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土壤液化專題報導（二）：開啟了液化現象探索的一個大地震-日本新潟地震

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黃俊鴻｜社團法人台灣地球觀測學會

1964年（昭和39年）6月16日13時1分41秒，在日本新潟縣粟島南方近海40km（北緯38度22.2分、東経139度12.7分、深度34km）發生芮氏規模M_L7.5的新潟大地震。這是日本與世界地震史上第一個以嚴重土壤液化災害聞名的地震。依據新潟市川岸町的某個四層鋼筋混凝土公寓的地下與地震紀錄，顯示最大水平加速度約160gal（約0.16g），最大垂直加速度約50gal。

新潟市位在信濃川下游出海口(日本海)的近代沖積平原，沖積土層深厚，地表淺層有極疏鬆之砂土層(N值<5)，有些地方砂土層深達10m以上，大部分地區地下水位約在地表下1m深度。在地震作用下，新潟市發生嚴重土壤液化現象，包括湧砂、噴水、地層下陷、建築物沉陷與傾斜、人孔與地下室上浮、橋墩下沉與落橋、維生管線破損，以及港灣與機場損害。地震時，適逢照相機開始普遍的時代，記錄了許多土壤液化與損害的影像，如圖1所示。這些影像迅速傳布至全世界，讓人們對土壤液化的災害有衝擊性的印象，引起世界各國開始對土壤液化進行深入與系統性的研究，迄今約50年，工程界已對土壤液化現象有清楚的瞭解，也發展許多成熟的液化防治技術與對策，普遍應用在世界上之地震國家。

什麼是土壤液化(Soil Liquefaction)呢? 土壤液化容易發生在高地下水位之飽和疏鬆砂土，地震前，地下水位下之砂土顆粒會因應自重而沉積排列，顆粒間之接觸點會有正向力N與剪切摩擦力T之作用，如圖2(a)所示，經由砂土顆粒間之接觸力傳遞，可承載外力的作用。當地震動搖動時，砂土內孔隙水壓會隨著震動過程升高，當累積孔隙水壓大於砂土顆粒間之接觸力時，砂土顆粒會被孔隙水擠開而分離，此時砂土顆粒懸浮於水中，如圖2(b)所示，成為含砂之泥水，行為類似液體，無法承載外力的作用，稱之為液化(Liquefaction)。

地震時飽和砂土之孔隙水壓為何會增加呢? 這是因為如果沒有地下水，乾燥疏鬆的砂土顆粒在地震動的作用，顆粒間會相互運動趨向緊密排列的狀態，在地震後會產生沉陷，稱為乾燥砂土的震陷，如圖3所示。但是乾燥砂土的孔隙若是充滿水，也就是飽和疏鬆砂土的情況，地震前，孔隙大，排列疏鬆，如圖4(a)所示；地震時，顆粒間會產生相對運動，使排列有趨向緊密狀態之趨勢，此時顆粒會佔據孔隙的空間，會擠壓孔隙水，造成孔隙水壓增加，如圖4(b)所示；當震動過程夠久，震動力夠大，孔隙水壓會持續增加到大於顆粒間之接觸應力，使得砂顆粒懸浮於水中，成為含砂之泥水，發生液化，喪失承載能力，如圖4(c)所示；地震結束後，孔隙水會排至地表，砂顆粒會重新沉積，排列較為緊密，產生震後的地表沉陷，如圖4(d)所示。

地震時飽和砂土液化會降低承載能力，會使得建築結構物沉陷與傾斜，甚至翻倒。新潟地震時新潟市受損的鋼筋混凝土結構物約為340棟(佔全市的22%)，其中2/3的受損建築物之承重結構並未受損，只是建築物整體下沉或傾斜。圖1(g)中之翻倒公寓，經扶正後，又繼續使用。正因為大部分建築物是因土壤液化而損害，結構梁柱並未斷裂，因此當時未聞有液化損害建築物造成人員死亡的報導，使得如此大規模的地震，僅有26人死亡，被稱為奇蹟。其原因可能因為土壤液化的減震效果，也可能因為市區震度0.16g，尚未超過當時耐震設計規範的設計震度0.2g。

土壤液化有可能對維生管線造成重大損害，而引起極嚴重的二次災害。新潟地震時，昭和石油新潟製油所之油槽與33號配管因地震動與土壤液化受損，洩漏的石油伴隨土壤液化的湧水與海嘯淹進來的海水擴散，於地震後5個小時開始爆炸燃燒，火苗隨著水上浮油往四周移動延燒，波及周遭的油槽，誘爆向上出現巨大的火焰，擴大火災之災情，如圖5所示。火災燃燒持續12日之久，火災延焼周邊民家，全焼建築物347棟、半焼6棟、347家庭受災，罹災者1,407人，當時被稱為史上最大最嚴重的火災，並認為此油槽火災係由土壤液化所引起，後續研究也有人認為與長周期地震動有關。以港都高雄市為例，地下石油管線與其他工業管線遍布地下，應慎重評估土壤液化對其可能之影響，儘速謀求防治對策。（本文由科技部補助「新媒體科普傳播：小王子眼中21世紀的地球」執行團隊撰稿）

土壤液化(6)

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