土壤怎么变脸了呢? —土壤液化与下陷的研究

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2013/05/22

私聊

土壤固体废弃物监测

一.研究动机:
我们看到电视和报纸有关土壤下陷的各种报导,有提到中部好多地方出现了「土壤液化」的现象,我们不了解「土壤液化」到底是怎么回事？是什么原因造成的？为什么会造成灾害呢？
研究目的:
(一) 了解土壤液化的意义、成因和现象。
(二) 由模拟实验了解土壤液化的基本状况。
(三) 探讨不同水量对土壤液化的影响。
(四) 探讨不同大小的外力对土壤液化的影响。
(五) 探讨震动力量对土壤液化的影响。
(六) 探讨土壤液化的程度与承载力的关系。
二.研究设备与器材:
(一)250cc的塑料杯、700cc的塑料筒、注射针筒、量筒、量杯、砝码(500公克、100公克)、水桶、铲子、米达尺、1公升的塑料筒。
(二)六种土壤―灾区现场喷砂口的2种细砂土、种花的细砂土、荒地的土、田里的土、工地的土。
(三)照相机、简易摆动碰撞器、简易震动器(旧电风扇改装)。
三.研究过程与方法:
【研究一】了解土壤液化的意义、成因和现象。
1.(文献探讨)从各种报纸和相关研究报告加以讨论、分析,得到下面的结论:
(1)土壤液化的意义和成因―
它是一种自然的现象,是松软的砂土层,它受到强大的外力时,使地下水有机会进入土壤中,进而造成土壤的水分饱和,就变成像泥浆一样的液体状态,这种现象称为「土壤液化」。
(2)土壤液化造成的现象―
有:喷砂或喷泥水现象、土壤承载力减弱、地层下陷或断裂、建筑物倾斜或塌陷等现象。
2.(现场勘查) 88年12月5日和12月11日两次我们在老师和家长的带领
下,前往中部作现场的勘查:
(1)勘查结果与纪录

【研究二】各种土壤成分的分析和比较。
1.实验材料:6种土壤—甲(大肚溪喷砂口细砂土)、乙(仑雅里水井的喷砂)、丙(种花的细砂土)、丁(荒地的土)、戊(稻田的土)、己(工地的土) 。
2.实验方法:
(1)将6种土壤分别晒干并捣碎,观察各种土壤的土质、粗细。
(2)6个试管各倒进10cc的水。
(3)每种土壤各拿10立方公分,分别放进试管中。
(4)封住管口然后用力上下摇晃,使土壤完全混合。
(5)静放一天,观察沉淀后的土壤分层情形。
3.实验结果:
4.讨论:
经过观察和沉淀分析法的比较,发现丙(种花的细砂土)的土质、粗细与成分,最接近甲和乙土壤样本的成分,因此就采用丙做为下面实验的材料。

【研究三】土壤液化的简单模拟实验。
1.实验材料:种花的细砂土、水。
2.实验方法:
(1)在10个塑料杯中装入细砂土(5个150立方公分,5个200立方公分)。
(2)用针筒将水打入杯中(先打入20cc的水,每次再加10cc的水)。
(3)每次打完水观察1分钟,等整杯土壤都潮湿时再摇晃杯子。
(4)观察、比较并纪录土壤液化的情形。
3.实验结果:

4.讨论:
(1)土壤中水分向上扩散的高度,随着水量的增加而升高,速度也越快。
(2)土壤也会随着水量的增加而逐渐下陷,水不再增加会停止下陷。
(3)整杯土壤都潮湿再摇晃,摇晃次数越多表土渗出的水量越多。当表土开
始渗水时有软化的情形,用手轻压表土感觉软软的,用手挤压杯子,表土
会上升,放手就恢复原状,整杯土壤就像果冻一样。这应该就是土壤液化!
(4)所以足够的水和适当的外力是土壤液化的主要因素。

【研究四】不同水量对土壤液化的影响。
1. 实验方法:
(1) 在5个塑料杯中各装入200立方公分的细砂土。
(2) 用针筒将水打入杯中(先打入30cc的水,每次再加10cc的水)。
(3)注水到土壤渗水软化为止,观察、比较并纪录土壤变化的情形。
2. 实验结果:
3.讨论:
(1)水会造成土壤的液化,水量越多土壤越快液化,下陷也越深。
(2)当水量达到一个限度后土壤会停止下陷。
(3)实验之后的整杯土壤静放到隔天,表土的水会减少,土壤还会下陷大约0.1〜0.2公分。

【研究五】不同大小的外力对土壤液化的影响。
(实验一)向下碰撞法:
1. 实验方法:
(1)在5个塑料杯中各装进200立方公分的细砂土。
(2)每个杯子用针筒打进60cc的水。
(3)经3分钟后,将杯子在1公升的塑料容器内5公分的高度放下,碰撞容
器底部,到土壤全面渗水液化为止。
(4)观察、比较并纪录土壤变化的情形。

(实验二)重物侧面碰撞法:
1.简易摆动碰撞器:铁杆加摆长80公分(包括长12公分的500公克砝码)
2.实验方法:
(1)在5个塑料筒中各装进500立方公分的细砂土。
(2)把160cc的水打进塑料筒中。
(3)用简易摆动碰撞器碰撞塑料筒的侧边,到土壤完全渗水液化为止。
(4)观察并记录土壤变化的情形。
3.实验结果: (每次碰撞塑料筒都变换侧边)

4.讨论:﹝实验一和实验二﹞
(1)碰撞次数会影响土壤液化:次数越多土壤液化越严重,土壤下陷更深。

(2)开始碰撞时土壤会裂开,有些部分会裂成大小不同的小土块,再经过碰撞后小土块会逐渐变成小圆球形,越来越小越潮湿,最后完全不见。
(3)当土壤渗水时就是液化的现象,轻轻压下软软的,好像果冻一样。

【研究六】震动力量对土壤液化的影响。
﹝实验一﹞时间相同,震动力量不同:
1. 实验方法:
(1) 9个塑料杯各装进200立方公分的土壤,各打进50cc的水。
(2) 每3杯为1组,分别放在简易震动器上,用3种不同的震动力量(电风扇转动的速度)来震动。(每次震动时间3秒钟)
(3) 比较土壤液化的速度。
2. 实验结果: (1速最快,2速第二,3速最慢)(液化速度¬最快第二®最慢)

﹝实验二﹞震动力量相同,时间不同:
1.实验方法:
(1)把200立方公分的土壤装进塑料筒中,打入50CC的水。
(2)把塑料筒放在震动器上开第3速的力量,震动到土壤完全液化为止。
(3)实验5遍,计时并观察土壤的变化情形。
2.实验结果:

3.讨论:﹝实验一和实验二﹞
(1)震动速度越快,土壤液化越快,越容易下陷。
(2)震动的时间越长,土壤液化的情形越严重,下陷也越深。
(3)震动的力量比碰撞的力量更容易使土壤液化和下陷。
【研究七】土壤液化的程度与承载力的关系。
1. 实验方法:
(1)将200立方公分的土壤分别装进5个塑料杯中,都打进40CC的水。
(2)把100公克的砝码放在塑料杯内的土壤上面。
(3)再把杯子放在电风扇上,开第三速的力量来震动。
(4)每3秒钟把杯子拿下来,观察并记录砝码下陷的情形。
(5)最后把100公克的砝码放在【研究六】﹝实验二﹞中已液化的五杯土壤
中,观察砝码下陷情形。

3. 讨论:
(1)把砝码放在干燥的土壤上不会下陷,表土顶多留一点小痕迹。
(2)当土壤含有水分变潮湿时,砝码会有些下陷,再加上外力砝码下陷越深。
(3)震动越久土壤液化越严重,承载力量也越小,砝码陷得越深。
(4)把100公克的砝码放在液化的土壤上,会慢慢下陷。如果再加上外力
(如敲打、碰撞、震动),砝码下陷的速度变快,甚至完全沉没。

四. 结果与讨论:
(一) 综合以上的实验结果,我们的结论是:
1. 松软的砂土层含有足够的地下水再受到强大的外力,会造成土壤液化和下
陷的现象,所以「水」和「外力」是造成土壤液化和下陷的两个重要因素。
2.土壤含水量越多越容易液化,也越容易下陷。
3.土壤液化时通常会渗水,会变软,像泥浆也像果冻一样。
4.土壤含水后,加上外力(摇晃、碰撞、震动)的影响,土壤越容易液化和下
陷;外力越大或作用越久,液化和下陷的情形越严重。
5.土壤逐渐液化,承载重物的力量变小;液化越严重,承载的力量越小。
(二)在本实验后我们了解到:
1. 土壤中水分越多外力越大,土壤的液化和下陷越快越严重;土壤液化时,土
质变软、出现裂痕、大量渗水,甚至喷砂,变得像果冻或流沙一样;结果承
载力量变弱,上面如果有重物,会倾斜,甚至塌陷。

2. 我们再对照921地震有关的灾害报导以及几次现场的勘查,发现彰化县员林仑雅里、伸港大肚溪口等受灾地区,大多是粉砂或细砂土壤,比较疏松,含水量较多,所以土壤容易液化。因此造成地层下陷或断裂、喷砂、建筑物倾斜或塌陷…等灾害,这是值得我们注意和探讨的问题。

3. 我们提供一些预防土壤液化的方法:
(1)用科学方法把疏松的土壤压实、压密，使地下水不易渗入，避免土壤液化。
(2)建筑物地基如果有松软的现象，挖开地基，灌入水泥来强化地盘。
(3)换掉松软的土壤，填进良质的土壤。

五. 检讨与展望:
从这次实验中,我们对于土壤液化有了更深一层的
了解,不再觉得它很深奥了,但因为实验器材不够精密,所以无法做更深入的
研究和实验,可是我们对地震和地质产生了浓厚的兴趣,将来我们想针对高
雄地区的地质,做进一步的研究和探讨。

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