地震工程 土層放大效應

文與圖/陳慧慈 |2016.06.29
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圖一 土層放大效應實驗的模型。圖/陳慧慈
圖二 土層放大率的計算式 圖/陳慧慈
圖三 硬土層模式 圖/陳慧慈

文與圖/陳慧慈

過去的研究和地震災害調查都指出,一棟建築物的受震反應受到場址效應的影響最大。在討論場址效應時,通常會將重點放在已經介紹過的土層特性場址周期,以及這一次的主題──土層放大效應(也有人稱為土壤放大效應)。是的!「放大效應」這四個字,大家應該不會陌生才對,因為地震發生後,專家在說明原因時大都會提到。

現在請準備兩個碗,並在每一個碗放入等量的麵粉或五穀粉之類的粉狀物。先將其中一碗倒入少量的水,攪拌成如圖一左邊的樣子(相當於硬土層);然後在另一碗加入比先前多一點的水量,攪拌成如圖一右邊的樣子(相當於軟土層)。

接著用兩手各扶著一個碗,並在桌面上左右移動,會觀察到什麼現象呢?代表軟土層的那一碗晃動程度一定比硬土層的大很多,表示軟弱土層表面的地震動比底部的地震動大,這就是土層放大效應,而其比值稱為土層放大率,如圖二(土層放大率因計算過程繁複,故以下計算過程省略,僅作說明)。

實驗看到的是現象,並沒有具體的數值。現在透過一維土層受震反應分析法的土層放大率計算,讓大家對於影響土層放大率的因素有更進一步的了解。圖三為硬土層(特性場址周期T=0.16秒),而圖四為軟土層(特性場址周期T=0.5秒)。當兩個土層的底部都受到主要周期為一秒的地震波時,硬土層的放大率為1.03,而軟土層的放大率為1.41,得到的答案和實驗中觀察到的現象一樣。

不過如果地震波的主要周期為0.2秒時,硬土層的放大率為3.93,而軟土層的放大率為1.26。哇!怎麼會這樣?硬土層的放大率竟然是軟土層的三倍左右,這和實驗完全不一樣啊!不過相信眼尖的你,已經看出這是因為這一次地震的主要周期為0.2秒,非常接近硬土層的特性場址周期0.16秒(可以看成近似共振)。

一般而言,雖然軟弱土層的放大效應的確會比硬土層的大,但是經由前面的說明,大家也應該了解到,在某些特殊的狀況下會出現相反的狀況,其關鍵因素就是地震波的主要周期。這再一次說明了,在探討土層放大效應時,除土層的性質外,也必須掌握好到達場址底部的地震波特性。不過這也是最困難的部分,因為每一次的地震波都不同。

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