逆斷層錯動引致上覆土層變形行為及對結構物影響之研究

根據近幾年來世界上幾個著名災害性地震之調查結果,顯示近斷層結構物受到地震破壞之原因。除了強地動之慣性力外,另一主要因素為斷盤錯動所導致之上覆土層變形。以921集集地震為例,在斷層作用時之斷層帶附近,大多數結構物均遭受到嚴重損毀。然而少數結構物即使位於斷層帶,結構體本身卻僅有剛體位移或轉動而未受損。因此斷層作用時,覆蓋在斷層帶上面的土層在斷層作用所反應之出來的行為與變形對結構物之影響,實有進一步研究之需要。由於台灣之活動斷層主要為逆斷層,因此本研究針對逆斷層,使用無凝聚性砂土模擬上覆土層之材料,進行小尺度砂箱實驗,探討斷盤錯動時,上覆土層變形行為及對結構物之影響。並以砂箱實驗配置與實驗所得之材料參數進行數值分析,以測定邊界條件及輸入參數之合理性。再將已驗證之數值分析工具,以全尺度數值分析探討斷層作用時上覆土層變形行為,及其對地下潛盾隧道及淺基礎之影響。由砂箱實驗結果顯示,逆斷層隨上盤抬昇時,斷層面向上擴展。斷層面路徑為一曲線,隨接近地表而與水平方向夾角由陡變緩。當基盤抬昇比(基盤鉛直抬昇量與土層厚度之比值)為0.3時,產生兩條斷層面,斷層面由上盤向下盤發展。其主要變形區域,集中於一個三角形剪切帶中。其剪切帶之大小(為三角形之頂角角度)與斷層傾角有關,斷層傾角較緩頂角角度越大。當地下隧道位置接近三角形剪切帶時,斷層面擴展路徑受到隧道之影響而產生分支之現象,隧道本身亦產生明顯之變形。同樣地,淺基礎位置接近三角形剪切帶時,亦會造成斷層面路徑改變。其斷層面路徑隨淺基礎位置不同而有向下盤偏移或受基礎角隅牽引等現象。當以砂箱實驗配置所進行的數值分析結果顯示,由塑性應變集中帶之位置、發展先後順序與砂箱實驗結果相當,可以用來判斷預測砂箱實驗斷層面之位置及發展過程,驗証數值分析工具之可行性。由全尺度數值分析結果顯示,斷層作用引致上覆土層變形,其塑性應變集中帶大小,受到斷層傾角、覆土材料參數(包括:楊氏模數、柏松比、凝聚力、摩擦角及膨脹角)等參數影響。其中以斷層傾角、楊氏模數及膨脹角等參數,對塑性應變集中帶影響最大。當斷層傾角越小,塑性應變集中帶越大呈負相關,而楊氏模數及膨脹角呈正相關。當地下隧道位置接近塑性應變集中帶時,會使塑性應變集中帶產生分支之現象,而有明顯之互制行為。當以隧道襯砌所受之軸力與彎矩分析,顯示隧道越接近塑性應變集中帶時,其所受之彎矩量越大,隧道環片破壞程度越高,且位於下盤之隧道破壞程度會較位於上盤者大。同樣地,淺基礎位置越接近塑性應變集中帶時,亦會使塑性應變集中帶產生分支之現象而有明顯之互制行為。造成剪切帶轉向與基礎位於剪切帶之位置、基礎載重等因素有關。當基礎位於塑性應變集中帶之下盤側,造成塑性應變集中帶轉向所須之載重較上盤側低。當基礎越接近斷盤錯動面時,其所須之載重越大。此外,基礎之剛性,造成剪切帶轉向之現象較為明顯,因此對於接近塑性應變集中帶之淺基礎,增加基礎之剛性,將較可能確保基礎之完整。在工程實際應用上,常以應力觀念為主,當由危險因子(安全因素之倒數)分析,顯示危險因子可以反映土壤之應力狀態,與即將到達破壞狀態之區域。當以隧道襯砌所受之軸力-彎矩與危險因子作為比對,也得到良好之結果,因此未來工程設計應用方面,可利用危險因子作為土壤與結構互制之初步評估計之參考。本研究經由砂箱實驗與數值分析所得有一致結果,因此未來在進行特定工程之地中或地表結構物之受震危害度時,可利用現地斷層特性、土壤分佈及土壤力學參數與結構物之特性,配合數值分析工具,進行定量模擬分析。

作者:鍾春富