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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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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ML7.5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)
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