IMG-LOGO

地震的場址效應與校園防災

國立暨南大學土木工程學系廖博毅兼任副教授 09/05/2019 359 點閱

       地震波經過岩盤上方沖積層之後,會特別放大地震波中某些頻段的振幅,並延長地震波的震盪時間,此種現象稱之為場址效應。1999年921集集地震發生,對埔里鎮、南投市及台中港區等地產生相當嚴重破壞,造成房屋倒塌、毀損及人員傷亡,而這些產生破壞的地區,恰巧與所在的區域場址有正相關聯。因此,本文從地震學的角度,蒐集並整理關於場址效應研究,作為學校建築物耐震設計及未來校舍重整建時的參考,提供學校思考防災教育規劃與發展時,一個值得注意的方向。

       當斷層受外力作用而破裂時,會將潛勢應變累積的能量釋放,其中一部分的能量因斷層運動,轉化成摩擦熱能;另一部分則以地震波的形式傳遞到地表,當地震波到達地表後,我們可感受到地表的搖晃,此即是我們常說的地震。影響地震波形成的因素,大致可以分成三大種類:震源(source)、震波傳遞路徑(path)與場址效應(site)。然而地震震源破裂行為,必須利用地震發生後,從各測站所收到的地震波並配合數學的逆推理論,才能夠稍作了解(Liao and Tsu, 2013);而震波傳遞路徑涉及地下岩體材料及其相關的速度構造;場址效應則與建築物所在的地下沖積層厚度與地形有關,與學校的校舍及地震工程頗為重要,因此本文集中在場址效應於建築物與防災活動的探討。

       過去歷史中,因場址效應將地震波振幅放大,進而造成建築物嚴重破壞的例子,最顯著的是1985年墨西哥大地震,此次地震由於大批高樓的倒塌而導致約 1 萬人喪生,幾十萬人無家可歸。當地震波傳遞到墨西哥城時,一開始大家以為震央應該在墨西哥市附近,後來經過地震的定位,才發現地震的震央卻是位於遠離墨西哥市 350 公里以外的米卻肯(Michoacán),這與我們對地震波的衰減了解產生強烈反差。依照一般原理,一個大地震發生後,不同地區的地震波之振幅應該隨著震央距增加而產生衰減,所以離震央愈遠的地區,地震波產生的影響就會愈小,但何以此墨西哥地震卻如此異常?原因是墨西哥城地下的盆地地形,延長了地震波震盪的時間,加上墨西哥城地下的鬆軟的沖積層,將地震波的振幅放大,二者相加以後,遂使地表運動的振幅幾乎與350公里以外的震央附近的振幅一樣大,而持續時間卻達到幾乎近3分鐘,遠遠大於震央處的一分半鐘左右(趙里,2007)。

       在台灣的許多地震中,同樣的場址效應也屢屢發生,例如2016年2月6日凌晨發生的美濃地震,震源發生在高雄美濃,誘發地震的斷層並未出露地表,但是卻對台南市的許多建物造成嚴重破壞。溫國樑等人(2016)認為,台南市許多地區都位於鬆軟沖積土層上,地震波的振幅與振動歷時因場址效應而放大,是造成此次災損的主要原因之一。除此之外,發生於1999年的921地震,台灣有許多地方也存在因區域場址特性,而產生地震波放大,造成嚴重災情的現象。唐昭榮(2001)利用現場微地動資料與921的地震紀錄,配合單站頻譜法,研究埔里盆地的場址效應,發現埔里地區建築物因921地震倒塌的情況與建物所在的場址有重大關聯。劉冠鈺(2002)選用215個布於埔里盆地內外的觀測站,從事現場微地動資料調查,發現埔里盆地的地形能夠放大地震的長周期波之振幅外,也同樣認為在921地震中,建物倒塌實受地區場址效應影響甚鉅。陳政治(2002)運用微地動測量資料,分析場址第一共振主頻fp與土壤潛在液化值,發現921地震的地震波傳遞到南投市時,因場址效應而將震波的振幅放大之區域,同時也正好是土壤液化最嚴重的地區,即是在貓羅溪沿岸。

       由以上研究資料可知,對於地質的了解,在防災工作及防災教育上,是一件相當重要的事情,因為事前了解地質的特性,可以預先做工程設計,減少災害的產生與損失。此外,能夠做好災前的準備工作,降低因地震所產生的破壞,對於保障師生安全,營造安全和諧校園,提升學生防災意識,增加學生防災知能,都有相當重要的意義。

       要探討區域場址效應,通常有二種方法,一為雙站法,另一為單站法。所謂雙站法即是選擇分別位於岩盤站上與沖積層上的二個測站,此二測站距離需緊鄰,再分別對二個測站所收之的地震資料做傅立葉轉換(Fourier Transform)轉換至頻率域後,將二者相除,便可得到此地區的場址轉換函數,找出其第一共振主頻fp與地震波的放大倍率。但是這個方法在廣闊的沖積平原上,就難以適用,因為岩盤站不容易找尋;此外,當地震規模太小,岩盤站的地震儀也較難啟動以紀錄地震波,也就無法計算場址轉換函數。

       因此,Nakamura(1989)提出單站頻譜比法,即是運用單一測站所收到的三分量(東西、南北向的水平分量與垂直分量)中,將水平分量與垂直分量分別做傅立葉轉換後,再做相除,計算頻率域的轉換函數,以求第一共振主頻fp,如圖一所示。單站法的優點是方便計算,機動性高,只需要運用微地動儀接收訊號,就能夠迅速得到結果,但是其所算出來的震波放大倍率,與實際相比則會產生較大的誤差。

       Ohta等人(1978)得到下列的經驗公式

       Vs =fp× 4H (1)

       其中,Vs 為地震波中的S 波在地層中傳遞的波速,fp是沖積層的共振頻率,H代表沖積層厚度。由此可知,若地層中Vs已知,則配合單站法計算所得的fp,可以計算土層的厚度。因此,如果測站夠密的情況下,可以知道地下沖積層的厚度的分布,從而計算整個地下的地形構造,提供建築物的選址基礎,也可在選擇新建學校之時,提供一個重要參考。

       其次,由公式1也可知,若H相同的情況下,Vs與共振頻率fp成正比,而通常鬆軟土層中的Vs較小,因此相對應於共振頻率fp較低的震波,當地震波低頻的能量傳到此鬆軟土層處,就較容易引起此土層的搖晃而使地震波的振幅加劇,這現象正好說明1986年11月15日,花蓮外海發生芮氏規模6.8的地震,臨近震央的花蓮並沒有太大的災情,但距離震央100多公里的臺北地區,當較低頻的震波到達時,遂引發場址共振效應,進而造成大樓倒塌的嚴重災情。反之,堅硬土層的Vs較大,其對應的共振頻率較高,所以較易與地震波的高頻的能量起共振,在地震波中,低頻能量衰減慢且振幅較大,能夠傳遞到較遠的地方,是以場址效應的探討與震波低頻的能量有較大關係。伽利略(1564〜1642)發現當一單擺受力時,會有一固定的擺動頻率,此頻率會和擺長開根號成反比,此特定頻率稱為自然振動頻率。同樣的,當建築物受外力作用時,也會產生反覆的來回規律震盪,來回一次所需的時間,就是建築物的自然振動週期,而從物理知識知道,週期的倒數即是頻率,故建築物的自然頻率F可簡單的表示為

       F=1/(樓層)×10 (2)

       依照F的定義,四層樓高的校舍,對應的自然頻率為2.5Hz;10樓高的大樓,自然頻率約為1Hz。根據公式2可以清楚了解,樓層越高,其自然頻率越低;反之,樓層越低,其自然頻率越高。因此,當沖積層越厚或越鬆軟的情況下,其位址應避免蓋高樓建築,因為若地震波的主要能量集中在低頻部分或接近fp,此頻段的能量經過此厚沖積層時,振幅將被放大,而高樓的自然頻率假使也近似於fp,則此樓房將會產生共振現象而搖晃加劇,從而嚴重毀損或至倒塌。

       在教育現場上,當蓋新的校舍時,除了考慮師生教學活動的需求性之外,尚應考慮地底下的條件限制,避免蓋出來的校舍的自然頻率F,接近所在位址的共振主頻fp,而產生共振現象,當地震發生時,加劇建築物的搖晃,產生嚴重破壞,進而造成師生的傷害。此外,在沖積扇平原上,位址包含較多厚鬆黏土和砂層,當大地震的低頻能量傳至此處,將會引發共振,產生較大的搖晃,因此若校舍位址落於此區域時,應特別注意結構耐震設計,其要求應當比蓋矮房更加嚴謹較為適當。

       對於現有已存在的建築物,若其自然頻率與位址的共振主頻相近時,在地震防災上,可以在校舍補強的施工前,特別規劃增加此棟建築物的地震力強度,從而增強此建築物的耐震能力,避免建物倒塌傷人。此外,也應減少此建物的附加設施與外掛磁磚黏貼,避免當地震波來襲時,其附加設施因為劇烈搖晃而掉落,阻擋逃生動線或危及師生安全。在此棟建築物內,相關的陳設、書櫃、電風扇等會因劇烈搖晃而掉落或傾倒的物品,應特別運用器材將其固定,避免學生在緊急避難時,因其傾倒或掉落而造成無謂的損失與延緩師生逃生的時間。最後,校園中規劃防災演練的疏散動線,對於此棟建築物應多做妥善考量,對其外在設施,如棟與棟之間的連結通道,必須盡量避免使學生通過,以免地震發生時,通道斷裂造成傷害。對環境的清楚了解,配合精細的防災規畫與精熟的疏散練習,是在目前地震防災中,能將損失降到最低的最佳方法。

       地震造成建築物的毀損原因相當複雜,無法歸咎於單一原因。本文純粹以地震學及過往地震災害的範例中,就場址效應加以探討,並分享相關的概念,從而可以清楚了解到,若建築物位置落於相當鬆軟土層上方時,即使地震發生在相當遠的位置,當地震波傳遞到此地時,也有可能造成這些建築物的倒塌。因此在校舍的選址與建築設計時,必須考慮場址的效應,避免災害發生。此外,應考量現有建築物的自然頻率與所在場址的關係,事先預防並做好防範,才能有效減少災損,進而保障師生的安全。

 

 

參考文獻

Nakamura, Y. (1989). A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on the ground surface, QR, of RTRI. 30, 25-33.

唐昭榮(2001)。探討埔里地區之場址特性。國立中正大學地球物理所:碩士論文。

陳政治(2002)。探討南投市暨霧峰地區土壤之液化特性。國立中正大學地球物理所:碩士論文。

劉冠鈺(2002)。以微地動量測探討埔里盆地之場址效應。國立中央大學應用地質研究所:碩士論文。

Huang, H.C. and C.R. Tarng (2005). Site Characteristics of the Puli Area, Taiwan, TAO, 16 (2), 467-485.

趙里(2007) 全波場波形分析:地震學研究的新方向。中央研究院周報,第1115 期,2-4頁。

Liao, B. Y. and T. W. Sheu (2013). Slip distribution of the Tohoku-Oki earthquake (Mw 9.0) inferred from the refined Homomorphic Deconvolution Method, Journal of Asian Earth Sciences, 73 (5), 263-273.

溫國樑、林哲民、郭俊翔、黃雋彥 (2016) 地震災害及成因。科學月刊,第562期,770-775頁。

Ohta ,Y., H. Kagami, N. Goto, and K. Kudo (1978). Observation of 1- to 5- second microtremors and their application to earthquake engineering. Part I . comparison with long-period accelerations at the Tokachi-Oki earthquake of 1968, Bull. Seis. Soc. Am., 68,767-779.                             

                                          

圖一 在測站TCU074上,運用單站法配合微地動所測量的訊號,計算場址轉移函數(細線)與運用單站法分析地震訊號所計算之場址轉移函數(粗線)之比較。橫坐標是頻率,縱坐標是比值,從圖可以看出共振主頻約落在1.5Hz。(摘自Huang and Tarng, 2005)

 

分享: