蔣榮1、楊國鑫2、阮仲如3、林銘郎 2
1國立臺灣大學 土木工程學系 博士候選人
2國立臺灣大學 土木工程學系 教授
3中興工程顧問有限公司 正工程師
工程實務與應用
臺灣位處歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊交界處，在受到板塊相互碰撞作用下，地震與斷層錯動災害發生頻繁，如921集集大地震，中部的車籠埔斷層錯動形成約橫跨100公里左右的地表破裂，導致斷層帶附近大量房屋與結構物的損壞與倒塌，造成眾多居民生命與財產的損失。因為921集集大地震的慘痛經驗，國內目前已於建築技術規則中明訂活動斷層兩側禁建範圍內不得從事建築開發。一般而言，房屋結構物若避開此禁建範圍，即可避免斷層錯動所導致的災害發生，然而部分線性構造物例如高速公路、隧道或擋土結構等公共基礎建設，須從北到南延伸，則無法避免的必需通過斷層帶。
公共基礎建設需通過斷層帶的其中一個案例為國道4在臺中的高速公路延伸路段。國道4於臺中延伸段由路工段、隧道段與橋梁段組成，其中有一路段靠近烏牛欄溪處需橫跨車籠埔斷層。由之前921集集大地震經驗得知，當時烏牛欄溪護岸為混凝土懸臂式擋土牆，受斷層錯動作用的影響而產生倒塌(如圖1 )。這是因為混凝土擋土牆屬剛性構造物，只能承受較低的差異沉陷與角變量，在斷層錯動作用下，地表劇烈變形而產生較高的差異沉陷與角變量，因而導致跨斷層段剛性結構物之倒塌。
為了減緩斷層錯動引致地表變形之影響，達到減災與防災之目的(Disaster mitigation and prevention)，設計單位最終採用柔性工法，取以柔克剛的概念，選用加勁擋土牆(Geosynthetic-reinforced soil wall)做為該路段跨車籠埔斷層之路堤 (如圖2與圖3)。選用加勁工法的主要考量為柔性構造物具可承受較大變形量之特性，於災後不易發生倒塌，經迅速搶修後，即可恢復輸運功能。此外，柔性加勁擋土牆相較於傳統剛性混凝土擋土牆亦具較佳的耐震性、可容許較大的地表差異沉陷、能有效吸收天然災害(如洪水、海嘯、土石流、落石等)所引致的側向撞擊力、可使用現地土壤進行回填，避免土方外購與運移，可降低對施工對環境之衝擊、牆面可植生，具美觀、生態、永續與低碳排放量等優點。近年來在工程、防災、與生態環境上已被廣泛的應用，如公路路堤、橋台、崩塌地整治、軟弱路基加勁改良、河川護岸、防洪設施、落石與土石流防護牆等應用。在日本，311東日本大地震後加勁擋土構造物因其優越之耐震及抗海嘯作用的特性受到工程界矚目，加速其於地震及防災應用之發展。
圖1、混凝土擋土牆為剛性構造物於921集集大地震受車籠埔斷層錯動作用而發生破壞
(a)
(b)
(c)
圖2、以加勁擋土牆為跨車籠埔斷層之路堤以減緩斷層錯動災害:示意圖; (b)施工現況; (c)工程全景
圖、(a)施工時疑似開挖到斷層泥照片(b)楊國鑫老師與現場工程人員熱烈交流討論
力學研究與分析
在臺大土木系大地工程組試驗室，楊國鑫老師研究團隊以砂箱模型試驗進行一系列加勁基礎受斷層錯動作用的試驗研究。試驗模型土層高20 cm、長100 cm、最大斷層錯動量6 cm、錯動傾角60°、以模型相似率N = 15為目標，模擬現地土層高3 m、長15 m、最大斷層錯動量 90 cm的狀況。研究亦使用質點影像測速分析法(PIV)，用以觀察剪裂帶(Shear rupture)隨斷層錯動的發展。研究主要目的為了進一步了解加勁構造物在斷層錯動作用下之表現與力學機制。透過在試驗中變化不同土壤與加勁材參數條件(如土層厚度、加勁材層數、張力強度、勁度、與鋪設層數等)以了解上述參數對減緩斷層錯動引致地表變形之效果。
(a)
(b)
圖4、加勁基礎受斷層錯動作用之砂箱模型試驗: (a)砂箱設備與試驗配置; (b)試驗照片
圖5a為未加勁基礎的試驗與PIV分析結果。隨著斷層錯動量增加，剪裂帶向上發展至地表，且產生明顯的地表破裂。地表在破裂處產生劇烈的差異沉陷，導致較高的角變量。在最大斷層錯動量時，地表破裂造成的最大角變量大致與土壤摩擦角相同。圖5b為加勁基礎鋪設三層加勁材之試驗與PIV分析結果。從圖5b可以明顯看出，當斷層錯動量達到試驗的最大值時，剪裂帶仍然停留在第三層(最上層)加勁材的位置，沒能進一步地向上發展至地表。試驗結果證實加勁材可以有效阻斷剪裂帶之發展，吸收斷層錯動傳遞至土層的能量，防止剪切破裂面到達地面形成地表破裂。因為地表未發生破裂，所以加勁基礎的地表變形較為趨緩，也因此具有較小的角變量。整體試驗研究結果顯示，加勁構造物能有效抗斷層作用，減緩斷層錯動災害。相較於未加勁基礎，加勁基礎可以有效減緩斷層錯動引致地表變形之影響，防止剪力破裂面傳播至地表、並降低基礎地表角變量。而透過增加基礎厚度、加勁材鋪設勁度與加勁材鋪設層數，皆可獲得降低的基礎地表角變量。後續研究將提出加勁構造物抗斷層作用之最佳化設計方法。研究成果期望能提升地工構造物對抗天然災害衝擊的穩定性與韌性，以期減低基礎設施構造物在災害下受損或毀壞，達到永續安全的最終目標。
圖5、斷層剪裂帶發展及地表變形之比較: (a)未加勁土壤基礎試驗照片與PIV分析; (b)加勁土壤基礎試驗照片與PIV分析
謝誌第一作者要特別感謝科技部與臺大工學院地震工程研究中心提供獎學金的支持，使其可以專心學業，致力研究，持續精進，將研究成果推廣於地震工程與災害防治之應用。