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土壤液化 防治以地盤改良工法進行

土壤液化 防治以地盤改良工法進行-災後修復補強實例探討

撰稿 : 劉益宏  李明書 林柏強 /駿馳工程股份有限公司

摘要

土壤液化 : 砂土層液化是地震頻發區結構物產生破壞的隱患之一。早期防治土壤液化常採用樁基礎、振動夯實、排水樁或土壤置換等方式設計,但這些方法僅適合結構物建造前使用,無法用於既有建築物。

近年來由於工程技術與材料的發展,液化防治方法陸續開發問世,其中以工作機具較小、結構物完成前後均可運用的地盤改良工法最受工程界矚目。本文針對地盤改良工法用於土壤液化防治進行介紹,並以實際案例說明執行方式、災後修復技術及檢測方法,提供各界參考。

一、前言

自古以來人類多生活於鄰近河川的沖積平原地帶,早期對於遭遇強震時局部地表噴水冒砂現象,沒有深入探討其整治方法。直到 1964年日本新瀉大地震中,信濃川 (Shinano gawa)古河道上的建築物因為嚴重土壤液化傾倒後,液化防治才開始為世人所重視,並對該課題展開研究 [1]。

台灣地區位歐亞板塊與菲律賓板塊交界處,依據圖 1 台灣地震活躍周期統計資料顯示,自 1998 年起台灣進入地震活躍週期,可能頻繁發生不同規模地震 [2]。

為降低地震造成土壤液化危害,政府投入相當多的人力與資源進行各項研究,並於 2016 年陸續公告圖 2 中的全台液化潛勢能區及研擬重大建設液化防治方案,另編列預算進行各項公共工程液化防治補強工作 [3]。

 

圖1-台灣地震活躍週期
(https://www.facebook.com/photo/?fbid=4839250539536073&set=a.269255449868961)

圖2-全台液化潛勢能區總圖
(https://www.liquid.net.tw/cgs/Web/Map.aspx)

 

 

 

二、土壤液化形成原因與解決方法

2.1 形成原因

土壤液化形成原因為地震於短時間內造成土壤顆粒間超額孔隙水壓陡升,當超額孔隙水壓與土壤有效應力接近時土壤剪力強度大幅減小,形成震陷量、地表噴砂、局部地層側潰及結構物下方土壤承載力降低等現象。

2.2 解決方案

土壤液化防治技術從早期採用的樁基礎、振動夯實、排水樁或土壤置換等方式設計,到近年來陸續開發問世的橫向壓密工法、圍束設計及地盤改良工法等,其主要原理為傳遞結構荷重至下方堅實地層、提升土壤抗剪強度與剪脹量、降低地震波作用、減少土壤側潰變形與降低地震時超額孔隙水壓激發等方式 [4]。相關技術說明於國內、外文獻資料多有詳盡介紹,本文僅針對適用於土壤液化防治的地盤改良工法進行探討。

2.3 地盤改良工法

狹義的地盤改良工法,指運用灌漿技術將特定漿液注入地層中,形成滲透、劈裂、擠壓、填充、置換等效果,以達到降低地層滲透係數、提升地層抗剪強度、填充顆粒間孔隙或增加土壤緊密度等單一或複合目的工程技術 [5]。其中適用於土壤液化防治的工法種類及優缺點,如表1所示。

三、液化潛勢能區判定

3.1 公共資源查詢

自從 1999 年 921 地震引發台灣多處嚴重土壤液化災害後,政府即委託經濟部中央地質調查所進行台灣液化潛勢能區調查工作,並於2016年公開第一批初級土壤液化潛勢區圖資,獲得社會極大的關注。

為了便民服務,中央地質調查所於網路上建構「土壤液化潛勢查詢系統」,陸續更新相關圖資,並公開提供民眾查詢。雖然查詢結果僅對於個別基地提供土壤液化潛勢等級初步評估,但對於一般民眾查詢、國土規劃、防災治理及重大工程選址等,提供了非常方便取得參考資訊的途徑。

土壤液化

3.2 規範內容分析

內政部營建署公告的「建築物基礎構造設計規範」,詳細提供了依據個別基地地質調查與土壤試驗資料,進行土壤液化安全性評估的分析方法。其中台灣較常採用 SPT-N 簡易評估法,如:Seed(1985)、NCEER(1997)、日本道路協 會 (1996) 及 Tokimatsu and Yoshimi(1983) 等分析方式,並依照公式 (1) 求取抗液化安全係數 FL值,再以 FL值小於 1.0 時,判定該地層具有液化潛能。

其中:

FL=抗液化安全係數

CRR=土層之抗液化剪力強度比

CSR=地震引致土層之平均反覆剪應力比或尖峰剪應力比

此外,規範中亦對於液化潛勢能區域內建築物,提供了遭受地震作用時評估損害程度的三項指標,以作為進行建築物補強或地盤改良的參考。分別為:

(1) 相對厚度 (Ishihara, 1985)
(2) 液化潛能指數 PL (Iwasaki, 1982)
(3) 液化後地盤沉陷量(Ishihara and Yoshimine,1992)

相關解析方式,於規範中均有詳細說明,本文中不予贅述。

3.3 現地試驗判定

台灣現地地質調查作業時,多採用標準貫入試驗求得地層 SPT-N 值作為分析參考,同時採取劈管土樣進行土壤一般物理性質試驗。因此,當進行基地地層液化潛勢能分析時,採用SPT-N 簡易評估法自然成為分析報告內容的首選。然而當施工基地已判定具有液化潛能,須進行結構物基礎下方地盤改良規劃時,則有必要搭配其他連續性現地物理探測,以明確界定。

地層需要改良範圍及驗證地盤改良後效果。表面波探測法 (MASW,Multichannel Analysis of Surface Waves),因為操作容易,且能夠展現測線二維度連續地層剪力波速剖面圖,常被運用於液化潛勢能區地層界定及改良成效驗證使用 [7-8]。

根據內政部營建署公告的「建築物耐震設計規範及解說」中,建議決定工址地盤放大係數之地盤分類,除臺北盆地區域外,餘依工址地表面下 30m 以內之土層平均剪力波速VS30 決定之 [9]。其中:

Vs30≥270 m/s者為第一類地盤(堅實地盤)
180m/s≤ Vs30<270m/s者,為第二類地盤(普通地盤)

Vs30<180m/s者,為第三類地盤 (軟弱地盤)
工址地表面下30m 內之土層平均剪力波速Vs30 依公式 (2) 計算:

其中:di=為第i層土層之厚度(m),滿足=
Vsi=為第 i 層土層之平均剪力波速 (m/s)

除了運用剪力波速進行液化潛勢能區地盤改良效果驗證外,當僅有標準貫入試驗N值時,也可以使用經驗公式 (3) 或依照表 2 所列公式,進行剪力波速推估,以作為地層強度分類及改良效果驗證。

一般工程運用,常參考 Ronald D. Andrus與 Kenneth H. Stokoe II(2000) 之研究成果,以基礎下方相對地表標高 20m 範圍以內地層參數,依照公式 (4) 計算得到之正規化剪力波速(Normalized shear wave velocity)VS1 ≥ 230 m/s者,視為不具有液化潛能地層。

四、液化潛勢能區地盤改良工法

4.1 預防性土壤液化防治

具有土壤液化潛能的地層必須擁有以下三項條件:

(1) 地下水位以下高飽和度地層。
(2) 鬆散的低塑性砂土地層。
(3) 強烈的地震作用。

基於上列條件,採用地盤改良工法防治土壤液化時,主要以填充土壤顆粒間孔隙、改變地層顆粒結構及運用漿材置換土壤孔隙水等方式,達到改變相對厚度、降低液化潛能指數、減少液化後地盤沉陷量等三項指標,以降低土壤液化災害程度。

工程界用於預防性地盤改良液化防治的灌漿材料及其特性,如表 3 所示。目前台灣地區較常採用水泥皂土漿 (CB) 及超微細水泥漿 (MFC)搭配雙環塞工法,分別對於地層施予擠壓及滲透灌漿,兼收加固地層及防治液化效果。

於日本及歐美國家除了上述兩種漿材外,亦有運用長效型矽酸鈉化學漿 (SSA) 及矽溶膠(Silica sol) 滲透灌注、水泥化學漿 (FLW) 劈裂灌注等進行土壤液化防治的案例。惟運用上述各類灌漿材料及工法進行液化防治時,必須考慮地層特性進行預先試灌工作,並搭配即時監測系統收集足夠資料反饋設計,以避免地盤改良時造成地層過度擾動及地表頂昇情況。

4.2 地層液化後上部結構基礎頂昇加固

土壤液化導致的災害,可概分為以下幾類[12]:

(1) 結構物沉陷、倒塌、開裂、傾斜、側移及地下室湧砂。
(2) 水井、渠道、農田淤砂。
(3) 道路、鐵路、橋梁變形、毀損、路堤倒塌、橋基沉陷或側移。
(4) 地下管道沉陷或上浮毀損。

對於已發生嚴重損壞的結構物,通常只能進行拆除重建。但僅發生傾斜或局部沉陷的建築物、道路或軌道交通,在適當條件下,可以採用灌漿技術進行頂昇扶正令其恢復使用功能。

執行頂昇扶正工作設計時,宜分為下方地盤改良及上部結構頂昇兩部分進行。其中,下方地盤改良適用漿材主要以能夠滲透進入土壤孔隙或填充地層軟弱帶的水泥系漿材,如:超微細水泥、水泥皂土漿、水泥化學漿、水泥漿等為主。

上部結構頂昇或淺層灌漿加固時,為了能夠獲得即時、可靠的頂昇成果,則常採用表 4 所列容易控制膠凝時間、固化時間快且不需要養護的樹脂類漿材為主。

土壤液化

土壤液化

4.3 灌漿成效驗證

運用灌漿技術進行土壤液化防治與災後頂昇扶正時,對於改良成效驗證可分為以下兩類。

4.3.1 地盤改良成效驗證

主要用於地表到地表下 20m 範圍內,地盤改良前後地層條件、改良位置及改良成效驗證。常用的方法如表 5 所示。

4.3.2 結構物頂昇成效驗證

主要用於地表或地表下 5 m 範圍內,結構物頂昇過程變位量監控、過度頂昇警示,或淺層地盤加固前後,結構物頂昇量、角變量及改良成效驗證。常用的監測方法如表 6 所示。

五、案例說明

5.1 地盤改良液化防治

本文中以一處具有液化潛勢能區域,利用雙環塞斜孔灌漿工法,搭配水泥皂土漿填充擠壓及超微細水泥漿滲透改良,模擬於既有結構物下方執行地盤改良液化防治的試灌案例進行說明。

5.1.1 地層條件

試灌區域地層條件,地表至 GL-2.0m 之間為回填層,主要組成為粉土質細砂夾雜卵礫石及工程廢棄水泥塊等回填物為主。GL-2.0m~GL-20.0m 之間為粉土質細砂層偶夾薄層黏土及礫石,根據前期地質調查資料顯示,本地層厚度約延伸至 GL-40m,遠超過本次試灌深度。相關試灌區域簡化地層參數表,如表 7所示。

5.1.2 灌注深度

本次試灌深度由GL-1.0m~GL-17.0m,採用縱向孔距0.5m,橫向排距 1.5m,斜孔交錯布置,由遠至近逐孔灌注,以達到漿液向下擴散、交錯重疊及向上滲透至斜孔無法觸及區域等效果。相關試灌深度,如圖3匡列範圍所示。

5.1.3 灌注方法及漿液選擇

施工設計採用雙環塞斜孔灌漿工法配合表8所列控制條件,對於3處面積均為5m×5m,相隔間距4m之近似地層條件試灌區,分別施以三種不同水灰比超微細水泥漿逆級灌注。每孔灌注時先使用水泥皂土漿填充並適度擠壓周邊地層,再個別使用表9所列三種超微細水泥漿進行砂土層地盤改良。

灌漿壓力均採用初始出口壓力+0.5~2.0 kg/cm2,視現場狀況適度調整。當灌漿流量固定條件下,出口壓力陡升或驟降、周邊地面異常隆起或局部地面嚴重漏漿時,立即停止灌漿。

 

 

 

 

 

5.1.4 地盤改良成果

圖4中三處試灌區地盤改良前後,均採用表面波探測法進行檢測。

檢核重點包含改良前後灌漿範圍剪力波速變化量、不同水灰比超微細水泥漿滲透效果、灌注區下方滲透改良效果、改良區上方無法觸及的三角區域滲透改良效果等。藉由圖5~圖7,地盤改良前後地層剪力波速對比發現:

由圖5地盤改良前地層剪力波速圖研判,GL-1.0m~GL-17.0m 間剪力波速值 140m/s~230m/s,具有土壤液化潛能。

由圖6地盤改良後剪力波速圖發現,改良範圍剪力波速為335m/s~432m/s之間,漿液亦滲透到灌漿管無法觸及位置及下方地層,達到土壤液化防治效果。配比C水灰比=5的超微細水泥漿,漿液擴散性及重疊性表現良好,灌注後下方地層剪力波速提升情況略為明顯。

地表以下 ~GL-3.0m之間地層因為灌漿時擾動及漿液短流效應,可能導致剪力波速下降,於實際運用時宜避開此改良深度或搭配淺層灌漿加固共同施作。

5.2 結構物頂昇

本文中以一處發生局部沉陷之連續版式基礎,採用單環塞灌漿工法,搭配不膨脹剛性聚氨酯樹脂及矽酸鹽樹脂進行結構頂昇案例進行說明。

5.2.1 地層條件

本灌注區域,地表至GL-3.0m之間為回填層,組成以砂質粉土夾雜黏土為主。GL3.0m~GL-18.0m之間為粉土質細砂層,GL18.0m~GL-20.0m鑽探孔底之間為粉質黏土層。相關改良區域簡化地層參數表,如表10所示。

5.2.2 灌注深度

本次灌注分為淺層灌漿加固及版基頂昇2個部分:

(1)淺層灌漿加固。灌注深度GL-0.5m~GL3.0m,改良體積40m(長)×5.4m(寬)×2.5m(深),採用孔距2.0m交錯排列方式於版基上鑽孔布置。

(2)版基頂昇。灌注深度GL-0.5m~GL1.0m,改良體積40m(長)×5.4m(寬)×0.5m(深),採用孔距2.0m交錯排列方式於版基上鑽孔布置。

5.2.3 灌注方法及漿液選擇

本次灌注採用單環塞灌漿工法配合表 11 所列條件,將灌注區分為 10m 一個區段,於各區段內進行跳孔灌注。

灌漿程序先進行淺層灌漿加固,穩固版基下方疏鬆砂土層,再於其上方進行版式基礎頂昇注漿。灌漿壓力控制不大於灌注初始出口壓力+5.0kg/cm2,視現場狀況適度調整。每孔最大頂昇量10mm,分次灌漿頂昇量以相鄰灌漿孔差異變形角變量≤1/400為原則。

5.2.4 版基頂昇成果

本次版基頂昇成果監控與檢核,分為2個階段執行:

(1)灌注過程監測。以自動化沉陷計為主,搭配全站儀及雷射水準儀進行點、線、面全場域監控。主要目的為控制每處頂昇量及相鄰灌漿孔角變量在設計範圍以內,不造成版基過度頂昇及鋼筋混凝土剪力破壞。

搭配全站儀及雷射水準儀進行點、線、面全場域監控。主要目的為控制每處頂昇量及相鄰灌漿孔角變量在設計範圍以內,不造成版基過度頂昇及鋼筋混凝土剪力破壞。

(2) 灌注完成後檢測。採用表面波探測法檢測淺層灌漿加固及版基頂昇後,地層剪力波速、漿液分布狀況,以驗證地層改良效果。

經由自動化沉陷計及表面波探測法檢測結果顯示:

(1) 使用矽酸鹽樹脂進行GL-0.5m~GL3.0m間淺層灌漿加固,疏鬆砂土地層剪力波速可由220m/s~240m/s提升到250m/s~300m/s,符合土壤液化防治及版基下方地層加固要求。

(2) 使用聚氨酯樹脂於GL-0.5m~GL-1.0m之間灌注,地層剪力波速值提升到350m/s以上,提供向上頂昇良好的反力支承效果。

(3) 經由圖8及圖9改良前後剪力波速圖對比發現,採用兩階段進行灌漿加固及結構物頂昇,可以藉由地層擠壓作用,得到良好的整體地盤改良效果。

(4) 由圖10中不同灌注階段頂昇量監測結果顯示,分階段使用不膨脹矽酸鹽樹脂及聚氨酯樹脂分區分段灌注,搭配自動化沉陷計即時觀測及管控,可將版基沉陷量逐步頂昇到近似原設計高程,且不會造成嚴重過度頂昇情況。

六、結論

運用地盤改良工法進行土壤液化防治與災後修復,具有結構物完成前後均可運用、作業空間需求小及相對工期較短等優點,根據實際操作與監測經驗,相關執行心得整理如下:目前國內多採用超微細水泥滲透性灌漿進行土壤液化防治,已達到明顯的改善效果。

然而尚有其他灌漿材料如長效型矽酸鈉化學漿及矽溶膠漿材等,能夠在地下水位以下長期填充砂土顆粒間孔隙,降低地震時超額孔隙水壓的激發。故建議可再深入研究不同灌漿材料之土壤液化防治效果,以開發更為多元化的解決方案。

運用表面波探測法檢測土壤液化潛勢能,國內外已經累積許多研究成果,建議於土壤液化防治規劃即將其列入應辦項目,用以界定地層液化潛勢區域及驗證地盤改良成果。依照不同水灰比超微細水泥試灌結果發現,進行土壤液化防治漿材選擇時,除了原材料性質外,亦應同時考慮其擴散性及漿液重疊性等機制。

因不同地區土壤特性迥異,土壤液化防治設計前,宜先進行試灌工作驗證不同配比漿材改良效果,以回饋建置最佳設計方案。使用固化時間短並可調控膠凝時間的矽酸鹽樹脂與聚氨酯樹脂漿材灌注,搭配全場域即時監控,可以達到基底淺層灌漿加固及精準控制結構物頂昇效果,建議可再深入研究並建立相關執行規範,以利各界依循使用。

 

土壤液化防治以地盤改良工法進行

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