砂土液化

砂土由固体状态转化为液体状态的现象。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年的新澙地震中，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消失的过程。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τ一般用下式表示：

τ=σ′tg′

或

τ=(σ－u)tg′

式中σ′和σ分别为有效法向应力和总法向应力；′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τ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(见图)。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)。

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，一般都有剪缩现象，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。砂土液化的影响因素是当前研究砂土液化的主要课题。

防止措施  防止砂土液化的原则主要是采取工程措施，如降低动载荷强度，加强排水，减少孔隙水压力，增加地表盖重，用人工增加砂的密实度(如用人工振动或爆破震实方法加固地基)，设置桩基等。

参考书目 A. Casagrande，Liquefaction and Cyclic Deformation of Sands a Critical Review， 5th Pan American Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，Buenos Aires，Argentina，Nov.1975.