¶ 高速公路耐震補強工程具特殊性之補強案例資料｜14. 直接基礎座落於液化潛勢土層之地盤改良（1／2）
發布機關：交通部高速公路局
版本／性質：111年7月；耐震補強工程案例
原始來源：官方出版頁 ｜ 官方原始PDF
使用提醒：本件為111年7月出版的耐震補強案例資料，非通用設計或施工規範；各專題的地震需求、地質條件、材料數值及施工限制須連同原工程背景閱讀。
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-以M38B 標國3 和美交流道為例
閱讀提醒：原件數值差異：摘要與結論（原檔第141、149頁）記載經費30億元降至8億元；正文2.1（第142頁）則寫18億元降至7億元，原書未說明兩組數字的範圍差異，本站不擅自統一。液化潛能及差異沉陷門檻亦為案例採用條件，不代表所有工程的通用容許值。
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¶ 原檔第140頁
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直接基礎座落於液化潛勢土層之地盤改良 -以 M38B 標國 3 和美交流道為例
¶ 原檔第141頁
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直接基礎座落於液化潛勢土層之地盤改良 -以 M38B 標國 3 和美交流道為例 摘 要 和美交流道區橋梁既有直接基礎部分座落於具液化潛勢土層，其補強策略可採增樁方式將 基礎置換為樁基礎，避免基礎沉陷，惟工程經費估計達 30 億元，工程經費龐大。經檢討，透過 調整土壤液化基礎沉陷之耐震性能，並搭配土壤圍束及地盤改良方式將基礎沉陷量將低至容許 值內，使整體補強經費降至 8 億元。 關鍵字：液化、地中壁、高壓噴射樁、地盤改良、震陷 一、前言 「公路橋梁耐震設計規範」(107.12)解說 C8.1 節說明，土壤產生液化時將導致結構物下陷或 上浮、基礎水平抵抗力降低及產生大變形等現象。C8.1.2 節說明，橋墩基礎層以下的土層若發 生液化，且該基礎未作適當處理，則可能造成基礎沉陷或橋梁傾斜破壞。由國內外之地震，如 921 集集大地震(1999)、智利大地震(2010)或日本 311 東北大地震(2011)，及花蓮地震(2018)，均 有因液化而造地層下陷之現象，圖 1 為花蓮港區沉箱與後線背填接合處有明顯龜裂地面沉陷可 達 50cm(NCREE, 2018)。為確保國道之安全，應將此液化震陷量對橋梁之安全影響列入評估。 圖 1 花蓮港區沉箱與後線背填接合處地面沉陷 14-1
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二、液化震陷評估與補強 2.1 液化震陷評估成果 和美交流道群長約 2 公里，原設計鑽探共計有 6 孔，高速公路後續路段橋梁耐震補強工程 (區段 2-1)(以下簡稱「本案」)第一期補充鑽探 2 孔，原設計及本案兩者深度 20 公尺內土層標準 貫入試驗 N 值差距達 10～50，對液化潛能指數評估與震陷之估算深具影響。因液化震陷評估合 理性需求，再補充 26 孔，因原設計鑽探孔局部孔位離路線較遠且局部孔位地層有差異，故液化 評估之地質資料引用自本案補充鑽探資料。 本案第 M38B 標初步設計原方案針對具有液化潛勢之基礎均採增樁托底方式補強，其補強 經費約計 18 億元，後續考量部分基礎液化潛能指數(PL 值)≦5 且震陷量小於 0.004rad(連續梁) 者，屬於低度損害程度。故本標僅針對液化指數(PL 值)>5 者且震陷量大於上述容許值之基礎進 行補強，補強工法亦選用「地質改良」、「地中壁圍束」或「增樁托底」等工法，已降低補強工程 費約至 7 億元，節省約 11 億元。 經整理本標橋梁基礎為淺基礎者且具液化潛勢者(PL>5)，有和美交流道匝道一、二、三、五、 六、七、八高架橋，和美交流道聯絡道西行線，彰化一號高架橋，合計 167 墩，詳如表 1。多數 橋墩約位於里程 190k+700~192k+600 之和美交流道系統與彰化一號高架橋。 有關液化引致震陷之分析方法，因國內規範尚未規定，依據 Seismic Retrofitting Manual (FHWA, 2006)、Remedial measures against soil liquefaction (Japanese Geotechnical Society, 1998)建 議，液化引致震陷可採用 Tokimatsu and Seed (1987)之評估方法。本報告採用 Tokimatsu and Seed (1987)法，日本學者 Tokimatsu and Seed(1987)指出當地震來臨時，飽和砂土承受反覆荷重，孔隙 水壓升高而使得砂土層強度降低，產生砂土層液化現象，而這些超額孔隙水壓開始經由地表排 出時，砂土層伴隨產生若干的體積變化，而在地表面產生沉陷的現象。利用圖 2 中(N1)60與 CSR(土 2 壤反覆剪應力比)之關係，得到砂土在任何相對之(N1)60 (1kgf/cm 下之修正 N 值)下之體積應變量 εν 值，進而可計算每一砂土層液化後的下陷量δs。有關標準貫入試驗錘擊能量比，依據建築物耐 震設計規範及解說草案(106.12)之 11.1.3 節之解說，「…對於沒有進行錘擊能量檢測之鑽孔，依 過去經驗顯示，原則上，自由落錘可採用 70%能量比輸入，而拉索式落錘可採用 60%能量比輸 入。」，目前國內標準貫入試驗多採用拉索式落錘，故本案落槌能量以 60%分析。 Tokimatsu and Seed (1987)法之 CSR(土壤反覆剪應力比)如下式： 𝐴 𝜎 𝑚𝑎𝑥 𝑣 CSR = 𝛾 𝛾 𝑛 ′ 𝑑 𝑔 𝜎 𝑣 式內 Amax ：本工程水平地表加速度 σv ：總覆土應力 14-2
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’ σ ：有效覆土應力 v γ ：應力折減係數 d g : 重力加速度 𝛾 = 𝑀 − 1，M 依據建築基礎構造規範草案(108)建議，彰化地區取 M=7.3 𝑛 地中壁抗液化原理如圖 3 所示，利用具勁度之結構體進行圍束，其作用在降低地震引致之 剪力波，可有效抑制反覆剪應變及超額孔隙水壓力之發展，進而限制土壤液化所衍生之變位量， 減少地震引致之沉陷。有關其分析理念，依據日本國土交通省指針(2019 年)及內田明彥博士(2018 年)之建議，格子狀地改簡易設定法如下列公式。 𝐴 𝜎 𝑚𝑎𝑥 𝑣 ′ ′ CSR = 𝛾 𝛾 ∗ 𝐹𝐿(𝐿) ∗ 𝐹𝐺(𝐺) ∗ 𝐹𝐻(𝐻) 𝑛 ′ 𝑑 𝑔 𝜎 𝑣 式內 CSR’ ：設置格子狀地中壁後之土壤反覆剪應力比 L ：格子狀地中壁之淨間距,m FL(L) ：淨間距L之折減係數，FL(L)=0.29ln(L)-0.12，4m≦L≦20m FG(G)：地中壁材料剪力模數G之折減係數， FG(G)= -0.45ln(L)+3.94，L≤9m FG(G)= -0.33ln(L)+3.16，9m<L≤19m 2 FG(G)= -0.21ln(L)+2.38，19m<L≤20m，350<G(N/𝑚𝑚 )≤1,400 0.01𝐻 FH(H)：考慮液化土層深度之折減係數，FH(H) = 0.87𝑒 ，H≤20m ′ γ = 1 − 0.026Z，Z為液化土層之深度(m) d 14-3
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表1 和美交流道區基礎為淺基礎者且具液化潛勢者(PL>5) δt 橋梁名稱 墩柱數目 Amax PL (CM) 20 和美交流道匝道一高架橋 0.368 5.0~28.7 7.9~27.1 (P101~P119, A1) 5 和美交流道匝道二高架橋 (A1, P201~P202, 0.368 7.2~7.5 9.8~14.0 P204~P205) 7 和美交流道匝道三高架橋 0.368 10.9~16.1 17.6~25.9 (A1, P301~P306) 7 和美交流道環道五高架橋 0.368 9.9~29.8 10.5~29.0 (P501~P506, A1) 6 和美交流道匝道六高架橋 0.368 15.9~18.6 16.1~22.5 (P601~P605, A1) 20 和美交流道匝道七高架橋 0.368 8.3~16.1 8.8~26.0 (A1,P701~P719) 11 和美交流道匝道八高架橋 0.368 7.3~13.2 11.6~22.2 (P801~P810, A2) 12 和美交流道聯絡道西行線 0.368 7.7~18.9 8.8~22.6 (A1, P1101~ P1110,A2) 41 彰化一號高架橋 S 0.368 5.5~18.4 5.2~24.6 (PS1A~PS1D, PS4~38) 38 彰化一號高架橋 N 0.368 5.2~18.0 6.0~24.2 (PN3~40) 說明：本工程水平地表加速度：Amax，本工程液化潛能指數：PL，液化震陷量：δt 圖 2 Tokimatsu and Seed(1987)液化震陷評估曲線 14-4
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液化潛能指數 PL 定義地盤液化之損害程度，PL≦5 則為低度液化，Iwasaki et al.(1982)說明 液化引起結構物危害程度，液化危害性低，一般不致引起明顯之震害，因此本標以 PL≦5 時可 忽略引致之震陷問題進行後續補強評估。結構部分依 AASHTO LRFD 第 10.5.2.2 節之內容：容 許差異沉陷量為 0.008rad(簡支梁跨度)，0.004rad(連續梁跨度)，經檢討仍有 87 墩(表 2)，其震陷 量大於容許值，基本上須進行補強。 圖 3 地中壁圍束工法抗液化原理 表 2 本標橋梁基礎為淺基礎者液化震陷超過容許值之橋墩 淺基礎液化震陷量>容許沉陷量之墩柱數目 橋梁名稱 (施作 108AH 補充鑽孔後總計墩數) 和美交流道匝道一高架橋 14 (P105~P115, P118~P119, A1) 和美交流道匝道二高架橋 0 和美交流道匝道三高架橋 7 (A1,P301~P306) 和美交流道環道五高架橋 2 (P501~P502) 和美交流道匝道六高架橋 6 (P601~P605,A1) 和美交流道匝道七高架橋 13 (P707~P719) 和美交流道匝道八高架橋 7 (P801~P805,P808~P809) 和美交流道聯絡道西行線 7 (A1,P1101~P1104,P1108~P1109) 彰化一號高架橋 S 16 (PS1D,PS5,PS11~PS12,PS15~PS16,PS22~PS23,PS26~PS33) 彰化一號高架橋 N 15 (PN5,PN11~12,PN15~PN16,PN22~PN23,PN26~PN33) 合計 87 墩 14-5
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2.2 液化震陷補強 補強方式若以增設基樁方式補強，採擴座增樁方式將樁長穿過液化層至適合承載層以克服 液化問題，或以大地工程工法克服，可考量地質改良、降低地下水或地中壁等工法(如圖 4)。其 中地質改良在既有基礎下方施作，需考慮斜灌之工程管理；降低地下水有區外排水與管理不易 之問題；地中壁工法可降地液化引致之沉陷量並使淺基礎均勻下陷。經評估和美交流道橋群基 礎及施工環境特性，原則上採用地中壁圍束工法，地中壁主要採用具勁度之結構如鋼板樁、無 筋全套管樁或地質改良樁。其中鋼板樁考慮鏽蝕因素與勁度需求，以 YSP-V 型式適用，因該型 國內未量產，進口則工程費過高不具經濟性。就經濟性與施工性而言，橋下淨高大於 8m 者以無 筋全套管樁為佳(樁徑 1.0m)；淨高小於 8m 者，因全套管樁施工困難，採用高壓噴射水泥樁(有 效厚度為 1.0m)。地中壁圍束工法之樁身穿過液化層，施作起點則以自淺基礎頂部起至地表下 21m。 部分區域如橋台無法形成圍束效應或基礎位於匝道處施作地中壁有困難者，則以基礎下方 之液化範圍，考量基礎正下方斜灌困難且易因灌漿壓力集中致使淺基礎有頂升變位過大之虞， 經評估地表下 9~17m 範圍進行低壓灌漿地質改良以提高克服液化能力，並將震陷量降至容許值 以下，該低壓灌漿選用國內成熟且品質控管較佳之雙環塞灌漿工法。 (1) 地質改良工法 (2) 降低地下水工法 14-6
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(3) 地中壁隔絕工法 圖 4 克服液化之地工方法：地質改良、降低地下水或地中壁 圖 5 低壓灌漿示意圖 14-7
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