結構工程觀點看土壤液化結構危害

206地震過後，除了維冠大樓及京城銀行廣受大家討論外
許多關於現有建物安全的議題亦浮上檯面，成為熱門的討論話題
小弟再次把相關結構工程的資訊整理，拋磚引玉
期望大家對結構工程有更深的認識，從認知中提升台灣結構安全

土壤液化成因

土壤液化並不是指土壤在受震中變成液體，而是因為在土壤顆粒空隙中流動的孔隙水受震激盪後水壓急遽攀升，使土壤就像水煮沸了不穩定(學術的說法是超額孔隙水壓導致有效應力喪失，進而失去承載力)，這種現象除了用說明之外，最好的方式是透過實驗來觀察：
(國家地震工程研究中心土壤液化實驗)
https://www.youtube.com/watch?v=ReADOjqY-28
https://www.youtube.com/watch?v=ylJHv1Rc61o
目前已知均勻粒徑的飽和砂土且其粒徑接近0.1mm時，最易發生土壤液化現象(當然還有其他更詳細的篩選條件，此處不予深究)。這種土壤的描述有沒有讓你聯想到甚麼區域地質特性？應該就是沖積層了吧！所以台灣河口地區諸如：台北盆地、桃園沿海、台中沿海等均飽受土壤液化威脅，其中又以海埔新生地為最易發生土壤液化地區，例如：彰濱工業區等。在當地蓋建物最大的難度不是地表之上，反而是地表以下！

台北地區土壤液化潛能圖

土壤液化實驗的效果看起來很驚人，但實驗所用的砂是經過掏選的，實際地表的土層分佈遠比實驗均勻砂來的複雜，而且土層的組成很難是單一土種構成，不存在純砂質土壤，故科學家沒有辦法跟你說什麼地層是100%會發生土壤液化，而且也沒辦法完整描述若你家發生土壤液化到底損害有多嚴重，所以採用一個指標叫"液化潛能"來綜合說明發生的機會及其嚴重的程度。
參考台科大營建系的台北地區液化潛能分佈圖：

學者所做的是，根據當地鑽探資料(土壤取樣)的結果，取其可能發生液化的深度(一般普遍認定是地表下20m)，進行大範圍的分析，沒有樣本或不足的部分改以回歸的方式來預測，故可以這樣說：雖然有參考價值，但其精度尚不足採用！

這其中尚有一個盲點：潛能圖僅按地表下土層資料進行分析，但建築物的基礎深度及形式亦會影響土壤液化災損的程度。想像剛剛看過的土壤液化實驗，如果今天模型分別改為一根筷子插在土中(獨立基礎)及一艘小船放於土面(筏式基礎)，土壤液化初始筷子可能就歪斜甚至傾倒，但小船可能最後有辦法"浮"於表面上，僅有部分歪斜，故僅就潛能圖判定液化損害風險是過於狹隘，應就基礎形式及建築規模合併考慮後，才能判定土壤液化損害的風險，若地下室開挖採用連續壁或樁基礎則大幅降低液化風險，此點亦可參考下面影片的說明：

(戴雲發結構技師)
https://www.youtube.com/watch?v=3a-wdDvvjsY

活在台灣就要與災害共存

很多人提到其實台北以工程角度而言非常不宜發展都市，這種說法並沒有危言聳聽，除了土壤液化的問題外，其實台北還有許多困難的工程因素，例如士林天母一帶有部分是地質敏感區，該區的土壤有所謂流黏土現象，土壤強度低，除了難開挖其承載力也不好；台北盆地本身受震時有盆地效應，與之前提到的軟弱土層放大效應不盡相同，但亦為一種地震放大的效應。這些在工程上要克服代價都很高，但我們對於台北用地的需求很高，高到我們需要承擔這些風險，並以工程手段來面對這些問題，我樂見民眾結構安全意識抬頭，但是不當的渲染或錯誤理解對於問題一點幫助也沒有。

現有結構液化損害風險

前面提了這麼多，對於民眾而言最想知道的是如何判斷現有結構物液化損害風險。不論是現有參考資料或是即將公布的液化潛能分佈圖，基本上可以如下套用：1.屬輕微液化範圍者，其液化危害性低，可暫不予理會。2.屬中等液化者，液化危害的風險較高，此時需合併建築規模及基礎型式合併考慮，例如連棟式的公寓其基礎面積大則其抵抗承載力不均勻的能力也較佳；地下兩層以上的深度規模考慮其基礎將近8~10米深，較易液化的表土層挖除後其抵抗液化能力亦提升，問題也不大。3.屬於嚴重液化者，通常結構設計時已經需考慮液化對抗策略，例如土壤改良或打樁等，對於現有住戶已非光靠建築規模可以判斷，需要透過專業技師的簽認方可確保現有結構之安全。
過去日本、台灣皆有液化的相關案例，所幸的是液化後房屋傾斜情況不嚴重者，大多修復後可以使用，所以土壤液化並非洪水猛獸，甚者具有減震效果，常見的工法可參考國家地震中心的簡單介紹：
http://www.ncree.org/SafeHome/ncr02/pc3_4.htm
像下列新聞介紹提到的案例，是有機會可以修復後再使用的，因其主結構並未有明顯損傷
(新市土壤液化-12戶房屋下陷傾斜)
https://www.youtube.com/watch?v=EP-12tTBpvE
(中央大學黃俊鴻教授解說)
https://www.facebook.com/permalink.php?story_fbid=1961444117414005&id=100006453085185

任何專業都是昂貴的代價

前面有提到對於現有結構安全有疑慮者可請專業技師鑑定，作業流程也並非直接請技師提供鑑定報告，而是會先行初勘後再決定是否詳細鑑定(類似門診後再轉診)，先撇除完整鑑定報告費用不論，我想八成的問題是可以初勘後就有初步結論，且可以釐清許多現有結構安全疑慮，以台灣省土木技師公會為例，初勘的費用一次大約是五千元。
(台灣省土木技師公會網站)
http://www.twce.org.tw/modules/freecontent/index.php?id=39
過年期間我有機會跟一位正在當醫生的學長吃飯，閒聊間講到身體狀況的追蹤，學長表示：一個完整的身體檢查要價七萬一次，且建議一年一次，他認為這個價錢很划算。其實當下我有點傻眼，一般的上班族會願意一年花一個半月甚至是兩個月的薪水來做健康檢查嗎？我很難自發性的作到，結構安全花費對於民眾而言想必也是如此，這點我能感同身受，但轉念一想結構技師簽證雖然是收了錢，但這筆錢也是負責了使用民眾的安全而得的，擔負了這些成敗在身上久了，其實很多前輩心理都覺得很有負擔呢...。
而結構鑑定、補強或修復的費用往往是超出一般民眾能負擔的範圍，這時候房屋安不安全是重點嗎？想想真讓人覺得難過

現有結構安全評估

歡迎大家提問，小弟盡我所知的回覆大家
但家中有明顯結構問題者需請專業技師幫您鑑定！
也鼓勵大家利用下列免費的資源：
(國家地震工程研究中心-街屋耐震資訊網)
http://streethouse.ncree.narl.org.tw/index.aspx
(國家地震工程研究中心-耐震安全的家)
http://w3.ncree.org/ZH/ITEE_handbook.aspx
(台北市結構技師公會-震災後自家房屋檢查手冊)
www.dba.tcg.gov.tw/public/Data/11251544771.pdf

以上資訊敬請參考，若有問題也歡迎提問，也希望各位先進不吝指教！
謝謝