什么是砂土液化?

[拼音]：shatu yehua

[外文]：sand liquefaction

由砂土颗粒组成的土体，从固体状态转变为液体状态的作用过程。

主要是当砂土固体颗粒间的摩擦力，由于颗粒间接触压力减弱或消失而趋近于零或达到零时，砂土土体失去抵抗剪应力或剪切变形的能力，此时砂土的剪切刚度亦趋近于零或等于零，砂土土体才会出现液化。在一般情况下，除非在重力方向遭遇一个等于或大于地球重力加速度的作用外，干砂不会发生液化。

在土木工程中遇到的砂土液化现象绝大多数发生在饱和砂土中；更广泛地说，液化可能发生在饱和无粘性土(包括砂及透水性不大的砂砾和细砾)和少粘性土（粘粒含量不多的轻亚粘土或粉砂性土）中。

饱和砂土的应力状态可写为

(1)

式中σ徠和σ


分别为总应力和有效应力张量，其正值为压应力；δ徠＝1或0；u为孔隙水压力。

液化时的应力状态应为

(2)

砂土液化时的应力状态虽然都满足(2)式，但是趋向(2)式的起因、途径和机理却并不是惟一的，主要有砂沸(即喷水冒砂或涌砂)、流滑和往返活动性三种典型。

常见于河堤内侧低地和挡水构筑物下游地面，也可发生在开挖基坑底面或钻孔底端，主要由于砂土中的孔隙水压力已达到或超过了它的上覆压力，使砂粒浮游而变为液体状态。此时砂土将完全丧失承载能力。这种状态的出现，与砂土的密实程度和体积应变无关。

大都出现在海岸或河岸以及土坝的饱和砂土（砂砾）边坡中，主要由于疏松的颗粒骨架在单程剪切作用下发生不可逆的体积压缩(即剪缩作用)，同时孔隙水又来不及排出去而造成孔隙水压力上升和有效应力下降，直至转化为液体状态而发生“无限度”的流动状滑坡。出现这种状态的先决条件是砂土颗粒骨架必须具有疏松而不稳定的结构，稍加扰动即会变成“流动结构”。曾被称为“真正液化”的液化现象。

大都表现为地震时饱和砂土地基或边坡的液化破坏。出现这种情况的砂土不一定很松。饱和砂土在往返剪切作用下，当剪应变较小时有剪缩现象，从而引起孔隙水压力上升，但当剪应变较大时又会发生剪胀，从而孔隙水压力又将回降。经过多次往返剪切，在小剪应变时段内由于剪缩量的累积，随之孔隙水压力亦相继上升，可以出现(2)式的应力状态，引起液化；但是在大剪应变时段中，由于剪胀作用又使孔隙水压力回降，而脱离(2)式的应力状态，液化随之消失。这种在往返剪切作用下发生的间隙性液化造成的“有限度”的流动状变形，称为往返活动性。

原则上都可以(2)式为依据，即当饱和砂土中的应力状态达到(2)式的关系时，即可认为已达液化状态。例如：砂沸的标准是孔隙水压力等于上覆压力，此时的水力梯度


(


为饱和砂土的浮容重，γw为水的容重)，称为临界水力梯度。流滑的标准可用应力控制静力固结不排水三轴试验确定，找出饱和砂土在不同固结压力σ婭下既无剪缩又无剪胀的孔隙比，称为临界孔隙比ecr。当天然孔隙比e>ecr时会液化；ecr随σ婭的增大而减小。往返活动性的标准可用固结不排水往返加荷三轴试验或往返剪切单剪试验确定，找出饱和砂土在经过一定往返加荷(σd)或往返剪切(τd)次数n时，孔隙水压力上升值ud第一次达到它的固结压力值σ婭(三轴试验)或σ惤(单剪试验中的垂直固结有效压力)时的应力比σd/2σ婭或τd/σ惤，作为判别依据。

液化与破坏不属于同一范畴。很多情况表明，在饱和砂土中孔隙水压力上升到极限平衡以后，就会发生失稳破坏，此时饱和砂土尚未达到液化；反之，在往返剪切作用下，饱和砂土也会出现间隙性液化，但不一定发生破坏或过大的变形。因此，应严格分清液化与破坏的不同性质和意义。对工程人员来说，关心的主要是破坏与否，因此不能简单地以液化作为破坏判据。在工程设计特别是在抗震设计中，把液化与破坏等同的看法是错误的。

在抗震设计中，对水平地面下饱和砂土地震液化可能性（或称液化势）的判别方法，大都基于宏观统计资料，目前用得最多的是标准贯入试验。此外，近年正在探索用静力触探和波速测定等判别饱和砂土地震液化势的新方法，已取得有希望的成果。