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系統識別號 U0002-0603202009382900
中文論文名稱 2018年0206花蓮地震土壤液化危害度分析
英文論文名稱 Hazard Analysis of Soil Liquefaction for 2018/02/06 Hualien Earthquake
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 水資源及環境工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Water Resources and Environmental Engineering
學年度 108
學期 1
出版年 109
研究生中文姓名 余立丞
研究生英文姓名 Li-Cheng Yu
學號 606480233
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-01-09
論文頁數 199頁
口試委員 指導教授-黃富國
委員-葛宇甯
委員-盧之偉
中文關鍵字 花蓮地震  米崙斷層  土壤液化  液化危害度分析  液化易損性曲線 
英文關鍵字 Hualien earthquake  Milun fault  soil liquefaction  liquefaction hazard  fragility curve 
學科別分類 學科別應用科學環境工程
中文摘要 2018年2月6日,花蓮地區發生芮氏地震規模6.26之花蓮地震,震源深度6.31公里,屬淺源地震;於花蓮市之震度高達7級,米崙斷層地震測站加速度紀錄呈現受速度脈衝影響之現象,此次地震前震及餘震不斷,主震時雖然強震延時僅10秒左右,但於花蓮火車站前站西起國聯五路,東至國盛七街美崙溪畔,南起商校街,北至國盛八街約0.2平方公里範圍內,多處發生了土壤液化現象,本研究根據鑽探所得之地層剖面資料進行確值法之液化潛能及損害評估並利用蒙地卡羅模擬(MCS)建構液化危害度與液化易損性曲線,將相關分析參數之不定性與變異性納入考慮,且以成對之震力參數(PGA, M)同時考慮最大地表加速度PGA及地震規模M對土壤液化之影響,使液化評估結果更為合理。
根據此次土壤液化概況及分析之結果,可歸納下列三點結論供工程界參考:(1)連續前震及餘震將對於場址地層具一定影響力,顯示只要地震震度夠大,即使強震延時較短,表層之粉土質砂以及礫石質土層等,於超額孔隙水壓持續累積情況下,皆有發生土壤液化之可能性。(2)以確值法考慮單一PGA及M並以三種液化簡易評估法對此次地震進行液化潛勢評估,分析結果與現地場址狀況大致符合,顯示傳統簡易評估法尚具有一定可信度。(3)工程規劃設計時,應針對液化易損性及危害度審慎評估,並採取適當因應對策,以避免或降低土壤液化對於地盤及結構物產生之影響。
英文摘要 The 0206 Hualien earthquake occurred in northeastern Taiwan at 23:50 on 6 February 2018. The epicenter of the earthquake was at 24.1°N and 121.73°E with a focal depth of 6.31 km and a magnitude 6.26 (ML). The seismic intensity was up to Level 7 in the seismological station of Hualien City. According to the reconnaissance survey, the main area suffered soil liquefaction damage was about 0.2 km2 in the range near the front exit of the Hualien Train Station. The sites with obvious liquefaction evidences, including ground settlement and tilting of buildings, were located from Guolien 5th Rd. to Guosheng 7th St. in the west-to-east direction, and Shangxiao St. to Guosheng 8th St. in the south-to-north direction. It is indicated that the effect of pre-shaking on the triggering of liquefaction is very important. Moreover, the probable effect of seismic amplification on the structural safety at liquefied sites is observed. Therefore, more efforts should be required to strengthen the related researches, such as liquefaction mechanism, hazard analysis, retrofit and countermeasures for disaster reduction, to prevent or mitigate the possible damages induced by soil liquefaction.
In this study, liquefaction potential and hazard are evaluated by deterministic method and probabilistic approach respectively. Hazard-consistent fragility curves for soil liquefaction are constructed by Monte Carlo simulation. The earthquake magnitude (M) and the associated peak ground acceleration (PGA), i.e. the pair of seismic parameter of PGA and M, can be considered simultaneously for the evaluation of liquefaction. The uncertainties and variabilities of associated analysis parameters are all easily included. The analysis results of liquefaction hazard and fragility thus obtained are more reasonable.
論文目次 目錄
目錄 i
表目錄 iv
圖目錄 vi
照片目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究架構與流程 2
第二章 文獻回顧 5
2.1 時頻分析方法 5
2.1.1 希爾伯特-黃轉換(HHT)及其應用 6
2.2 熵理論之發展與應用 8
2.3 土壤液化發生機制及液化潛能影響因素 9
2.3.1 土壤液化之種類 9
2.3.2 土壤液化發生機制 9
2.3.3 液化潛能影響因素 10
2.4 土壤液化簡易評估方法 12
2.5 液化損害指數 14
2.5.1液化潛能指數(Liquefaction potential index,LPI) 14
2.5.2 液化後沉陷量(Settlement,St) 15
2.5.3 液化機率指數(Liquefaction probability index,Pw) 17
2.6 地球物理探勘 19
2.7 0206花蓮地震液化概況 22
第三章 研究方法 25
3.1 地表運動參數分析 25
3.1.1 地表運動參數 25
3.1.2 基線修正 27
3.2 Shannon熵計算方法 33
3.3 簡易液化評估法 35
3.3.1日本道路協會簡易評估法(JRA,1996) 36
3.3.2 Tokimatsu & Yoshimi簡易評估法(T-Y,1983) 38
3.3.3 NCEER簡易評估法(Youd et al.,2001) 39
3.4液化損害指數 43
3.4.1液化潛能指數(Liquefaction potential index,LPI) 43
3.4.2液化後沉陷量(Settlement,St ) 45
3.4.3 液化機率指數(Liquefaction probability index,Pw) 46
3.4.4 液化損害指標(Liquefaction damage index,LDI) 49
3.5確值分析與機率分析 50
3.5.1 確值分析法 50
3.5.2 機率分析法 50
3.5.3 與地震危害度諧和之震力參數模擬 52
3.5.4 液化危害度評估 55
3.5.5 液化易損性評估 57
第四章 案例探討 59
4.1 花蓮地震基本資料 59
4.1.1 花蓮地震概況 59
4.1.2 最大地表加速度及強震延時分析 63
4.1.3反應譜分析 67
4.1.4 時頻分析 71
4.1.5 地動參數與熵值關聯性分析 74
4.2花蓮場址基本資料 80
4.2.1 場址地形及地質 80
4.2.2 場址水系 84
4.3 液化場址地質調查及成果 87
4.3.1 液化場址之土層特性 90
4.3.2液化場址土壤之物理性質 98
4.4 地球物理試驗結果 103
4.4.1多頻道表面波震測法(MASW) 103
4.4.2 地電阻(RIP) 105
4.5 確值法液化評估 107
4.5.1 0206花蓮地震震力參數 107
4.5.2耐震設計規範震力參數 116
4.5.3 分析參數靈敏性分析 134
4.6液化危害度分析 139
4.7 液化易損性分析 153
4.8 分析結果比較 164
4.8.1 確值法與機率法比較 164
4.8.2 邏輯迴歸與貝氏映射機率比較 167
4.8.3 安全係數修正與否比較 175
4.8.4 液化損害指標(Lquifaction damage index,LDI) 190
第五章 結論與建議 193
5.1 結論 193
5.2 建議 194
參考文獻 195










表目錄
表2.4.1 SPT-N液化簡易評估法比較(黃富國,2008) 13
表2.5.1 液化潛能指數LPI與液化程度之關係 14
表2.5.2 沈陷量St與液化損害程度之關係 17
表2.5.3 液化機率指數及液化損害程度分類(黃富國,2008) 17
表2.6.1 S地盤分類表(BSSC,2003) 21
表2.6.2 S波波速對應岩盤分類表(BSSC,2003) 21
表3.4.1 邏輯迴歸之迴歸係數 (黃富國,2008) 47
表3.4.2 貝氏映射之迴歸係數 (黃富國,2008) 48
表3.5.1 震源模式與隨機變數 53
表4.1.1 各地震測站基本資料表 67
表4.1.2 震力參數與熵值特性及涵義 74
表4.2.1 米崙台地地質類別 81
表4.2.2 前人對於米崙台地之劃分 81
表4.2.3 米崙台地生成及美崙溪轉向成因(整理自徐彥哲,2011) 86
表4.3.1 各鑽探孔位基本資料 87
表4.3.2 液化潛能易感性標準分界 (Bray & Sancio,2006) 102
表4.4.1 本場址調查之波速分層(中央地調所,2018) 104
表4.5.1 三種簡易評估法依0206花蓮地震力所估計之損害評估(LPI) 108
表4.5.2 三種簡易評估法依0206花蓮地震力所估計之損害評估(PW,logistic) 109
表4.5.3 三種簡易評估法依0206花蓮地震力所估計之損害評估(PW,Bayesian) 110
表4.5.4 三種簡易評估法依0206花蓮地震力所估計之損害評估(St) 111
表4.5.5 短週期結構之工址放大係數Fa (線性內插求值)(內政部,2011) 117
表4.5.6 近花東地區斷層(含米崙、玉里、池上與奇美斷層)調整因子NA(內政部,2011) 117
表4.5.7 代表性鑽探孔位VS30及地盤分類表 117
表4.5.8土壤液化潛能評估使用之地震規模Mw分區(耐震設計規範修正案,2019) 117
表4.5.9 三種簡易評估法依設計地震力所估計之損害評估(LPI) 118
表4.5.10 三種簡易評估法依設計地震力所估計之損害評估(PW,logistic) 119
表4.5.11 三種簡易評估法依設計地震力所估計之損害評估(PW,Bayesian) 120
表4.5.12 三種簡易評估法依設計地震力所估計之損害評估(St) 121
表4.5.13 三種簡易評估法依最大考量地震力所估計之損害評估(LPI) 122
表4.5.14 三種簡易評估法依最大考量地震力所估計之損害評估(PW,logistic) 123
表4.5.15 三種簡易評估法依最大考量地震力所估計之損害評估(PW,Bayesian) 124
表4.5.16 三種簡易評估法依最大考量地震力所估計之損害評估(St) 125
表4.6.1 三種簡易評估法之液化危害度分析結果(回歸期Tr = 475年) 140
表4.6.2 三種簡易評估法液化危害度分析結果(回歸期Tr = 2475年) 142
表 4.8.1邏輯迴歸及貝氏映射機率值之相對差值(確值法;JRA) 168
表 4.8.2 邏輯迴歸及貝氏映射機率值之相對差值(確值法;T-Y) 169
表 4.8.3 邏輯迴歸及貝氏映射機率值之相對差值(確值法;Seed) 170
表 4.8.4 邏輯迴歸及貝氏映射機率值之相對差值(LHA;JRA) 171
表 4.8.5 邏輯迴歸及貝氏映射機率值之相對差值(LHA;T-Y) 172
表 4.8.6 邏輯迴歸及貝氏映射機率值之相對差值(LHA;Seed) 173
表 4.8.7 FS有無轉換之LPI值之相對差值(確值法)(JRA,1996) 176
表 4.8.8 FS有無轉換之LPI值之相對差值(確值法)(T-Y,1983) 177
表 4.8.9 FS有無轉換之LPI值之相對差值(確值法)(Seed,2001) 178
表 4.8.10 FS有無轉換之LPI值之相對差值(LHA)(JRA,1996) 179
表 4.8.11 FS有無轉換之LPI值之相對差值(LHA)(T-Y,1983) 180
表 4.8.12 FS有無轉換之LPI值之相對差值(LHA)(Seed,2001) 181
表 4.8.13 FS有無轉換之St值之相對差值(確值法)(JRA,1996) 182
表 4.8.14 FS有無轉換之St值之相對差值(確值法)(T-Y,1983) 183
表 4.8.15 FS無轉換之St值之相對差值(確值法)(Seed,2001) 184
表 4.8.16 FS有無轉換之St值之相對差值(LHA)(JRA,1996) 185
表 4.8.17 FS有無轉換之St值之相對差值(LHA)(T-Y,1983) 186
表 4.8.18 FS有無轉換之St值之相對差值(LHA)(Seed,2001) 187

圖目錄
圖1.2.1 研究架構及流程圖 3
圖2.1.1 希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang transform,HHT)流程圖 7
圖2.5.1 最大剪應變、體積應變及相對密度間之關係 15
圖2.5.2 最大剪應變、安全係數及相對密度間之關係 16
圖2.5.3 體積應變、安全係數及相對密度間之關係 16
圖2.6.1 MASW量測配置示意圖 20
圖2.7.1 0206花蓮地震地基土壤推測液化過程 23
圖3.1.1基線修正流程圖 28
圖 3.1.2 地震測站各方向考慮有無基線修正之位移歷時比較圖(HWA008) 29
圖 3.1.3 地震測站各方向考慮有無基線修正之位移歷時比較圖(HWA019-2) 30
圖3.1.4 地震測站各方向考慮有無基線修正之位移歷時比較圖(HWA028) 31
圖3.1.5 地震測站各方向考慮有無基線修正之位移歷時比較圖(HWA062) 32
圖3.3.1 液化潛能簡易評估法流程圖 36
圖3.3.2 JRA簡易評估法流程圖 37
圖3.3.3 Tokimatsu & Yoshimi簡易評估法流程圖 38
圖3.3.4 Seed簡易評估法流程圖 39
圖3.3.5(a) 應力折減係數(rd)隨深度變化關係圖(Seed et al.,1971) 40
圖3.3.5(b) CN隨有效覆土應變化關係圖(Seed et al.,1985) 40
圖3.3.5(c) 於不同細料含量狀況下CSR及CRR與(N1)60關係圖(Seed et al.,1985) 41
圖3.3.6 NCEER簡易評估法流程圖 42
圖3.4.1 Iwasaki法與其他準則抗液化安全係數FS之關係(黃富國,2008) 44
圖3.4.2 LDI評估計算流程圖 49
圖3.5.1 地震危害度分析之步驟 52
圖3.5.2 地震震源分區及M>5.0地震之震央分佈圖(羅俊雄等,1999) 54
圖 3.5.3液化危害度分析流程 56
圖3.5.4 鑽桿能量比ER與深度之關係(黃富國,2008) 57
圖4.1.1 花蓮場址範圍圖 60
圖4.1.2 0206花蓮地震報告 61
圖4.1.3 米崙斷層與嶺頂斷層及噴砂孔位位置圖 62
圖4.1.4 花蓮地震主震及前震與餘震發震規模之時間序列圖 63
圖4.1.5 0206花蓮地震最大地表加速度(PGA)震度等值圖(張毓文,2018) 64
圖4.1.6 花蓮市區地震測站之強震延時圖 64
圖4.1.7 近液化場址之地震測站水平方向與垂直方向加速度比值 65
圖4.1.8 90%強震延時與PGA之關係圖 65
圖4.1.9 震矩規模與有效循環次數關係圖 (Liu et al.,2001) 66
圖4.1.10 花蓮場址各地震測站分布圖 68
圖4.1.11 近液化場址之地震測站加速度反應譜(HWA008) 69
圖4.1.12 近液化場址之地震測站加速度反應譜(HWA019-2) 69
圖4.1.13 近液化場址之地震測站加速度反應譜(HWA028) 69
圖4.1.14 近液化場址之地震測站加速度反應譜(HWA062) 70
圖4.1.15 花蓮地區微地動主頻分布與HVSR(郭俊翔等人,2018) 70
圖4.1.16 花蓮地震HWA008測站紀錄之加速度歷時及HHT時頻譜 71
圖4.1.17 花蓮地震HWA019-2測站紀錄之加速度歷時及HHT時頻譜 72
圖4.1.18 花蓮地震HWA028測站紀錄之加速度歷時及HHT時頻譜 72
圖4.1.19 花蓮地震HWA062測站紀錄之加速度歷時及HHT時頻譜 73
圖4.1.20 Shannon熵與距斷層最短距離之關係圖 75
圖4.1.21 Shannon熵與最大地表加速度之關係圖 75
圖4.1.22 Shannon熵與最大地表速度之關係圖 76
圖4.1.23 Shannon熵與最大地表位移之關係圖 76
圖4.1.24 Shannon熵與艾氏震度之關係圖 77
圖4.1.25 Shannon熵與90%強震延時之關係圖 77
圖4.1.26 Shannon熵與有效循環次數之關係圖 78
圖4.1.27 Shannon熵與Cosenza & Manfredi指數之關係圖 78
圖4.1.28 Shannon熵與VS30之關係圖 79
圖4.1.29 Shannon熵與Z1.0之關係圖 79
圖4.2.1 花蓮地區地質圖(中央地質調查所,2012) 82
圖4.2.2 米崙斷層條帶狀地質圖(中央地質調查所,2017) 83
圖4.2.3 日治時期1924年花蓮港廳(今花蓮市)地形圖(改繪自徐彥哲(2011)) 85
圖4.2.4 由衛星影像圖重建美崙溪古河道遺跡(深藍色虛線) 85
圖4.3.1 花蓮場址噴砂孔位及鑽探孔位分布圖 88
圖4.3.2 鄰近花蓮場址噴砂孔位及鑽探孔位分布圖 89
圖4.3.3 案例場址SPT-N值及細料含量FC值剖面圖(107HL01) 91
圖4.3.4 案例場址SPT-N值及細料含量FC值剖面圖(107HL02) 91
圖4.3.5 案例場址SPT-N值及細料含量FC值剖面圖(107HL03) 92
圖4.3.6 案例場址SPT-N值及細料含量FC值剖面圖(107HL11) 92
圖4.3.7 0206花蓮地震液化噴砂場址鄰近鑽孔107HL01岩芯 93
圖4.3.8 0206花蓮地震液化噴砂場址鄰近鑽孔107HL02岩芯 94
圖4.3.9 0206花蓮地震液化噴砂場址鄰近鑽孔107HL03岩芯 95
圖4.3.10 0206花蓮地震液化噴砂場址鄰近鑽孔107HL11岩芯 96
圖4.3.11 研究場址土層剖面線 97
圖4.3.12 107HL01孔號花蓮液化場址篩分析試驗粒徑分布 99
圖4.3.13 107HL02孔號花蓮液化場址篩分析試驗粒徑分布 99
圖4.3.14 107HL03孔號花蓮液化場址篩分析試驗粒徑分布 100
圖4.3.15 107HL11孔號花蓮液化場址篩分析試驗粒徑分布 100
圖4.3.16 液化土壤粒徑尺寸 (Tokimatsu & Yoshimi,1983) 101
圖4.3.17 花蓮場址液化土壤粒徑尺寸 (JRA,1996) 101
圖4.3.18 花蓮場址液化土壤粒徑尺寸 (T-Y,1983) 101
圖4.3.19 花蓮場址液化土壤粒徑尺寸 (Seed,2001) 101
圖4.3.20 液化潛能易感性比較 103
圖4.4.1 測線107HLGPM01剪力波速剖面 104
圖4.4.2 測線107HLGPM02剪力波速剖面 104
圖4.4.3 測線107HLGPR02探查成果剖面及對應地質 106
圖4.4.4 測線108HLGPR01探查成果剖面及對應地質 106
圖4.5.1 三種簡易評估法依0206花蓮地震力所估計之損害評估比較圖 113
圖4.5.2 Kriging法差值之地下水位圖 113
(a)液化損害空間分布圖 114
圖4.5.3 Kriging法差值之液化潛勢圖 (0206 Hualien EQ) 115
圖4.5.4 三種簡易評估法依設計地震力所估計之損害評估比較圖 127
圖4.5.5 三種簡易評估法依最大考量地震所估計之損害評估比較圖 129
(a)液化損害空間分布圖 130
圖4.5.6 Kriging法差值之液化潛勢圖(設計地震) 131
圖4.5.7 Kriging法差值之液化潛勢圖(最大考量地震) 133
圖4.5.8 三種簡易評估法對於參數變化之靈敏性分析 135
圖4.5.9 改變各參數對於液化損害指數之相對靈敏性分析 137
圖4.5.10 抗液化安全係數FS值隨深度變化剖面圖(改變參數:MW) 138
圖4.5.11 抗液化安全係數FS值隨深度變化剖面圖(改變參數:PGA) 138
圖4.6.1 107HL01孔位三種簡易評估法分析所得土壤液化危害度曲線之比較 144
圖4.6.2 107HL02孔位三種簡易評估法分析所得土壤液化危害度曲線之比較 145
圖4.6.3 107HL03孔位三種簡易評估法分析所得土壤液化危害度曲線之比較 146
圖4.6.4 107HL11孔位三種簡易評估法分析所得土壤液化危害度曲線之比較 147
圖4.6.5 四孔位貝氏映射機率危害度曲線之比較 148
圖4.6.6 Kriging法差值之液化潛勢圖 (Tr = 475) 150
圖4.6.7 Kriging法差值之液化潛勢圖 (Tr = 2475) 152
圖4.7.1 107HL01土壤液化易損性曲線 154
圖4.7.2 107HL02土壤液化易損性曲線 155
圖4.7.3 107HL03土壤液化易損性曲線 156
圖4.7.4 107HL11土壤液化易損性曲線 157
圖4.7.5土壤液化易損性曲線(PW,logistic) 158
圖4.7.6 107HL01土壤液化易損性之機率密度 159
圖4.7.7 107HL02土壤液化易損性之機率密度 160
圖4.7.8 107HL03土壤液化易損性之機率密度 161
圖4.7.9 107HL11土壤液化易損性之機率密度 162
圖4.7.10 代表性孔位土壤液化易損性之機率密度(PW,logistic) 163
圖4.8.1 確值法與機率法分析比較(Tr = 475) 165
圖4.8.2 確值法與機率法分析比較(Tr = 2475) 166
圖4.8.3 邏輯迴歸及貝氏映射機率比較圖(JRA) 174
圖4.8.4 邏輯迴歸及貝氏映射機率比較圖(T-Y) 174
圖4.8.5 邏輯迴歸及貝氏映射機率比較圖(Seed) 174
圖4.8.6 FS有無轉換之LPI比較圖(JRA,1996) 188
圖4.8.7 FS有無轉換之LPI比較圖(T-Y,1983) 188
圖4.8.8 FS有無轉換之LPI比較圖(Seed,2001) 188
圖4.8.9 FS有無轉換之St比較圖(JRA,1996) 189
圖4.8.10 FS有無轉換之St比較圖(T-Y,1983) 189
圖4.8.11 FS有無轉換之St比較圖(Seed,2001) 189
圖4.8.12 Kriging法差值之LDI(確值法) 191
圖4.8.13 Kriging法差值之LDI (LHA) 192

照片目錄
照片 2.1 國盛八街住戶周遭,土壤液化噴砂及一樓階梯因斷層錯動而破裂情形........ 23
照片2.2 國盛八街及五街住戶地基液化下陷,伴隨室內斷層錯動而破裂情形............ 23
照片2.3 國盛五街及六街建物地基液化下陷,高額孔隙水壓引致地版拱起、開裂.... 23
照片2.4 國盛二街建物地基液化下陷,導致大樓傾斜約1~2........................................ 23
照片2.5 國民八街民宿,因土壤液化震陷約10~15cm、傾斜約1~2............................ 23
照片2.6 國盛五街富臨門大樓及佳美華廈,皆發生液化震陷及傾斜,但前者梁柱受剪而
開裂破壞............................................................................................................... 23
照片2.7 國盛五街富臨門大樓一樓,柱體剪力破壞;地坪也因土壤液化而拱起及滲砂,
地基周界約下陷6~10cm..................................................................................... 24
照片2.8 花蓮港#24 碼頭後線礫石噴出地表;#25 碼頭後線沉陷情形(柯永彥攝)........ 24
照片2.9 大樓旁水溝及管線設施因液化震陷而破壞;尚志橋下輸水鋼管疑因斷層作用
及路堤液化,導致接頭破壞而漏水................................................................... 24
照片2.10 美崙溪畔左岸及尚志橋下右岸堤防護岸,因液化震陷及地表破裂而損壞.. 24
照片2.11 花蓮大橋及中山橋墩柱,因樁周土壤液化下陷而引致負摩擦力.................. 24
照片2.12 花蓮大橋橋下附近地盤,土壤液化及側向擴展情形...................................... 24
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