文與圖／陳慧慈

建築物感受到的地震動強度，雖然受到地震規模與震央距離的影響，但是它所在位置的場址效應影響更大。想要了解場址效應，當然就必須進行土層受震的反應分析。

為什麼需要知道土層的特性場址周期呢？這是因為當地震波的主要周期和土層的特性場址周期接近或相同時的共振效應，會讓土層產生很大的地震動，當然作用在建築物的地震力也就變得很大，危險度也隨之增加。

所謂的三維空間，是指一個空間位置需要三個坐標。一維就是只需要一個坐標，因此一維土層受震反應分析就是說分析時，只用了一個水平方向的坐標（相當於左右振動），讓分析變得很簡單。

各種土層受震反應分析法中，最簡單的是「一維土層受震反應分析法」，它是基於三個假設：（一）土層底部為堅硬的岩盤。（二）土層呈水平層狀分布，並向兩側延伸到無限遠。（三）地震波是從岩盤垂直進入土層（垂直入射）。

圖一為滿足這三個假設條件的土層示意圖。可是這三個假設合理嗎？在回答這個問題前，得先再談一下波的折射，它是波由一種介質進入另一種介質時發生的，而已知的入射角和兩個介質的波速，帶入斯涅耳（Snell）折射定律計算後就可得到折射角。由圖二的說明可知，當地震波由波速大的介質進入波速小的介質時，折射角會變小。

土層是經過非常長的時間堆積而成的。由於地球重力的影響，堆積的層次一般而言會接近水平，除非是因為斷層錯動（圖三）或是在地底下的斜面附近。此外，隨著深度的增加，土層會因為受到的壓力增大，而變得更堅硬，當然波速也就愈大。

當地震波從地底向地面傳播時，經過的地殼與土層的波速是由大變小，因此折射角會不斷的變小；參照圖二的說明，當折射角很小時，再繼續往地面傳播，地震波就可以看成是垂直入射波了。通常震源深度都是數十公里，因此在分析厚度為幾十公尺的土層的場址效應時，上述三個假設是合理的。

一維土層受震反應分析法雖然最簡單，但是它的分析結果對於我們了解場址效應卻有很大的幫助。其中一個重要結果就是土層的特性場址周期的計算，其計算式及說明寫在圖四內。

話說回來，要怎麼避免土層受震帶來災害呢？其實也不困難，因為結構動力學理論指出，只要在設計時讓建築物的自然周期遠離土層的特性場址周期就可以了。這也說明了為什麼在耐震設計中，必須掌握地震波的主要周期、土層的特性場址周期和建築物的自然周期。