘭陽平原地震加速度與宜蘭地區土壤液化潛勢比較圖138 圖4-37 1986年1月16日蘭陽平原地震加速度與宜蘭地區土壤液化潛勢比較圖139 圖4-38 2005年3月6日蘭陽平原地震加速度與宜蘭地區土壤液化潛勢比較圖140 圖4-39 蘭陽平原歷年最大地震加速度圖141 圖4-40 蘭陽平原歷年最大地震加速度圖(含紫色湧泉帶)141 圖4-41 YZ區域深層地質檢核圖142 圖4-42 更新版YZ區及LW區3D地質圖142 圖4-43 蘭陽平原比較不液化區域加上地質檢核圖143 圖4-44 蘭陽平原比較不液化區域圖(上色區塊)143 圖4-45 蘭陽平原比較可能液化的範圍區域圖144 圖4-46 蘭陽平原比較可能液化的範圍與土壤液化潛勢圖資比對144 圖5-1 美濃地震報告修正對比圖145 圖5-2 美濃地震最大震度位置圖146 圖5-3 3處歷史災害紀錄照片及各補充點位圖147 圖5-4 廠址調查布設原則148 圖5-5 安南區惠安街民國110、111年度鑽孔與液化潛勢比對圖148 圖5-6 現地災損照片149 圖5-7 以Bray & Sancio (2006)方法評估111TN-S01鑽孔150 圖5-8 以Bray & Sancio (2006)方法評估111TN-S02鑽孔150 圖5-9 以Bray & Sancio (2006)方法評估110TN-03-S鑽孔151 圖5-10 以Bray & Sancio (2006)方法評估110TN-04-S鑽孔151 圖5-11 以Bray & Sancio (2006)方法評估110TN-05-S鑽孔152 表目錄 表2-1 Δf與土壤細料含量對照值153 表2-2 α(M)，震級修正係數153 表2-3 SPT能量比153 表3-1 地下水觀測井資料154 表3-2 蘭陽平原各生態湧泉之基本資料155 表3-3 宜蘭地區各次分區土層種類與參考N值表155 表3-4 各測站現地地下水井抽水試驗K值156 表3-5 宜蘭地區各次分區土層種類與參考N值表156 表4-1 宜蘭地區歷時101年災害最嚴重之10大地震157 表4-2 1994年6月5日蘭陽平原地震各測站PGA值158 表4-3 1995年6月25日蘭陽平原地震各測站PGA值159 表4-4 2002年5月15日蘭陽平原地震各測站PGA值160 表4-5 1980年至1990年羅東鎮地震資料中PGA > 120 gal的7筆資料161 表4-6 1986年1月16日蘭陽平原地震各測站PGA值162 表4-7 宜蘭地區1993年至2021年地震震度大於5級、規模大於4以上之地震163 表4-8 2005年3月6日蘭陽平原地震各測站PGA值164 表4-9 各測站現地地下水井抽水試驗K值165 表4-10 Hazen (1892)等7種經驗公式估算之K值(cm/sec)165 表4-11 各經驗公式計算值與現地透水試驗值相差倍數165 表4-12 由Hazen (1892)經驗公式所得K值與現地透水試驗K值做比較166 表4-13 由Hazen (1930)經驗公式所得K值與現地透水試驗K值做比較166 表4-14 由Kozeny-Carman (1956)經驗公式所得K值與現地透水試驗K值做比較167 表4-15 由Harleman et al. (1963)經驗公式所得K值與現地透水試驗K值做比較167 表4-16 由Terzaghi & Peck (1964)經驗公式所得K值與現地透水試驗K值做比較168 表4-17 由Terzaghi (1965)經驗公式所得K值與現地透水試驗K值做比較168 表4-18 由Chapuis (2004)經驗公式所得K值與現地透水試驗K值做比較169 表4-19 各測站試驗K值與Chapuis (2004)經驗公式K值比較表169 表4-20 各種土壤滲透係數範圍(DAS，1995)170 表4-21 土壤滲透係數範圍（Lane & Washburn，1946）170 表4-22 YZ區域各點位座標轉換及各點位相差距離171 表4-23 LW區域各點位座標轉換及各點位相差距離172 表4-24 蘭陽平原28年來地震超過120 gal測站資料173 表4-25 蘭陽平原28年來地震超過120 gal各測站出現次數175 表4-26 蘭陽平原超過120 gal各測站透水性分類佔比175 表4-27 蘭陽平原歷年地震各測站最大PGA值176 表4-28 PGA > 120 gal之各孔位液化潛勢176 表4-29 以Seed et al. (1985)法分析BH-3孔位液化潛勢176 表4-30 以Seed et al. (1985)法分析LT0002孔位液化潛勢177 表4-31 以Seed et al. (1985)法分析WC0015孔位液化潛勢177 表4-32 以Seed et al. (1985)法分析IL22孔位液化潛勢178 表4-33 以Seed et al. (1985)法分析IL19孔位液化潛勢178 表4-34 以Seed et al. (1985)法分析JWGL02孔位液化潛勢179 表4-35 剖面線PEW-2各鑽探孔區土壤液化上下限值179 表4-36 以Seed et al. (1985)法分析WC0012孔位液化潛勢180 表4-37 以Seed et al. (1985)法分析IL21孔位液化潛勢180 表4-38 以Seed et al. (1985)法分析IL15孔位液化潛勢181 表4-39 以Seed et al. (1985)法分析BH-01孔位液化潛勢181 表4-40 以Seed et al. (1985)法分析WC0104孔位液化潛勢182 表4-41 以Seed et al. (1985)法分析WC0055孔位液化潛勢182 表4-42 以Seed et al. (1985)法分析WC0066孔位液化潛勢183 表4-43 以Seed et al. (1985)法分析WC0034孔位液化潛勢183 表4-44 蘭陽平原歷年最大地震資料詳細表184 表5-1 110年歷史液化事件鑽孔土壤液化分析結果184 表5-2 110年補充調查位置說明表184 表5-3 111年補充調查位置說明表184 表5-4 111年歷史液化事件鑽孔土壤液化分析結果184 表5-5 以SIBS法分析111TN-S01孔位液化潛勢185 表5-6 以SIBS法分析111TN-S02孔位液化潛勢185 表5-7 以SIBS法分析110TN-03-S孔位液化潛勢186 表5-8 以SIBS法分析110TN-04-S孔位液化潛勢186 表5-9 以SIBS法分析110TN-05-S孔位液化潛勢187 表5-10 SIBS法VS JI法分析細粒土壤軟化潛勢187

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