土壤液化不是指土為水，而是你我腳下土地平衡的破壞
在美濃地震後，台南部分地區出現大量「土壤液化」災情。這四個字個別都看得懂但合在一起卻又有點陌生；也或許這個災害在過往的天然災害中並不算常見，即使能輕易的就能從 google或一些研究機構的說明文件查到相關資訊的介紹（譬如國震中心的網頁：安全耐震的家），仍有些民眾或是民意代表對此一知半解。
從有民意代表誤會成液化災區的土壤特別軟、一戳就凹之類的誤解，就可知道不懂的人或許真的還很多。雖然這樣的舉動會讓多數地質人的理智線斷裂，但我們還是要把事情說清楚講明白，看清楚問題的所在，才是探討土壤液化更重要的事吧？
液化一點也不簡單。感謝pansci作者廖英凱賜圖。
什麼是土壤液化？讓我們從頭開始說明
字面上的意思雖然很直觀，但實際上土壤液化並不是土變軟或是土變水的土盾或水盾忍術。在過程中土量、水量都沒有變化，本身微觀的性質也沒有什麼變化，變化的是排列方式和受力程度。土壤的排列其實十分鬆散，無論巨觀上看起來有多扎實，都有可能裡面藏著很多「孔隙」，講到孔隙就必需借用一下國震中心的圖片了：
孔隙率的計算方式示意，圖中灰色的地方是土壤，藍色的地方就是孔隙。圖來源：安全耐震的家。
大多數的情況下，土壤不會堆的很好，那些孔隙也是不規則的樣貌，但基本上砂土的顆粒和顆粒之間是有互相接觸的。有接觸就有力和反作用力的作用（工程術語叫有效應力，但為簡化說法請容許我改變一下形容方式）。一般來說這些力達到平衡時，大家會乖乖排好不會亂動，也不會有沉陷的問題發生。
但水開始進來後（多半是地下水），又是不同的情況了（跟惡魔果實能力者一樣泡在裡面會變弱），因為水會多了一個類似浮力效果的作用（孔隙水壓），感覺就像較上層的顆粒被抬起來了，對下方顆粒的作用力減少，反作用力自然也較少，強度會下降。
但是平常我們看到的情況，即使有地下水，底下還是維持著平衡的狀態，當然在建築時也常需要把水排掉，讓地質較穩固也是有的現象。但地震來時（尤其是大地震），震波的搖晃會破壞平衡，然後孔隙水壓本來就大的地方，會有以下兩種作用：
重新堆疊，排出水分，大概的情況就像下面這張圖一樣：
地震後重新排列後的土壤，排出了多餘水分。圖來源：安全耐震的家。
不過這個過程中，還有一個過渡狀態，就是土顆粒們反應不及，還浮在水中的時候，此時此地的土壤就會變成像液態般的行為，上方如果有些地方重、有些地方輕，就會有不同的沉陷方式，所以有建物的地方會垮下去也是正常的，而地震波帶來的搖晃加上建物房屋本來就不均質的關係，也會讓建物出現傾斜或地坪破壞的現象。
就像下圖的狀態（想像成地震時的瞬間快照）
筆者自繪說明土壤正在發生液化過程的圖。
啊多出來水咧？往下沒地方去（液體的不可壓縮性），當然就是往上跑，水往上跑的時候往往就會帶著泥沙噴出來，所以這次震後常見到噴砂、甚至是泥火山的現象。
以下的影片可以快速看到這兩種現象，沉陷+噴砂（深色那個推測應該是染色標記的色砂而已）
- 實驗設計者：臺大土木系翁作新教授
土壤液化若在有坡度的地方或是河岸邊，就會出現「側潰」的現象，簡言之就是有點像小規模山崩的樣子，像台南高爾夫球場的崩塌的樣貌，就有點像是類似側潰的現象（但因筆者未實際走訪，實際原因仍保留，但新聞照片看起來的確較像表面崩塌而非斷層，加上球場多以填土方式製造坡度，若底下含水量高時，遇到地震確容易發生側潰）。
快速總結一下，地震引發土壤液化的條件就是：
- 1.粒徑組成在某個範圍內的土
- 2.地下水面以下的土
- 3.夠大的地震製造擾動
土壤液化好像很可怕！怎麼辦啊？
從過往的災例來看，土壤液化使樓房傾斜損壞的災情多半是財損大於人損，對人命的安全較無立即性的危害，直接倒塌多半還是本身建物抗震能力不足所致。甚至土壤含水較高時，晃動程度還會比鬆軟但含水少的土壤小一點，大概是液體的抗剪能力強，剪力波的能量難以穿透，簡言之就是還有部分吸收地震能量的效果，所以土壤液化其實並不是那麼可怕的東西。
當然，它還是很討厭，因為發生後還是得處理，傾斜的房屋需要補強地基、地基有損毀的房屋也要花一筆錢、噴砂的現象還是得清理乾淨，還是天外飛來一筆橫禍。而且即使能修，屋主內心的陰影創傷也難以抺滅…像是下面的災情：
台南新市三民街受0206地震土壤液化影響的房子，主要結構未損壞，但地坪隆起、磚牆破裂。鍾令和博士提供。
新化當地居民提供的噴砂照片。by「鄉民地震災害學」相簿
那麼預防的方式呢？一般來說如果是「高土壤液化潛勢區」（等一下再介紹這是什麼)的地質環境，會有一些建議的施工方式，像是基盤改良、打較深的椿穿過液化潛勢區，或者直接把土壤夯實（就是叫浩克來踩一踩把孔隙變小）一點（下面幾張國震中心繪的圖也借用一下說明）。
不過這邊要特別提一點很重要的事，不是這樣做了就一定不會液化或者是房子鐵定不會受影響，只是相對起來有預防至少可以避免相關災情發生，也讓房子較為穩固，減少因地震引發的土壤液化而被破壞。
打基椿的土壤液化防治工法，即使打不到岩盤深度，夠深的話還是有一定的防治效果。圖來源：安全耐震的家。更多工法請見這裡。
地盤改良的灌漿工法，簡單來說就是把液化潛勢區的地方變成不可能會液化的水泥，並且連接到房子的地基。圖來源：安全耐震的家。
另外，修復方式也是根據類似的原理來復原，如果房屋的主要結構未受破壞，也是可以繼續修復的，但如果破壞的太嚴重，也只得砍掉重練，當然這些還是得請專業的來判斷。
用頂升和灌漿的方式修復液化傾斜的房子。圖來源：安全耐震的家。
土壤液化潛勢區公布後，房價會受影響？
那麼最近一直在說要公布的「土壤液化潛勢圖」，為什麼不早公布？難道政府是圖利財團，不想要讓房價跌？在我看來這是個假議題（至於為什麼等等會提），應該先回歸到「液化潛勢的意義是什麼？」來看，至少我們得先了解這個圖怎麼做出來的，又要怎麼解讀才正確？因為不當的解讀反而不易達到原先預想防災效果，只會徒增恐慌和讓不肖建商有更多增加建築成本的說法。
那我們先來看看何謂「土壤液化潛勢區」。工程上有一些計算的方式，在此為免事情複雜化以致篇幅過長，先從原理面談起。從前面提到土壤液化的原理可以發現不外乎就是三個主要因子：
- 土：各種性質和粒徑
- 水：地下水
- 地震：外在擾動
接著我們再來拆開看，地下水高度、土壤大致上可以從鑽井資料得知，只是會有一個問題就是：取樣偏差。一般來說不會隨便就鑽工程地質鑽井，多半是重大建設或是一些研究需求時才會進行鑽井，這樣沒井的地方怎麼辦？實際上也只能用內插法了，雖然一般工程界不會用很笨的線性內插（這樣會變超不準），而會另外有一些學理上的法則，但實際上沒data的地方就是沒data，我認為還是存在一定誤差。
一般來說，沙質土壤越粗，孔隙越大，水比較容易逃離，而較細的土壤就不好排水，地震來時裡面的孔隙水壓就會比較大，液化的程度會較嚴重，但如果細到黏土程度，或是有黏土填滿砂的孔隙時，這些黏土會讓透水能力變差，裡面的孔隙水壓也不易因擾動而變化，所以鑽井的分析內容大致上是作粒徑、強度以及成分之類，這些都還算蠻基礎的分析(也就是幾乎都會做的)。
至於地震，還沒發生地震怎麼會知道地震有多大呢？這也只能仰賴地震方面的研究，從世界各地過去幾次的大地震引發土壤液化的經驗來看（最早比較開始重視是1964阿拉斯加地震和同年的日本新潟地震，近年的大概就屬921地震和日本311地震），用在探討是否是潛勢區的時候，就會給定一個合理的地震規模和地表加速度值，代入評估的經驗公式來計算（目前筆者看過有使用規模7的、也有用規模7.5來評估的研究，主要應該是依房屋設計耐震規範，小弟的背景偏向地質，故這部分有待指正）。
接著把各個鑽井求出的土壤特性、地下水面高度、地震參數利用經驗公式與統計的方式來評估，就有一個叫「液化潛能指數PL」的參數，之後就把觀測點的資料圖像化，加上一些內插法補點，我想大概就是未來要公布的圖了，而目前會公布的是20公尺以內的資料。
只是公布出來，潛勢高的地方房價會跌嗎？我認為這個問題問太快了，應該先考慮另一件事：住在液化潛勢高地區的人，該怎麼辦？政府該做什麼？民眾自己能做什麼？在看了近期的新聞，幾乎沒有報導提及液化潛勢區的意義，甚至連最重要的一件事也沒有說到：
液化潛勢區的分布圖只能告訴你哪邊「較有可能發生液化」，不代表「真實災情分布」。
液化潛勢區的分布圖只能告訴你哪邊「較有可能發生液化」，不代表「真實災情分布」。
液化潛勢區的分布圖只能告訴你哪邊「較有可能發生液化」，不代表「真實災情分布」。
為什麼？看看這次台南的災區和高液化潛勢分布吧：
來源：國家災害防救科技中心
目前安南區並無顯著災情（不知會不會更新），但實際上一堆噴砂和液化導致地表變形的地區散布在各地，反而高潛勢區少有災情。這絕不是因為研究人員亂做亂畫，而是台灣島的侵蝕沉積速率極快，沖積層厚度厚且年輕（年輕等於鬆軟，平原和各處盆地都是這樣），雖然國際上大地工程對液化範圍調查的規範約是 20至 25公尺深，理由是從經驗上含再深一點的深度較不常發生液化的現象，這是有明定規範的規定。
雖然從臺灣的地質角度看總會覺得有點不安，不過畢竟也是由一段時間的研究累積出來的規範，我想還是相信大地工程專業，但我覺得大眾要留給這些研究一點空間，這些規範在早年都還沒訂（沒研究），未來仍有可能會有變動。
再者鑽井處不夠密、鑽井的資料老舊（土和水都會因天然或人為活動有變動），加上前述的取樣偏差與內插法的誤差等等，我們拿到的液化潛勢圖仍會有一定的誤差，因此在行政上若要做出配套政策來因應，就會產生許多難處，譬如要如何定罰則處罰沒有依法施工預防液化的建商，或是如果圖上沒標出卻發生液化的地區是否需要國賠等等，就是我較擔心的層面。在我看來，難以公布的因素不單是政治問題，而是這東西的使用上本來就要仰賴專業解析，這並不容易。日前看了中央大學黃俊鴻教授的臉書PO文，也有提到上述的問題。
source：wikimedia
但其實我也贊同透明公開資訊，最理想化是未來再花時間更新補足現有不足的部分，讓公布的圖有一定的精度，或是增加宣導與說明，讓民眾真正理解土壤液化，並從這些防災資訊建立防災意識，才會真正發揮效果。否則徒以房價為理由，焦點又會從防災轉到其它議題，到最後又被說「沒有防災頭腦」，誰願意呢？
在此忍不住提一下，其實液化區域早有人做（譬如這個參考連結），但能怎麼用也是一直沒有人提，這樣的資訊也是無用武之地的。
最後，在液化戳土事件新聞中，似乎又有一項被忽略的事……
《災害防救法》的修法連署
仔細看過災害防救法，就會發現，裡面沒有土壤液化這項災害，而它也算是地震伴隨的災害，理應也要併入來處理。但就新聞得到的資訊，有民代提出受液化影響的災民無法得到補助（我實在查不到真假）。不過，災害防救法和一般的法令最大不同的地方，就是它是一個因應天災人災而生的法令，而經常會有大規模的災害發生後，我們才會來檢視法令不足之處。
以日本的災害對策基本法來說，裡面涵蓋了非常大的範圍，也有許多「防災」的作為，而我們的《災害防救法》，即使已修改多次，仍有許多不足之處，目前看來也是「救災」的層面為主，較少防災作為，也希望能藉由這個契機，讓防災能更落實。
參考資料與延伸閱讀：
- Holzer, Thomas L., Selcuk Toprak, and Michael J. Bennett. “Liquefaction potential index and seismic hazard mapping in the San Francisco Bay area, California." 7th National Conference on Earthquake Engineering, Boston. Vol. 2. 2002.
- 謝昇航，臺灣地區液化潛能製圖。國立中央大學碩士論文，2011。
- 陳正興、陳家漢，地震引致的土壤側潰與液化現象。科技發展，2014。
- 國家地震工程研究中心：安全耐震的家
- 國家災害防救科技中心：0206美濃地震統整與研判
- 科技部高瞻計畫網頁：土壤液化成因
- 關鍵評論網：地震後台南市區多處土壤液化 張善政：一個月內公布全國土壤液化潛勢區
- 關鍵評論網：立委提案修《災害防救法》，快速查詢你家是否「地質敏感區」？
- 聯合新聞：土壤液化 不代表房子不能住
- 大地技師怎麼說
- ptt上自稱美國大地工程師魯宅說法
趕快報名本月 PanSciTALK：宇宙好黑好冷好寂寞，邀請你與我們一同窮極科學上的極大與極小，探索科學真理不寂寞！https://goo.gl/KeZW3L
The post 什麼是「土壤液化」？它真的很可怕嗎？——真正可怕的是你我都忽略的事 appeared first on PanSci 泛科學.