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系統識別號 U0002-1909201215465100
中文論文名稱 304桃源地震台南新化土壤液化案例探討
英文論文名稱 Case Study on the Soil Liquefaction for the 2010/03/04 Taoyuan Earthquake
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 吳俊磊
研究生英文姓名 Chun-Lei Wu
學號 696381168
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-07-16
論文頁數 147頁
口試委員 指導教授-黃富國
共同指導教授-劉明仁
委員-鍾立來
委員-王淑娟
委員-邱俊翔
委員-黃富國
委員-劉明仁
中文關鍵字 桃源地震  土壤液化  液化危害度  易損性曲線 
英文關鍵字 Taoyuan earthquake  soil liquefaction  liquefaction hazard  fragility curve 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 民國99年3月4日,高雄地區發生一芮氏規模(ML) 6.4 的桃源地震(原名甲仙地震),在台南新化北勢里、太平里、東榮里,以及山腳里等鹽水溪流域旁發生了多處土壤液化現象,本研究根據現地鑽探所得之地質剖面資料,利用蒙地卡羅模擬(MCS),來建構與地震危害度諧和之液化危害度與液化易損性曲線,不但各相關分析參數之不定性與變異性,皆可納入考慮,且可以成對之震力參數(PGA, M)來同時考慮最大地表加速度PGA與地震規模M對土壤液化的效應,使得液化評估結果更為合理。根據此次土壤液化震害概況,以及調查及分析結果,可歸納下列三點結論供工程界參考:(1)只要地震震度夠大(最大地表加速度PGA 大)、強震延時夠長(地震規模M 大)高地下水位之疏鬆粉質砂土或無塑性粉土等現代沖積地層,以及砂岩之風化表層,皆有發生土壤液化之可能性。(2)過去地震時曾經發生土壤液化震害之場址,將來再度受震液化之可能性是相當高的。(3)工程規劃設計時,應針對土壤液化之易損性及危害度謹慎評估,並採取適當之因應對策,以避免或降低液化震害對地盤及結構物可能產生之影響。
英文摘要 Soil liquefaction is a common type of ground failure, such as sand boiling, settlement and lateral spreading, during an earthquake. A case study of Sinhua site next to Yen-Shui River watershed, subject to liquefaction in the 2010 Taoyuan earthquake with magnitude of 6.4 (ML) in Taiwan, is performed. A method to construct the hazard-consistent fragility curves and hazard analysis for soil liquefaction by Monte Carlo simulation is proposed in this study. The uncertainties and variabilities of associated analysis parameters are all easily included. 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 analysis results of liquefaction potential and damages thus obtained are more reasonable. The hazard-consistent fragility curves and hazard analysis for soil liquefaction by Monte Carlo simulation are constructed using three damage indices, including liquefaction potential index, IL, liquefaction probability index, PW, and settlement after liquefaction, St. It can be concluded that non-plastic cohesionless soils under saturated condition are susceptible to liquefaction, especially for those sites where liquefaction had occurred in past earthquakes. Thus, the effects of soil liquefaction and associated hazards should be carefully analyzed and evaluated to prevent potential damages in engineering planning and design.
論文目次 目錄
目錄................................................................................................................................ I
表目錄.......................................................................................................................... III
圖目錄.......................................................................................................................... IV
照片目錄.................................................................................................................... VII
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 土壤液化震害案例.......................................................................................... 5
2.1.1 歷史上液化案例回顧.......................................................................... 5
2.1.2 1946 年新化大地震液化概況......................................................... 10
2.2 土壤液化機制及液化潛能影響因素........................................................... 13
2.2.1 土壤液化機制.................................................................................... 13
2.2.2 土壤液化潛能影響因素.................................................................... 15
2.3 土壤液化及損害評估方法........................................................................... 15
2.3.1 土壤液化評估準則............................................................................ 15
2.3.2 確值法與機率法相關研究................................................................ 19
第三章研究方法 ....................................................................................................... 21
3.1 確值法........................................................................................................... 21
3.2 機率法........................................................................................................... 28
3.3 液化條件機率............................................................................................... 29
3.4 液化危害度分析方法................................................................................... 36
3.4.1 地震危害度分析步驟........................................................................ 36
3.4.2 與地震危害度諧和之震力參數模擬................................................ 38
3.4.3 液化危害度分析................................................................................ 42
3.5 液化易損性評估方法................................................................................... 45
II
第四章新化場址液化案例探討 ............................................................................... 47
4.1 304 桃源地震基本資料.............................................................................. 47
4.2 新化場址地質條件及水系........................................................................... 55
4.2.1 新化場址地形與地質........................................................................ 55
4.2.2 新化場址水系特性............................................................................ 56
4.3 桃源地震新化場址液化概況....................................................................... 58
4.4 液化場址地質調查及成果........................................................................... 71
4.4.1 液化場址之土層特性........................................................................ 72
4.4.2 液化場址土壤之物理性質................................................................ 78
4.4.3 地下水位............................................................................................ 83
4.5 Seed 液化評估準則適用性探討 ................................................................... 86
4.6 液化危害度分析........................................................................................... 92
4.6.1 危害度分析之考量因素.................................................................... 92
4.6.2 堅實地盤之液化危害度分析............................................................ 93
4.6.3 考慮場址效應之軟弱地盤液化危害度分析.................................. 103
4.7 液化易損性分析......................................................................................... 113
4.8 研究結果與驗證......................................................................................... 137
第五章結論與建議 ................................................................................................. 141
5.1 結論............................................................................................................. 141
5.2 建議............................................................................................................. 142
參考文獻 ................................................................................................................... 143
III
表目錄
表 2.1.1 世界上土壤液化震害概況............................................................................. 7
表2.1.1 世界上土壤液化震害概況(續) ...................................................................... 8
表2.1.2 台灣土壤液化震害概況................................................................................. 9
表2.3.1 液化評估法分類表....................................................................................... 17
表2.3.2 SPT-N 簡化液化評估法之比較 .................................................................... 18
表3.1.1 液化潛能指數IL 與液化程度之關係 .......................................................... 23
表3.1.2 沈陷量St 與液化損害程度之關係 ............................................................. 24
表3.2.1 液化損害程度分類....................................................................................... 28
表3.3.1 邏輯迴歸分析結果....................................................................................... 33
表3.3.2 貝氏映射之擬合分析結果........................................................................... 33
表3.4.1 震源模式與隨機變數................................................................................... 39
表4.4.1 液化噴砂土樣性質....................................................................................... 82
表4.4.2 三角座標分類法之土壤粒徑分級............................................................... 82
表4.5.1 利用Seed 液化評估準則分析不同水位條件所得液化樣本之抗液化安全
係數.............................................................................................................. 88
表4.6.1 液化危害度分析結果(回歸期Tr = 475 年,堅實地盤) ....................... 94
表4.6.2 液化危害度分析結果(回歸期Tr = 475 年,軟弱地盤) ..................... 104
IV
圖目錄
圖 1.2.1 研究架構及流程圖......................................................................................... 3
圖2.1.1 基礎破壞類型及比例..................................................................................... 6
圖2.1.2 液化造成各類結構物破壞類型及比例......................................................... 6
圖2.1.3 液化造成房屋震害損害類型及比例............................................................. 6
圖2.1.4 1946 年12 月5 日新化地震地變分佈圖..................................................... 11
圖3.1.1 NCEER 修正之Seed et al.(1985)簡易經驗法分析流程 ........................ 26
圖3.1.2 細料含量之修正係數................................................................................... 26
圖3.1.3 最大剪應變、體積應變及相對密度間之關係........................................... 26
圖3.1.4 最大剪應變、安全係數及相對密度間之關係 ......................................... 27
圖3.1.5 體積應變、安全係數及相對密度間之關係............................................... 27
圖3.3.1 Seed 形式之邏輯迴歸分析結果 ................................................................... 34
圖3.3.2 Seed 法之FS 與PLiq 貝氏映射關係 ............................................................. 34
圖3.3.3 Iwasaki 法與其他準則抗液化安全係數FS 之關係 .................................... 35
圖3.4.1 地震危害度分析之步驟............................................................................... 38
圖3.4.2 地震震源分區及M>5.0 地震之震央分佈圖 .............................................. 41
圖3.4.3 液化危害度分析流程................................................................................... 43
圖3.4.4 鑽桿能量比ER 與深度之關係 ................................................................... 44
圖4.1.1 中央氣象局地震報告................................................................................... 50
圖4.1.2 304 桃源地震(甲仙地震)基本資料 .............................................................. 50
圖4.1.3 304 桃源地震實際PGA 觀測資料分佈....................................................... 51
圖4.1.4 304 桃源地震楠西測站地震報告................................................................. 52
圖4.1.5 楠西測站加速度歷時圖............................................................................... 52
圖4.1.6 304 桃源地震善化國小測站地震報告......................................................... 53
圖4.1.7 善化國小測站加速度歷時圖....................................................................... 53
圖4.1.8 楠西測站加速度反應譜............................................................................... 54
圖4.1.9 新化測站加速度反應譜............................................................................... 54
圖4.1.10 甲仙測站加速度反應譜............................................................................. 54
圖4.1.11 善化測站加速度反應譜 ............................................................................. 54
圖4.2.1 新化區液化場址地質圖............................................................................... 56
圖4.2.2 新化液化場址附近水系圖(ㄧ)............................................................... 57
圖4.2.3 新化液化場址附近水系圖(二)............................................................... 58
圖4.3.1 新化區北勢里噴砂孔位分布及可能液化範圍........................................... 61
圖4.3.2 新化區太平里噴砂孔位置圖及可能液化範圍........................................... 64
圖4.3.3 新化區東榮里虎頭埤噴砂孔位置圖........................................................... 66
圖4.3.4 新化區山腳里五甲勢倒厝溪旁噴砂孔位置圖........................................... 68
V
圖4.4.1 SPT 鑽孔試驗點位配置圖 ............................................................................ 71
圖4.4.2 案例場址SPT-N 值及細料含量FC 值剖面圖(BH-1) ............................... 73
圖4.4.3 案例場址SPT-N 值及細料含量FC 值剖面圖(BH-2) ............................... 73
圖4.4.4 案例場址SPT-N 值及細料含量FC 值剖面圖(BH-3) ............................... 74
圖4.4.5 案例場址SPT-N 值及細料含量FC 值剖面圖(BH-4) ............................... 74
圖4.4.6 案例場址SPT-N 值及細料含量FC 值剖面圖(BH-5) ............................... 75
圖4.4.7 案例場址SPT-N 值及細料含量FC 值剖面圖(BH-6) ............................... 75
圖4.4.8 案例場址SPT-N 值及細料含量FC 值剖面圖(BH-7) ............................... 76
圖4.4.9 案例場址SPT-N 值及細料含量FC 值剖面圖(BH-8) ............................... 76
圖4.4.10 各鑽孔之SPT-N 比較圖 ............................................................................ 77
圖4.4.11 各鑽孔之細料含量FC 比較圖 .................................................................. 77
圖4.4.12 液化噴砂土樣之粒徑分布......................................................................... 80
圖4.4.13 液化土壤粒徑尺寸 (新化液化場址) ........................................................ 81
圖4.4.14 液化土壤粒徑尺寸 ................................................................................... 81
圖4.4.15 液化土壤粒徑尺寸 ................................................................................... 81
圖4.4.16 北勢1 號井地下水位觀測圖..................................................................... 84
圖4.4.17 北勢7 號井地下水位觀測圖..................................................................... 84
圖4.4.18 北勢1 號井地下水位直方圖..................................................................... 85
圖4.4.19 北勢7 號井地下水位直方圖..................................................................... 85
圖4.5.1 以Seed 法分析結果 ..................................................................................... 89
圖4.5.2 以Seed 法分析結果(地下水位考慮平均值) .............................................. 89
圖4.5.3 北勢1 號井地下水位觀測圖(平均值) ........................................................ 90
圖4.5.4 北勢7 號井地下水位觀測圖(平均值) ........................................................ 90
圖4.5.5 以Seed 法分析結果(地下水位考慮截去變化較大之平均值) .................. 91
圖4.5.6 以Seed 法分析結果(地下水位考慮於地表面) ........................................... 91
圖4.6.1 BH-1 土壤液化之危害度曲線(堅實地盤) ................................................... 95
圖4.6.2 BH-2 土壤液化之危害度曲線(堅實地盤) ................................................... 96
圖4.6.3 BH-3 土壤液化之危害度曲線(堅實地盤) ................................................... 97
圖4.6.4 BH-4 土壤液化之危害度曲線(堅實地盤) ................................................... 98
圖4.6.5 BH-5 土壤液化之危害度曲線(堅實地盤) ................................................... 99
圖4.6.6 BH-6 土壤液化之危害度曲線(堅實地盤) ................................................. 100
圖4.6.7 BH-7 土壤液化之危害度曲線(堅實地盤) ................................................. 101
圖4.6.8 BH-8 土壤液化之危害度曲線(堅實地盤) ................................................. 102
圖4.6.9 雲嘉南冲積地層之軟弱地盤效應............................................................. 103
圖4.6.10 BH-1 土壤液化之危害度曲線(軟弱地盤) ............................................... 105
圖4.6.11 BH-2 土壤液化之危害度曲線(軟弱地盤) ............................................... 106
圖4.6.12 BH-3 土壤液化之危害度曲線(軟弱地盤) ............................................... 107
圖4.6.13 BH-4 土壤液化之危害度曲線(軟弱地盤) ............................................... 108
VI
圖4.6.14 BH-5 土壤液化之危害度曲線(軟弱地盤) ............................................... 109
圖4.6.15 BH-6 土壤液化之危害度曲線(軟弱地盤) ............................................... 110
圖4.6.16 BH-7 土壤液化之危害度曲線(軟弱地盤) ............................................... 111
圖4.6.17 BH-8 土壤液化之危害度曲線(軟弱地盤) ............................................... 112
圖4.7.1 BH-1 土壤液化易損性曲線(堅實地盤) ..................................................... 115
圖4.7.2 BH-2 土壤液化易損性曲線(堅實地盤) ..................................................... 116
圖4.7.3 BH-3 土壤液化易損性曲線(堅實地盤) ..................................................... 117
圖4.7.4 BH-4 土壤液化易損性曲線(堅實地盤) ..................................................... 118
圖4.7.5 BH-5 土壤液化易損性曲線(堅實地盤) ..................................................... 119
圖4.7.6 BH-6 土壤液化易損性曲線(堅實地盤) ..................................................... 120
圖4.7.7 BH-7 土壤液化易損性曲線(堅實地盤) ..................................................... 121
圖4.7.8 BH-8 土壤液化易損性曲線(堅實地盤) ..................................................... 122
圖4.7.9 BH-1 土壤液化易損性曲線(軟弱地盤) ..................................................... 123
圖4.7.10 BH-2 土壤液化易損性曲線(軟弱地盤) ................................................... 124
圖4.7.11 BH-3 土壤液化易損性曲線(軟弱地盤) ................................................... 125
圖4.7.12 BH-4 土壤液化易損性曲線(軟弱地盤) ................................................... 126
圖4.7.13 BH-5 土壤液化易損性曲線(軟弱地盤) ................................................... 127
圖4.7.14 BH-6 土壤液化易損性曲線(軟弱地盤) ................................................... 128
圖4.7.15 BH-7 土壤液化易損性曲線(軟弱地盤) ................................................... 129
圖4.7.16 BH-8 土壤液化易損性曲線(軟弱地盤) ................................................... 130
圖4.7.17 BH-1 之IL 易損性 ..................................................................................... 131
圖4.7.18 BH-1 之PW 易損性 ................................................................................... 132
圖4.7.19 BH-1 之St 易損性 ..................................................................................... 133
圖4.7.20 BH-3 之IL 易損性 ..................................................................................... 134
圖4.7.21 BH-3 之PW 易損性 ................................................................................... 135
圖4.7.22 BH-3 之St 易損性 ..................................................................................... 136
圖4.8.1 高鐵沿線475 年回歸期之液化潛能指數比較......................................... 138
VII
照片目錄
照片 2-1 新化地震斷層露頭-新化種馬牧場附近 ................................................. 12
照片2-2 種馬牧場內的噴砂 ..................................................................................... 12
照片2-3 串列成行之噴砂口 ..................................................................................... 12
照片2-4 新化斷層地裂帶與鹽水溪沖積處噴砂 ..................................................... 12
照片4-1 北勢里噴砂情形(靠近高鐵沿線) .............................................................. 62
照片4-2 北勢里噴砂情形(靠近田邊渠道) .............................................................. 62
照片4-3 北勢里噴砂情形(田園內)........................................................................... 62
照片4-4 北勢里噴砂情形(靠近民宅區域) .............................................................. 62
照片4-5 北勢里噴砂情形(民宅旁的田野) .............................................................. 62
照片4-6 北勢里噴砂情形(大噴砂孔內含數個小噴砂孔) ...................................... 62
照片4-7 北勢里噴砂情形(田園中大孔徑的噴砂) .................................................. 63
照片4-8 北勢里噴砂孔串聯成列(一) ...................................................................... 63
照片4-9 北勢里噴砂孔串聯成列(二) ................................................................. 63
照片4-10 北勢里普賢院西側噴砂孔出現兩種不同顏色噴砂(不同深度土層) .... 63
照片4-11 北勢里普賢院旁圍牆因土壤液化之差異沉陷導致圍牆錯位開裂 ....... 63
照片4-12 北勢里液化情形(因液化而造成電線桿傾斜) ........................................ 63
照片4-13 太平里籬仔尾鳳梨田噴砂情形 ............................................................... 65
照片4-14 太平里籬仔尾鳳梨田噴砂孔 ................................................................... 65
照片4-15 太平里籬仔尾稻田噴砂孔 ....................................................................... 65
照片4-16 太平里籬仔尾灌溉渠道錯位破壞 ........................................................... 65
照片4-17 太平里新永就 (烏鬼厝北方)農田噴砂裂縫 .......................................... 65
照片4-18 太平里新永就 (烏鬼厝北方)農田噴砂孔 .............................................. 65
照片4-19 東榮里虎頭埤露營區噴砂(一)................................................................. 67
照片4-20 東榮里虎頭埤露營區噴砂(二)................................................................. 67
照片4-21 東榮里虎頭埤露營區噴砂(三)................................................................. 67
照片4-22 東榮里虎頭埤露營區旁環湖步道邊之湖底噴砂(一)............................. 67
照片4-23 東榮里虎頭埤露營區旁環湖步道邊之湖底噴砂(二)............................. 67
照片4-24 東榮里虎頭埤露營區旁環湖步道邊之湖底噴砂(三)............................. 67
照片4-25 山腳里農田噴砂及地裂情形 ................................................................... 69
照片4-26 山腳里農田噴砂情形 ............................................................................... 69
照片4-27 山腳里農田噴砂孔 ................................................................................... 70
照片4-28 山腳里農田土壤取樣(一) ........................................................................ 70
照片4-29 山腳里農田土壤取樣(二) ........................................................................ 70
照片4-30 山腳里五甲勢倒厝溪溪底液化情形 ....................................................... 70
照片4-31 山腳里五甲勢倒厝溪溪底液化孔(一) .................................................... 70
照片4-32 山腳里五甲勢倒厝溪溪底液化孔(二) .................................................... 70
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