砂土液化

簡介

在外力或內力（通常是孔隙水壓力）作用下，砂土顆粒喪失泣間接觸壓力以及相互之間的摩擦力，不能抵抗剪應力，就會發生液化。砂土液化后，孔隙水在超孔隙水壓力下自下向上運動。如果砂土層上部沒有滲透性更差的覆蓋層，地下水即大面積溢於地表；如果砂土層上部有滲透性更弱的粘性土層，當超孔隙水壓力超過蓋層強度，地下水就會攜帶砂粒衝破蓋層或沿蓋層裂隙噴出地表，產生噴水冒砂現象。地震、爆炸、機械振動等都可以引起砂土液化現象，尤其是地震引起的範圍廣、危害性更大。砂土液化的防治主要從預防砂土液化的發生和防止或減輕建築物不均勻沉陷兩方面入手。

砂土液化在地震時可大規模地發生並造成嚴重危害。在中國1966年的邢台地震，1975年的海城地震和1976年的唐山地震等幾次大地震中，有些建築物的破壞，就是由砂土液化造成的。國外也有類似的例子，在美國1964年的阿拉斯加地震和日本1964年的新※地震中，砂土液化也使許多建築物下沉、歪斜和毀壞，有的地下結構甚至浮升到地面。1925年，美國的舍費爾德土壩在地震時全部崩潰，也是由壩底部分飽水砂土振動液化所致。

美國A．卡薩格蘭德在20世紀30年代就開始研究砂土液化現象。近年來，H.B．希特等許多學者對此做了大量工作。中國學者早在50年代就倡議用動力三軸試驗進行液化研究。從邢台大地震以來，大量砂土液化事例的出現，有力地推動了中國學者對地震液化的研究。

從力學性質來說，物質在固體狀態時，同時具有抵抗體變（體積應變）和形變（剪應變）的能力，因此固體物質在力的作用下，內部可以同時存在球應力張量和偏應力張最狀態。理想液體只具有抵抗體變的能力，而沒有抵抗形變的能力，粘滯液體也只有在形變運動過程中才產生與剪應變速率相當的剪應力。物質從固體狀態轉化為液體狀態的液化現象，從力學觀點看，可以說是它的抗剪強度在某種條件下趨於捎失的過程。對於砂土，它的抗剪強度主要依靠固體顆粒間的摩擦阻力。如果砂土中顆粒間存在摩擦阻力，砂土呈固體狀態，如果砂土顆粒間的接觸壓力等於或趨近於零，摩擦阻力也等於或接近於零，砂土就呈液體狀態。

砂土的抗剪強度ts一般用下式表示：或式中σ’和σ分別為有效法嚮應力和總法嚮應力；φ’為有效應力內摩擦角；u為孔隙壓力。如果條件改變，使σ’或σ-u等於或趨近於零，也會使ts降低，以致砂土顆粒喪失粒間接觸壓力和摩擦力而造成液化。

滲透水流和振動往往是砂土喪失摩擦力的主要原因。如在地震作用下，飽和松砂有被振密的趨勢，孔隙水壓力增高，當孔隙水壓力一旦超過上覆重量，砂粒便不再互相接觸，開始隨水流而翻滾，即發生液化。如果外界條件改變，砂土顆粒之間的有效法嚮應力等於零或接近於零，干砂也會液化（如干砂可從漏斗中流出）。

飽和的疏鬆粉、細砂土體在振動作用下有顆粒移動和變密的趨勢，對應力的承受由砂土骨架轉向水，由於粉、細砂土的滲透性不良，孔隙水壓力急劇上升。當達到總應力值時，有效正應力下降到0,顆粒懸浮在水中，砂土體即發生振動液化，完全喪失強度和承載能力。砂土發生液化后，在超孔隙水壓力作用下，孔隙水自下向上運動。如果砂土層上部無滲透性更弱的蓋層，地下水即大面積地漫溢於地表；如果砂土層上有滲透性更弱的粘性土覆蓋，當超孔隙水壓力超過蓋層強度，則地下水攜帶砂粒衝破蓋層或沿蓋層已有裂縫噴出地表，即產生所謂的“噴水冒砂”現象。地基砂土液化可導致建築物大量沉陷或不均勻沉陷，甚至傾倒，造成極大危害。地震、爆破、機械振動等均能引起砂土液化，其中尤以地震為廣，危害最大。

砂土發生振動液化的基本條件在於飽和砂土的結構疏鬆和滲透性相對較低，以及振動的強度大和持續時間長。是否發生噴水冒砂還與蓋層的滲透性、強度，砂層的厚度，以及砂層和潛水的埋藏深度有關。因此，對砂土液化可能性的判別一般分兩步進行。首先根據砂層時代和當地地震烈度進行初判。一般認為，對更新世及其以前的砂層和地震烈度低於Ⅶ度的地區，不考慮砂土液化問題。然後，對已初步判別為可能發生液化的砂層再作進一步判定。用以進一步判定砂土液化可能性的方法主要有3種:①場地地震剪應力τa與該飽和砂土層的液化抗剪強度τ（引起液化的最小剪應力）對比法。當τa>τ時，砂土可能液化（其中ττ根據地震最大加速度求得,τ通過土動三軸試驗求得）。②標準貫入試驗法（見岩土試驗）。原位標準貫入試驗的擊數可較好地反映砂土層的密度，再結合砂土層和地下水位的埋藏深度作某些必要的修正後，查表即可判定砂土液化的可能性。③綜合指標法。通常用以綜合判定液化可能性的指標有相對密度、平均粒徑d50（即在粒度分析累計曲線上含量為50%相應的粒徑），孔隙比、不均勻係數等。

砂土液化主要有三種類型：

①滲透壓力引起的液化（或稱砂拂）當砂土下部孔隙水壓力達到或超過上覆砂層和水的重量時，砂土就會因喪失顆粒之間的摩擦阻力而上浮，承載能力也全部喪失。砂沸主要來自滲透水壓力的作用。在土力學中常把它列入滲透穩定問題的範疇，但從它的物質狀態評價也屬於液化範圍。常見於地面無載荷的天然條件下的砂層，也可發生於開挖基坑底面。地震時出現的地面噴水冒砂現象主要就是下部砂層發生液化造成的。

②單向載入或剪切引起的液化（或稱流滑）主要是因為疏鬆的砂土顆粒骨架在單向剪切作用下發生不可逆的體積緊縮（即剪縮作用），同時孔隙水又未能及時排出，因而引起孔隙水壓力上升和有效應力下降，直至轉化為液體狀態造成的。這種現象大多出現在海岸或河岸以及土壩的飽和砂土邊坡中。

③往返載入或剪切引起的液化（又稱往返運動性液化）大都表現為大地震中飽和砂土地基和邊坡的液化破壞。此外，在機器基礎振動，爆破等動力作用下也會產生這種現象。飽和砂土在往返剪切作用下，當剪應變很小時，一般都有剪緒現象，都會引起孔隙水壓力上升。但是隨著剪應變的增大，中等密度以上的砂土就會出現剪脹現象。這是因為砂土顆粒在大剪應變時互相翻滾而使骨架體積增大。此時孔隙水壓力相應下降，而有效應力和剪阻力則相應回升，從而抑制了砂土繼續變形。經過多次往返剪切，在小剪應變段由於剪縮量和孔隙水壓力的累積，便可以出現液化狀態，而當飽和砂土足夠松時，可出現”無限度”的流動變形。

影響砂土液化的因素很多，如砂土的地質成因和年代，顆粒的組成，大小、排列方式和形狀以及松密程度，應力狀態，應力歷史，滲透性，壓縮性，地震特性（如震級，震中距、持續時間）以及排水條件和邊界條件，等等渺土液化的影響因素是當前研究砂土液化的主要課題。

主要從預防砂土液化的發生和防止或減輕建築物不均勻沉陷兩方面入手。包括合理選擇場地；採取振沖、夯實、爆炸、擠密樁等措施，提高砂土密度；排水降低砂土孔隙水壓力；換土，板樁圍封，以及採用整體性較好的筏基、深樁基等方法。