土壤液化

文˙圖／莊文星

　　台灣地狹人稠與海爭地，因而在海岸工程方面，常抽沙填方造陸，新生的土地尚未壓實，地震搖晃極容易產生土壤液化，因而防範措施方面，多年來已稍有研究，但土壤液化造成大災害個案的報導則少見，而令大多數民眾相當陌生。然921集集大地震引發土壤液化的現象則相當普遍，且造成重大損失。除沿海的台中港、彰化縣伸港鄉等地區外，內陸的南投、霧峰、員林等地區也都有土壤液化的災情發生。

土壤液化的原因

　　土壤液化是由固體狀態的土壤混合水搖晃轉化為泥漿狀態的行為。就地質材料而言，顆粒愈細的沉積物愈容易產生土壤液化。一般有兩種土壤可能會發生這種現象：一是黏土；另一是細砂或粉砂質土壤。一般黏土易發生液化是起因在原本於海中沉積之黏土，隨地殼隆起抬升成為陸地後，由於長期受雨水或地下水浸泡淋蝕，沉積物中鈉、鉀等帶電荷離子逐漸流失，喪失電荷的支撐結構力，受震動後極易發生土壤結構崩潰瓦解。細砂或粉砂質土壤的液化則導因於土壤顆粒小，顆粒間的孔隙更小，雖然顆粒間尚有孔隙殘留可以相連通，但容易堵塞、阻力大，水的流暢不易，排水十分緩慢。地震引發地表岩石、沉積物或地層破裂，局部區域地下水的分布將重新調整。在山坡地與平地接攘或較低窪的有些地方，沿著破裂帶使得較高處的地下水湧入，水壓力剎時增強，甚至直接噴出地表，形如湧泉（圖1與2） 。

圖1.921集集大地震員林鎮崙雅里土壤液化嚴重，水井冒出泥水形如湧泉。

圖2.泥水湧出後古井塞滿了砂土已無水可汲。

　　低窪地區，含水過飽和的泥質沉積物，更由於加上地震波的壓力刺激，孔隙水一時無法即時排出疏通以消減、緩和壓力，而在孔隙中形成超負荷孔隙水壓。當總孔隙水壓超過土壤圍壓時，土壤的抗壓摩擦力剎那間消失，又因砂土的黏滯力本來就不大，因此瞬間抗剪力強度將消失於無形。土壤受力將以化為無限變形對應而成為液體狀態的泥漿，引發土壤液化現象（圖3） 。由於液化的泥漿已失去了抗剪能力而無法維持固定形狀，形同流體，體積膨脹質輕上浮，並可順勢自由下滑流動。如發生在地表面，輕微則可能僅是水析出地面變得溼潤；或是因沿地面斜坡順勢流動下滑而發生砂土泥漿流動。但液化土壤層上若有其他無法液化的礫石、沙土層或其他人工結構物存在時，這些上覆層會因失去支撐力道，而瞬間發生移位與沉陷。因不等量沉陷極易引發張力而造成地面破裂（圖4） 。嚴重的情況下，甚至有些大規模土壤液化的源地如為斜坡地勢，有時還會有順坡滑動移位而產生側向擴展或流動潰決等所衍生的二次破壞。土壤液化時下層液化的泥漿會沿著上覆岩層或土壤的裂隙或舊有的水井孔道等冒出溢流至地表（圖1） ，而發生噴砂甚至形成小規模的砂火山等現象。如液化泥漿突破重圍衝出地表，也會造成地面隆起或破裂等現象。

圖3.員林鎮崙雅里土壤液化，地下砂泥由農舍地板破殼而出，泥潦布滿整個曬榖場。

圖4.員林鎮崙雅里土壤液化引發房舍下沉，庭院地板龜裂。

土壤液化實驗與野外地質觀察

　　台灣東部海岸山脈南端台東富崗漁港小野柳風景區所出露一套特殊的砂頁岩地層可能為夾於利吉層之泥岩中的一塊巨大的外來沉積岩塊。這個沉積岩塊具有典型由濁流造成的沉積構造，包括未固結前由液化所造成的沉積變形構造、水逸流脫水構造等，提供了極佳的土壤液化野外科學考察寫照場所。實驗方面可將砂覆蓋於未固結的黏土之上作實驗，並加以搖晃震動，可觀察到砂因質重下垂擠入泥中，一步步下沉而成為球莖狀突出物，與上層砂（母層）分離之瘤狀團塊。此由重荷變形而逐漸發展成似結瘤而稱為假結瘤（核）之沉積構造（圖5與6）。

圖 5.東海岸小野柳風景區假結核構造

圖 6.假結核形成示意圖

　　液化的沉積物水分含量多，在重力的誘導分離下，局部水分將逸出，造成各種脫水構造，如碟狀構造（圖7）。碟狀構造的形狀像一個盤子，從垂直剖面觀察，其兩端向上凸。其形成乃因脫水作用水逸出時，顏色較深的泥質沉積物聚集而成的沉積構造。砂泥液化混雜後，容易造成砂層貫入泥層的種種貫入構造，如砂脈（圖8）、砂火山（圖9）。貫入構造係因砂層在堆積淺埋後，由於液化砂層中的高孔隙水壓突然沿著節理或破裂面釋放，使液化的砂層擠入泥層中。砂火山則是液化的砂層衝出上升堆積於表層而造成（圖9）。

圖7.濁流砂岩塊中之水逸流造成碟狀構造及其示意圖（右）

圖8.沉積物未固結前因地震震裂砂土液化擠入重新填充形成砂脈

圖9.砂火山之倒轉底部