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06-26

土壤液化成因


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土壤液化与我们的关係

在台湾这种高降雨、多地震的地方,土壤液化是我们很常听到的一个名词。但大部分的人却不明白发生的原因以及条件,使自己就算身在危险之中却也毫不知情。因此既然身在台湾,多了解土壤液化这类的灾害是必要的。

何谓土壤液化

土壤液化是指固体的土壤,在一定的条件下,其性质转变为液体的状态。也就是土壤被「液体化」。这样的现象会使得土壤的强度大幅下降,可能引发建物损坏等灾害。

如何改变土壤性质

要了解土壤液化,首先我们需要先了解土壤,并知道如何改变其性质以接近「液态」。我们可以把一块土粗略的分为土壤和土壤间的小空隙,这些小空隙又有部分是水,部分是空气。也就是说一块土可以分成土、水、空气三个部分,并且通常土壤的物理性质会随着水分的多寡而改变。既然有这三种组成,也就可以合理推测,藉由改变三者之间的比例,也就能改变其物理性质,达到液化的状态。在一单位的土里面,我们给定土跟水各自的比例,也自然就能得到空气的比例,但这只是土壤内部,我们需要再考虑外力造成的影响,所以要达到土壤液化有三个条件要达成:

先从土壤内部颗粒之间的力学关係讲起。土壤颗粒堆叠之后,彼此之间会互相挤压,这个挤压的力称为「有效应力」,有效应力越大,也表示该块土壤的强度越强。可以想像小时候的球池,球彼此之间挤压的力很小,所以我们一坐上球池就会下陷,但今天若把球都换成实心铁球,你可以想像坐上去大概就跟天堂路一样,并且这些球可能也不大会动,这就是因为有效应力比较大。

土壤液化成因

图一 有效应力示意图[1]

水的影响机制

刚刚只考虑到土壤颗粒之间的关係,还没说到水的影响。把水加进去之后,水的水压会让有效应力降低,这个水造成的压力称为「孔隙水压」。这有点接近浮力的概念,你可以想像这些球会试图的往上浮,如此一来彼此之间本来向下互相挤压的力就会降低了。此时若有效应力降为 0,则土壤颗粒就像是完全浮在水中一样,丧失自身的强度。

外力的影响机制

但事实上土的比重比水大,照理来说有效应力不会是 0 吧(对有效应力还是不大了解的话可以先暂时理解为浮力)?看起来是这样没错,但这里并没有考虑到外力的介入。假设今天发生了地震,那幺这些土壤中的孔隙也会跟着颗粒的移动而受到挤压,若孔隙完全都被水填满了,则此时会使得孔隙水压上升,有效应力也就因此下降,这时候就可能发生土壤液化了。

土壤液化成因

图二 孔隙水压及地震关係示意图[2]

土壤的影响机制

但这样的挤压其实也不见得会造成孔隙水压明显的上升。此时若能够把水排掉,水压也就能够被释放。这就像是在一个水球上戳了个洞,水会从里面喷出来,同时内部的水压也会下降,所以可以看到水越喷越慢。在这里也是类似的概念,若这些水被排除的越快,水压也就越不容易上升,同时可以排水的洞越多,也就代表排水越快。因此颗粒越小的土壤,也就越容易土壤液化。虽然引发土壤液化需要有颗粒够小的土壤,但颗粒最小的土壤-黏土却因为颗粒太小了,即使遇到地震,其内部的孔隙也不会有太大的改变,所以也不会发生土壤液化。综合以上两点,颗粒小但仍不至于到黏土的土壤-细砂就是引发土壤液化的条件了。

最后做个统整。土壤液化的发生条件有三个要点:首先是土质要符合,需要是细砂,孔隙够小不易排水,却也有空间被挤压。第二点,需要是饱和的状态,否则空气本身就是可以挤压的,就算受挤压水压也不易上升。最后是足够规模的地震,才能够让土壤受到够强的挤压[3],大幅降低有效应力。虽然这些条件看似严苛,但比较特别的是我们身处于地震频繁(外力)又多降雨(水)的台湾,需要特别留意周遭环境是否符合这些条件,才能将损害降到最低。

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