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谈土壤液化 台专家:管线整治、地层改良不能等

今年2月的南台湾大地震,造成台南维冠大楼倒塌,随之引发的土壤液化议题也引来社会热议。(Getty Images)

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【大纪元2016年03月27日讯】(大纪元记者萧轩台北报导)“土壤液化”在地震后成为人人自危的关键字,大家担心自己家若位于土壤液化潜势区的红色警示区,即面临严重伤亡危机。然而“土壤液化”真的这么可怕 吗?民众可能对液化问题的认识不够全面,导致诸多迷思和不必要的恐慌,如“土壤液化”使建筑物晃动更剧烈?使建筑物倒塌造成重大伤亡?位于红色警示区即承 受严重风险?

另一方面,真正的潜在灾害却被忽略。专家表示,历史资料证明“土壤液化”本身造成的死伤可说微乎其微,真正可怕的是其造成的二次灾害, 如液化造成的地裂等现象,使得各种油管、瓦斯管等工业管线破裂而酿成严重火灾。如日本新潟地震,地震死亡人数26人中,因“土壤液化”死亡的人数仅3人, 但是油管破裂而产生的大火却烧死上千人。

1964年,日本新潟地震中因土壤液化呈现倾倒的房屋。(维基百科)
1964年,日本新潟地震中因土壤液化呈现倾倒的房屋。(维基百科)
2011年,纽西兰基督城地震的房屋,因土壤液化沉陷近。(维基百科)
2011年,纽西兰基督城地震的房屋,因土壤液化沉陷近。(维基百科)

“土壤液化与结构安全技术讨论会”由中兴工程顾问社与产官学界共同举办,包括国家地震工程研究中心、中华民国大地工程学会、财团法人地 工技术研究发展基金会、中华民国大地工程技师公会、台北市结构技师公会和台湾防灾产业协会等单位。盼藉由浅显易懂的说明,简述“土壤液化”的具体机制、说 明“土壤液化”所产生的3种作用、破除“土壤液化”的迷思,以及专家对于“土壤液化”的看法和建言。

“土壤液化”是什么?
造成何影响?

“土壤液化” 顾名思义为土地变成泥水的过程,表征上会出现“喷沙”、“涌水”、“地盘下陷”和“地裂滑动”。为什么土壤会液化呢?一 般的饱和土壤,沙土与沙土孔隙间的水分排列整齐,维持平衡状态,沙土与沙土的接触点也能支撑土壤的形状。如果土壤受到摇晃扰动,如地震,就会使土壤孔隙间 的水压变大,推开土壤颗粒,让沙土与沙土间不再接触,变成悬浮在水中的泥水,这就是“土壤液化”。

液化之后,土壤颗粒在水中又重新沉淀,排列成比较紧密的情况,且将孔隙间的水排出去,就形成“地盘下陷”和“地裂滑动”;而孔隙间的水压上升,水夹带泥沙沿着土壤裂痕向上冲出表面,就产生了“喷沙”和“涌水”。

土壤液化的案例,如1964年日本新潟地震,一所高中很靠近河岸,地裂之后喷涌的泥水淹得到处都是,因为承载力不足让汽车也沉陷下去,昭和大桥则出现严重喷沙。2011年纽西兰基督城地震,从空拍图能看见街道都是喷沙涌水;同年日本东北地震,地盘下陷造成建筑物楼梯都悬空了。

那么,是否一旦建筑物沉陷就会坍塌造成人员死伤?其实,只要建筑物结构稳固,地震来临时,在土壤液化的作用 下,将使受力均匀的建筑物缓慢沉陷,而受力不均的建筑物则会出现缓慢倾斜或倾倒,呈现刚性沉陷,可是不会造成钢筋断裂。设计不良、施工品质有疑虑的建筑 物,才容易在土壤液化的倾斜过程中发生坍塌,酿成伤亡。但对于其他建筑,如桥梁、港湾、土石坝等公共建设则会产生重大损害。

土壤液化3作用:
减震、丧失承载力、产生浮力

“土壤液化”能“减震”,乍听之下觉得违反直觉,但是只要仔细分析就会发现非常合理。由于地震波和剪力波在水中无法充分传递,而变成类似液体的土壤,也同样有此作用。

地基若是非液化土层,地震波能充分传递,接近地表边界会使建筑物震动剧烈;但是地基若有一块液化的土层,地震波向上传递时会有减震作 用,到了液化点时,震动瞬间就会变得很小。新潟地震的地震波测量即是如此,当地震发生时出现高频波,土壤液化后则变成周期很长且缓慢摆动的波形。

网路曾流传以剪纸作为建物,放置在布丁上,结果比起放置在桌面,轻轻晃动即产生大幅摇晃,指称此为“土壤液化”使建筑物摇晃更剧的示意表现。其实,剪纸很轻,几乎没有向下的重量,不能和建筑物相比,此外液化的土壤较似泥水而非有弹力的固体布丁,所以这样的比拟是不恰当的。

另外,因为水不能承载建筑物,变成类似液体的土壤也会逐渐“丧失承载力”,另一方面,水有“浮力”,变成类似液体的土壤,如果物体的结构比重较泥水还轻,在“浮力”作用下就会上升。一些建筑物的梁柱承载较重会沉陷,挤压之下其他部分则会上升,而不同高度的建筑物沉陷情况也不同,越高(重量越重)的楼层沉陷越多,反之亦然。

我家在红色警戒区,
是超级风险区?

中央大学土木工程系教授黄俊鸿表示,以此次台南地震楼房倒塌和土壤液化潜势区的分布图做对照,不难发现液化区的测量一半准确、一半不准 确,原因在于“土壤液化”是一种局部现象,钻孔数不足即容易误判。举例来说,台南新市区三民街有一排房屋位于红色警戒区已拆除,然而同一区域旁边即是不太 严重的黄色潜势区,再更远一点则是轻微影响的绿色潜势区。

2015年土壤液化钻探的2千余个孔洞,有540个位于台南,然而采用2.5万分之一的比例尺,即使三民街一排房屋有100公尺属于红色警戒区,在比例尺的范围内根本不算什么,也就是说,对于个别建筑物来说,钻探的精度永远会出现钻孔数不足、分配不均、正确性不够的情况。

专家吁处理高雄地下管线

文章的一开始就提到,日本新潟地震因“土壤液化”和地震致死的人员为26人,死亡原因包括跌落地表裂缝和车祸等,对于新潟这样一座工业 大城而言,地震造成的死亡人数不到30人,当初认为是一项奇迹。经过调查,受损的钢筋混凝土建筑物有340栋,占全市建筑物比率22%,2/3的建筑物其 承重梁柱没有受损,整体呈现刚性的沉陷与倾斜。

但是,“土壤液化”同时也让管线上浮,造成公共工程的巨大损害。新潟地震发生时,油槽因“土壤液化”沉陷,配桶因震动受损导致石油泄 漏,地震引发海啸涌进大量海水,石油漂浮于水上四处流窜,结果火苗一发不可收拾,引爆油槽后烧了整整12天,造成347栋建筑物全毁、1,407人罹难, 被称作史上最严重的火灾。

黄俊鸿表示,台湾年前发生的南部地震让“土壤液化”问题震出台面,高雄是台湾较严重的液化区,有可能在大型地震中土壤全面液化,而高雄 又是工业都市,地下油管、气管繁复。“处理地下管线问题和地层改良是困难的,然而真正重要的事情不能不做。”他呼吁政府将钱用在刀口上,有新潟地震酿成大 火的二次灾害为前车之鉴,期盼工业城市得到应有的关注。◇

<b>“土壤液化”小知识
</b>◎“土壤液化”为地震发生的地盘灾害,自1964年日本新潟地震研究至今约50年。由于液化后的土壤近似泥水,因此拥有与液体相仿的特性,其3项主要作用为减震、丧失承载力、产生浮力。
◎<b>根</b>据历史经验,地震发生时,建筑物鲜少因“土壤液化”造成坍塌伤及民众,但对于其他建筑,如桥梁、港湾、土石坝等公共建设则会产生重大损害。
◎公共建设中,尤以对地下管线如油管、瓦斯管等工业管线的损害最严重,不只影响居民生活,更可能引发二次灾害。
◎专家认为,为避免历史重演,位于高潜势土壤液化区的工业城市(如:高雄)尤其应该关注,进行管线及地层改善。
记者萧轩/整理制表

(责任编辑:芸清)

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