國立臺灣大學土木工程學系 李珩
土壤液化與我們的關係
在臺灣這種高降雨、多地震的地方，土壤液化是我們很常聽到的一個名詞。但大部分的人卻不明白發生的原因以及條件，使自己就算身在危險之中卻也毫不知情。因此既然身在臺灣，多了解土壤液化這類的災害是必要的。
何謂土壤液化
土壤液化是指固體的土壤，在一定的條件下，其性質轉變為液體的狀態。也就是土壤被「液體化」。這樣的現象會使得土壤的強度大幅下降，可能引發建物損壞等災害。
如何改變土壤性質
要了解土壤液化，首先我們需要先了解土壤，並知道如何改變其性質以接近「液態」。我們可以把一塊土粗略的分為土壤和土壤間的小空隙，這些小空隙又有部分是水，部分是空氣。也就是說一塊土可以分成土、水、空氣三個部分，並且通常土壤的物理性質會隨著水分的多寡而改變。既然有這三種組成，也就可以合理推測，藉由改變三者之間的比例，也就能改變其物理性質，達到液化的狀態。在一單位的土裡面，我們給定土跟水各自的比例，也自然就能得到空氣的比例，但這只是土壤內部，我們需要再考慮外力造成的影響，所以要達到土壤液化有三個條件要達成：
- 水
- 土壤顆粒（土）
- 地震（外力）
先從土壤內部顆粒之間的力學關係講起。土壤顆粒堆疊之後，彼此之間會互相擠壓，這個擠壓的力稱為「有效應力」，有效應力越大，也表示該塊土壤的強度越強。可以想像小時候的球池，球彼此之間擠壓的力很小，所以我們一坐上球池就會下陷，但今天若把球都換成實心鐵球，你可以想像坐上去大概就跟天堂路一樣，並且這些球可能也不大會動，這就是因為有效應力比較大。
圖一 有效應力示意圖[1]
水的影響機制
剛剛只考慮到土壤顆粒之間的關係，還沒說到水的影響。把水加進去之後，水的水壓會讓有效應力降低，這個水造成的壓力稱為「孔隙水壓」。這有點接近浮力的概念，你可以想像這些球會試圖的往上浮，如此一來彼此之間本來向下互相擠壓的力就會降低了。此時若有效應力降為 0，則土壤顆粒就像是完全浮在水中一樣，喪失自身的強度。
外力的影響機制
但事實上土的比重比水大，照理來說有效應力不會是 0 吧（對有效應力還是不大了解的話可以先暫時理解為浮力）？看起來是這樣沒錯，但這裡並沒有考慮到外力的介入。假設今天發生了地震，那麼這些土壤中的孔隙也會跟著顆粒的移動而受到擠壓，若孔隙完全都被水填滿了，則此時會使得孔隙水壓上升，有效應力也就因此下降，這時候就可能發生土壤液化了。
圖二 孔隙水壓及地震關係示意圖[2]
土壤的影響機制
但這樣的擠壓其實也不見得會造成孔隙水壓明顯的上升。此時若能夠把水排掉，水壓也就能夠被釋放。這就像是在一個水球上戳了個洞，水會從裡面噴出來，同時內部的水壓也會下降，所以可以看到水越噴越慢。在這裡也是類似的概念，若這些水被排除的越快，水壓也就越不容易上升，同時可以排水的洞越多，也就代表排水越快。因此顆粒越小的土壤，也就越容易土壤液化。雖然引發土壤液化需要有顆粒夠小的土壤，但顆粒最小的土壤－黏土卻因為顆粒太小了，即使遇到地震，其內部的孔隙也不會有太大的改變，所以也不會發生土壤液化。綜合以上兩點，顆粒小但仍不至於到黏土的土壤－細砂就是引發土壤液化的條件了。
最後做個統整。土壤液化的發生條件有三個要點：首先是土質要符合，需要是細砂，孔隙夠小不易排水，卻也有空間被擠壓。第二點，需要是飽和的狀態，否則空氣本身就是可以擠壓的，就算受擠壓水壓也不易上升。最後是足夠規模的地震，才能夠讓土壤受到夠強的擠壓[3]，大幅降低有效應力。雖然這些條件看似嚴苛，但比較特別的是我們身處於地震頻繁（外力）又多降雨（水）的臺灣，需要特別留意周遭環境是否符合這些條件，才能將損害降到最低。
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