砂土液化

科技术语

砂土液化（liquefaction of sand）是指饱水的疏松粉、细砂土在振动作用下突然破坏而呈现液态的现象，由于孔隙水压力上升，有效应力减小所导致的砂土从固态到液态的变化现象。其机制是饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受从砂土骨架转向水，由于粉和细砂土的渗透力不良，孔隙水压力会急剧增大，当孔隙水压力大到总应力值时，有效应力就降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生液化。

基本信息

在外力或内力（通常是孔隙水压力）作用下，砂土颗粒丧失粒间接触压力以及相互之间的摩擦力，不能抵抗剪应力，就会发生液化。砂土液化后，孔隙水在超孔隙水压力下自下向上运动。如果砂土层上部没有渗透性更差的覆盖层，地下水即大面积溢于地表；如果砂土层上部有渗透性更弱的粘性土层，当超孔隙水压力超过盖层强度，地下水就会携带砂粒冲破盖层或沿盖层裂隙喷出地表，产生喷水冒砂现象。地震、爆炸、机械振动等都可以引起砂土液化现象，尤其是地震引起的范围广、危害性更大。砂土液化的防治主要从预防砂土液化的发生和防止或减轻建筑物不均匀沉陷两方面入手。包括合理选择场地；采取振冲、夯实、爆炸、挤密桩等措施，提高砂土密度；排水降低砂土孔隙水压力；换土，板桩围封，以及采用整体性较好的筏基、深桩基等方法。

砂土液化在地震时可大规模地发生并造成严重危害。在中国1966年的邢台地震，1975年的海城地震和1976年的唐山地震等几次大地震中，有些建筑物的破坏，就是由砂土液化造成的。国外也有类似的例子，在美国1964年的阿拉斯加地震和日本1964年的新※地震中，砂土液化也使许多建筑物下沉、歪斜和毁坏，有的地下结构甚至浮升到地面。1925年，美国的舍费尔德土坝在地震时全部崩溃，也是由坝底部分饱水砂土振动液化所致。

美国A．卡萨格兰德在20世纪30年代就开始研究砂土液化现象。近年来，H.B．希特等许多学者对此做了大量工作。中国学者早在50年代就倡议用动力三轴试验进行液化研究。从邢台大地震以来，大量砂土液化事例的出现，有力地推动了中国学者对地震液化的研究。

机理

从力学性质来说，物质在固体状态时，同时具有抵抗体变（体积应变）和形变（剪应变）的能力，因此固体物质在力的作用下，内部可以同时存在球应力张量和偏应力张量状态。理想液体只具有抵抗体变的能力，而没有抵抗形变的能力，粘滞液体也只有在形变运动过程中才产生与剪应变速率相当的剪应力。物质从固体状态转化为液体状态的液化现象，从力学观点看，可以说是它的抗剪强度在某种条件下趋于捎失的过程。对于砂土，它的抗剪强度主要依靠固体颗粒间的摩擦阻力。如果砂土中颗粒间存在摩擦阻力，砂土呈固体状态，如果砂土颗粒间的接触压力等于或趋近于零，摩擦阻力也等于或接近于零，砂土就呈液体状态。

砂土的抗剪强度ts一般用下式表示：

式中σ’和σ分别为有效法向应力和总法向应力；φ’为有效应力内摩擦角；u为孔隙压力。如果条件改变，使σ’或σ-u等于或趋近于零，也会使ts降低，以致砂土颗粒丧失粒间接触压力和摩擦力而造成液化。

渗透水流和振动往往是砂土丧失摩擦力的主要原因。如在地震作用下，饱和松砂有被振密的趋势，孔隙水压力增高，当孔隙水压力一旦超过上覆重量，砂粒便不再互相接触，开始随水流而翻滚，即发生液化。如果外界条件改变，砂土颗粒之间的有效法向应力等于零或接近于零，干砂也会液化（如干砂可从漏斗中流出）。

饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受由砂土骨架转向水，由于粉、细砂土的渗透性不良，孔隙水压力急剧上升。当达到总应力值时，有效正应力下降到0,颗粒悬浮在水中，砂土体即发生振动液化，完全丧失强度和承载能力。砂土发生液化后，在超孔隙水压力作用下，孔隙水自下向上运动。如果砂土层上部无渗透性更弱的盖层，地下水即大面积地漫溢于地表；如果砂土层上有渗透性更弱的粘性土覆盖，当超孔隙水压力超过盖层强度，则地下水携带砂粒冲破盖层或沿盖层已有裂缝喷出地表，即产生所谓的“喷水冒砂”现象。地基砂土液化可导致建筑物大量沉陷或不均匀沉陷，甚至倾倒，造成极大危害。地震、爆破、机械振动等均能引起砂土液化，其中尤以地震为广，危害最大。

砂土液化可能性的判别方法

砂土发生振动液化的基本条件在于饱和砂土的结构疏松和渗透性相对较低，以及振动的强度大和持续时间长。是否发生喷水冒砂还与盖层的渗透性、强度，砂层的厚度，以及砂层和潜水的埋藏深度有关。因此，对砂土液化可能性的判别一般分两步进行。首先根据砂层时代和当地地震烈度进行初判。一般认为，对更新世及其以前的砂层和地震烈度低于Ⅶ度的地区,不考虑砂土液化问题。然后,对已初步判别为可能发生液化的砂层再作进一步判定。用以进一步判定砂土液化可能性的方法主要有3种:①场地地震剪应力τa与该饱和砂土层的液化抗剪强度τ（引起液化的最小剪应力）对比法。当τa>τ时，砂土可能液化（其中ττ根据地震最大加速度求得,τ通过土动三轴试验求得）。②标准贯入试验法（见岩土试验）。原位标准贯入试验的击数可较好地反映砂土层的密度，再结合砂土层和地下水位的埋藏深度作某些必要的修正后，查表即可判定砂土液化的可能性。③综合指标法。通常用以综合判定液化可能性的指标有相对密度、平均粒径d50（即在粒度分析累计曲线上含量为50%相应的粒径），孔隙比、不均匀系数等。

类型

砂土液化主要有三种类型：

①渗透压力引起的液化（或称砂沸）当砂土下部孔隙水压力达到或超过上覆砂层和水的重量时，砂土就会因丧失颗粒之间的摩擦阻力而上浮，承载能力也全部丧失。砂沸主要来自渗透水压力的作用。在土力学中常把它列入渗透稳定问题的范畴，但从它的物质状态评价也属于液化范围。常见于地面无载荷的天然条件下的砂层，也可发生于开挖基坑底面。地震时出现的地面喷水冒砂现象主要就是下部砂层发生液化造成的。

②单向加载或剪切引起的液化（或称流滑）主要是因为疏松的砂土颗粒骨架在单向剪切作用下发生不可逆的体积紧缩（即剪缩作用），同时孔隙水又未能及时排出，因而引起孔隙水压力上升和有效应力下降，直至转化为液体状态造成的。这种现象大多出现在海岸或河岸以及土坝的饱和砂土边坡中。

③往返加载或剪切引起的液化（又称往返运动性液化）大都表现为大地震中饱和砂土地基和边坡的液化破坏。此外，在机器基础振动，爆破等动力作用下也会产生这种现象。饱和砂土在往返剪切作用下，当剪应变很小时，一般都有剪绪现象，都会引起孔隙水压力上升。但是随着剪应变的增大，中等密度以上的砂土就会出现剪胀现象。这是因为砂土颗粒在大剪应变时互相翻滚而使骨架体积增大。此时孔隙水压力相应下降，而有效应力和剪阻力则相应回升，从而抑制了砂土继续变形。经过多次往返剪切，在小剪应变段由于剪缩量和孔隙水压力的累积，便可以出现液化状态，而当饱和砂土足够松时，可出现”无限度”的流动变形。

影响因素

影响砂土液化的因素很多，如砂土的地质成因和年代，颗粒的组成，大小、排列方式和形状以及松密程度，应力状态，应力历史，渗透性，压缩性，地震特性（如震级，震中距、持续时间）以及排水条件和边界条件，等等渺土液化的影响因素是当前研究砂土液化的主要课题。

防治措施

主要从预防砂土液化的发生和防止或减轻建筑物不均匀沉陷两方面入手。包括合理选择场地；采取振冲、夯实、爆炸、挤密桩等措施，提高砂土密度；排水降低砂土孔隙水压力；换土，板桩围封，以及采用整体性较好的筏基、深桩基等方法。

参考书目

A.Casagrande, Liquefaction and Cyclic Deformation of Sands——a Critical Review, 5 Pon American Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Buenos Aires, Argentina, Nov.1975.

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