砂土液化機(jī)理

從力學(xué)性質(zhì)來說，物質(zhì)在固體狀態(tài)時(shí)，同時(shí)具有抵抗體變（體積應(yīng)變）和形變（剪應(yīng)變）的能力，因此固體物質(zhì)在力的作用下，內(nèi)部可以同時(shí)存在球應(yīng)力張量和偏應(yīng)力張最狀態(tài)。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(yùn)動(dòng)過程中才產(chǎn)生與剪應(yīng)變速率相當(dāng)?shù)募魬?yīng)力。物質(zhì)從固體狀態(tài)轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)的液化現(xiàn)象，從力學(xué)觀點(diǎn)看，可以說是它的抗剪強(qiáng)度在某種條件下趨于捎失的過程。對(duì)于砂土，它的抗剪強(qiáng)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(tài)，如果砂土顆粒間的接觸壓力等于或趨近于零，摩擦阻力也等于或接近于零，砂土就呈液體狀態(tài)。

砂土的抗剪強(qiáng)度t_s一般用下式表示：

或

式中σ’和σ分別為有效法向應(yīng)力和總法向應(yīng)力；φ’為有效應(yīng)力內(nèi)摩擦角；u為孔隙壓力。如果條件改變，使σ’或σ-u等于或趨近于零，也會(huì)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(dòng)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(shì)，孔隙水壓力增高，當(dāng)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(fā)生液化。如果外界條件改變，砂土顆粒之間的有效法向應(yīng)力等于零或接近于零，干砂也會(huì)液化（如干砂可從漏斗中流出）。

飽和的疏松粉、細(xì)砂土體在振動(dòng)作用下有顆粒移動(dòng)和變密的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)力的承受由砂土骨架轉(zhuǎn)向水，由于粉、細(xì)砂土的滲透性不良，孔隙水壓力急劇上升。當(dāng)達(dá)到總應(yīng)力值時(shí)，有效正應(yīng)力下降到0,顆粒懸浮在水中，砂土體即發(fā)生振動(dòng)液化，完全喪失強(qiáng)度和承載能力。砂土發(fā)生液化后，在超孔隙水壓力作用下，孔隙水自下向上運(yùn)動(dòng)。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于地表；如果砂土層上有滲透性更弱的粘性土覆蓋，當(dāng)超孔隙水壓力超過蓋層強(qiáng)度，則地下水?dāng)y帶砂粒沖破蓋層或沿蓋層已有裂縫噴出地表，即產(chǎn)生所謂的“噴水冒砂”現(xiàn)象。地基砂土液化可導(dǎo)致建筑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(jī)械振動(dòng)等均能引起砂土液化，其中尤以地震為廣，危害最大。

在外力或內(nèi)力（通常是孔隙水壓力）作用下，砂土顆粒喪失粒間接觸壓力以及相互之間的摩擦力，不能抵抗剪應(yīng)力，就會(huì)發(fā)生液化。砂土液化后，孔隙水在超孔隙水壓力下自下向上運(yùn)動(dòng)。如果砂土層上部沒有滲透性更差的覆蓋層，地下水即大面積溢于地表；如果砂土層上部有滲透性更弱的粘性土層，當(dāng)超孔隙水壓力超過蓋層強(qiáng)度，地下水就會(huì)攜帶砂粒沖破蓋層或沿蓋層裂隙噴出地表，產(chǎn)生噴水冒砂現(xiàn)象。地震、爆炸、機(jī)械振動(dòng)等都可以引起砂土液化現(xiàn)象，尤其是地震引起的范圍廣、危害性更大。砂土液化的防治主要從預(yù)防砂土液化的發(fā)生和防止或減輕建筑物不均勻沉陷兩方面入手。包括合理選擇場地；采取振沖、夯實(shí)、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，以及采用整體性較好的筏基、深樁基等方法。

砂土液化在地震時(shí)可大規(guī)模地發(fā)生并造成嚴(yán)重危害。在中國1966年的邢臺(tái)地震，1975年的海城地震和1976年的唐山地震等幾次大地震中，有些建筑物的破壞，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筑物下沉、歪斜和毀壞，有的地下結(jié)構(gòu)甚至浮升到地面。1925年，美國的舍費(fèi)爾德土壩在地震時(shí)全部崩潰，也是由壩底部分飽水砂土振動(dòng)液化所致。

美國A．卡薩格蘭德在20世紀(jì)30年代就開始研究砂土液化現(xiàn)象。近年來，H.B．希特等許多學(xué)者對(duì)此做了大量工作。中國學(xué)者早在50年代就倡議用動(dòng)力三軸試驗(yàn)進(jìn)行液化研究。從邢臺(tái)大地震以來，大量砂土液化事例的出現(xiàn)，有力地推動(dòng)了中國學(xué)者對(duì)地震液化的研究。

砂土液化主要有三種類型：

①滲透壓力引起的液化（或稱砂沸） 當(dāng)砂土下部孔隙水壓力達(dá)到或超過上覆砂層和水的重量時(shí)，砂土就會(huì)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(xué)中常把它列入滲透穩(wěn)定問題的范疇，但從它的物質(zhì)狀態(tài)評(píng)價(jià)也屬于液化范圍。常見于地面無載荷的天然條件下的砂層，也可發(fā)生于開挖基坑底面。地震時(shí)出現(xiàn)的地面噴水冒砂現(xiàn)象主要就是下部砂層發(fā)生液化造成的。

②單向加載或剪切引起的液化（或稱流滑） 主要是因?yàn)槭杷傻纳巴令w粒骨架在單向剪切作用下發(fā)生不可逆的體積緊縮（即剪縮作用），同時(shí)孔隙水又未能及時(shí)排出，因而引起孔隙水壓力上升和有效應(yīng)力下降，直至轉(zhuǎn)化為液體狀態(tài)造成的。這種現(xiàn)象大多出現(xiàn)在海岸或河岸以及土壩的飽和砂土邊坡中。

③往返加載或剪切引起的液化（又稱往返運(yùn)動(dòng)性液化）大都表現(xiàn)為大地震中飽和砂土地基和邊坡的液化破壞。此外，在機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)，爆破等動(dòng)力作用下也會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象。飽和砂土在往返剪切作用下，當(dāng)剪應(yīng)變很小時(shí)，一般都有剪緒現(xiàn)象，都會(huì)引起孔隙水壓力上升。但是隨著剪應(yīng)變的增大，中等密度以上的砂土就會(huì)出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象。這是因?yàn)樯巴令w粒在大剪應(yīng)變時(shí)互相翻滾而使骨架體積增大。此時(shí)孔隙水壓力相應(yīng)下降，而有效應(yīng)力和剪阻力則相應(yīng)回升，從而抑制了砂土繼續(xù)變形。經(jīng)過多次往返剪切，在小剪應(yīng)變段由于剪縮量和孔隙水壓力的累積，便可以出現(xiàn)液化狀態(tài)，而當(dāng)飽和砂土足夠松時(shí)，可出現(xiàn)”無限度”的流動(dòng)變形。

影響砂土液化的因素很多，如砂土的地質(zhì)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(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力歷史，滲透性，壓縮性，地震特性（如震級(jí)，震中距、持續(xù)時(shí)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(dāng)前研究砂土液化的主要課題。

主要從預(yù)防砂土液化的發(fā)生和防止或減輕建筑物不均勻沉陷兩方面入手。包括合理選擇場地；采取振沖、夯實(shí)、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，以及采用整體性較好的筏基、深樁基等方法。

砂土發(fā)生振動(dòng)液化的基本條件在于飽和砂土的結(jié)構(gòu)疏松和滲透性相對(duì)較低，以及振動(dòng)的強(qiáng)度大和持續(xù)時(shí)間長。是否發(fā)生噴水冒砂還與蓋層的滲透性、強(qiáng)度，砂層的厚度，以及砂層和潛水的埋藏深度有關(guān)。因此，對(duì)砂土液化可能性的判別一般分兩步進(jìn)行。首先根據(jù)砂層時(shí)代和當(dāng)?shù)氐卣鹆叶冗M(jìn)行初判。一般認(rèn)為，對(duì)更新世及其以前的砂層和地震烈度低于Ⅶ度的地區(qū),不考慮砂土液化問題。然后,對(duì)已初步判別為可能發(fā)生液化的砂層再作進(jìn)一步判定。用以進(jìn)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(yīng)力τ_a與該飽和砂土層的液化抗剪強(qiáng)度τ（引起液化的最小剪應(yīng)力）對(duì)比法。當(dāng)τ_a>τ時(shí)，砂土可能液化（其中ττ根據(jù)地震最大加速度求得,τ通過土動(dòng)三軸試驗(yàn)求得）。②標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法（見巖土試驗(yàn)）。原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的擊數(shù)可較好地反映砂土層的密度，再結(jié)合砂土層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綜合指標(biāo)法。通常用以綜合判定液化可能性的指標(biāo)有相對(duì)密度、平均粒徑d50（即在粒度分析累計(jì)曲線上含量為50%相應(yīng)的粒徑），孔隙比、不均勻系數(shù)等。

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.1975.2100433B

砂土液化作用是指飽水的疏松粉、細(xì)砂土在振動(dòng)作用下突然破壞而呈現(xiàn)液態(tài)的現(xiàn)象，由于孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力減小所導(dǎo)致的砂土從固態(tài)到液態(tài)的變化現(xiàn)象。其機(jī)制是飽和的疏松粉、細(xì)砂土體在振動(dòng)作用下有顆粒移動(dòng)和變密的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)力的承受從砂土骨架轉(zhuǎn)向水，由于粉和細(xì)砂土的滲透力不良，孔隙水壓力會(huì)急劇增大。

地震、爆炸、機(jī)械振動(dòng)等都可以引起砂土液化現(xiàn)象，尤其是地震引起的范圍廣、危害性更大。砂土液化的防治主要從預(yù)防砂土液化的發(fā)生和防止或減輕建筑物不均勻沉陷兩方面入手。包括合理選擇場地;采取振沖、夯實(shí)、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，以及采用整體性較好的筏基、深樁基等方法。2100433B

學(xué)科：

詞目：砂土液化災(zāi)害

英文：

：砂土液化主要受土質(zhì)性狀、埋藏條件、成因類型和振動(dòng)荷載這四方面條件控制。通常是：以粉細(xì)砂為主的砂土,土中粘粒含量越少、級(jí)配越均勻、孔隙比越大、相對(duì)密度越小、滲選性越差、塑性指數(shù)越低、飽和度越高的砂土,越容易發(fā)生液化；上覆土層越薄、有效壓力越小、排水條件不良、壓密性差的砂土容易發(fā)生液化；發(fā)育在河口三角洲、河床、漫灘、低級(jí)階地的沉積時(shí)代較晚的砂土容易發(fā)生液化；地震或其他活動(dòng)造成的振動(dòng)作用強(qiáng)度越大、時(shí)間越長或振動(dòng)次數(shù)越多越容易導(dǎo)致砂土液化。砂土液化可使地基失穩(wěn),造成房屋、橋梁等工程沉陷、傾斜、開裂、倒塌。還可導(dǎo)致噴水冒砂,因此破壞耕地和農(nóng)作物。砂土液化是地震的重要次生災(zāi)害,使。 2100433B