砂土液化

　　由砂土顆粒組成的土體，從固體狀態轉變為液體狀態的作用過程。

　　液化原因　主要是當砂土固體顆粒間的摩擦力，由於顆粒間接觸壓力減弱或消失而趨近於零或達到零時，砂土土體失去抵抗剪應力或剪切變形的能力，此時砂土的剪切剛度亦趨近於零或等於零，砂土土體才會出現液化。在一般情況下，除非在重力方向遭遇一個等於或大於地球重力加速度的作用外，幹砂不會發生液化。

　在土木工程中遇到的砂土液化現象絕大多數發生在飽和砂土中；更廣泛地說，液化可能發生在飽和無粘性土(包括砂及透水性不大的砂礫和細礫)和少粘性土（粘粒含量不多的輕亞粘土或粉砂性土）中。

　　液化類型　飽和砂土的應力狀態可寫為

(1)

式中 σ徠和 σ 分別為總應力和有效應力張量，其正值為壓應力； δ徠＝1或0； u為孔隙水壓力。

　　液化時的應力狀態應為

　　　　　　　　　(2)

　　砂土液化時的應力狀態雖然都滿足(2)式，但是趨向(2)式的起因、途徑和機理卻並不是惟一的，主要有砂沸(即噴水冒砂或湧砂)、流滑和往返活動性三種典型。

　　砂沸　常見於河堤內側低地和擋水構築物下遊地面，也可發生在開挖基坑底面或鉆孔底端，主要由於砂土中的孔隙水壓力已達到或超過瞭它的上覆壓力，使砂粒浮遊而變為液體狀態。此時砂土將完全喪失承載能力。這種狀態的出現，與砂土的密實程度和體積應變無關。

　　流滑　大都出現在海岸或河岸以及土壩的飽和砂土（砂礫）邊坡中，主要由於疏松的顆粒骨架在單程剪切作用下發生不可逆的體積壓縮(即剪縮作用)，同時孔隙水又來不及排出去而造成孔隙水壓力上升和有效應力下降，直至轉化為液體狀態而發生“無限度”的流動狀滑坡。出現這種狀態的先決條件是砂土顆粒骨架必須具有疏松而不穩定的結構，稍加擾動即會變成“流動結構”。曾被稱為“真正液化”的液化現象。

　　往返活動性　大都表現為地震時飽和砂土地基或邊坡的液化破壞。出現這種情況的砂土不一定很松。飽和砂土在往返剪切作用下，當剪應變較小時有剪縮現象，從而引起孔隙水壓力上升，但當剪應變較大時又會發生剪脹，從而孔隙水壓力又將回降。經過多次往返剪切，在小剪應變時段內由於剪縮量的累積，隨之孔隙水壓力亦相繼上升，可以出現(2)式的應力狀態，引起液化；但是在大剪應變時段中，由於剪脹作用又使孔隙水壓力回降，而脫離(2)式的應力狀態，液化隨之消失。這種在往返剪切作用下發生的間隙性液化造成的“有限度”的流動狀變形，稱為往返活動性。

　　液化評定標準　原則上都可以(2)式為依據，即當飽和砂土中的應力狀態達到(2)式的關系時，即可認為已達液化狀態。例如：砂沸的標準是孔隙水壓力等於上覆壓力，此時的水力梯度

( 為飽和砂土的浮容重，γ _w為水的容重)，稱為臨界水力梯度。流滑的標準可用應力控制靜力固結不排水三軸試驗確定，找出飽和砂土在不同固結壓力 σ ₃ ^′下既無剪縮又無剪脹的孔隙比，稱為臨界孔隙比 e _cr。當天然孔隙比 e＞ e _cr時會液化； e _cr隨 σ ₃ ^′的增大而減小。往返活動性的標準可用固結不排水往返加荷三軸試驗或往返剪切單剪試驗確定，找出飽和砂土在經過一定往返加荷( σ _d)或往返剪切( τ _d)次數 n時，孔隙水壓力上升值 u _d第一次達到它的固結壓力值 σ ₃ ^′(三軸試驗)或 σ _r ^′(單剪試驗中的垂直固結有效壓力)時的應力比 σ _d/ 2 σ ₃ ^′或 τ _d/ σ _r ^′，作為判別依據。

　　液化與破壞不屬於同一范疇。很多情況表明，在飽和砂土中孔隙水壓力上升到極限平衡以後，就會發生失穩破壞，此時飽和砂土尚未達到液化；反之，在往返剪切作用下，飽和砂土也會出現間隙性液化，但不一定發生破壞或過大的變形。因此，應嚴格分清液化與破壞的不同性質和意義。對工程人員來說，關心的主要是破壞與否，因此不能簡單地以液化作為破壞判據。在工程設計特別是在抗震設計中，把液化與破壞等同的看法是錯誤的。

　　在抗震設計中，對水平地面下飽和砂土地震液化可能性（或稱液化勢）的判別方法，大都基於宏觀統計資料，目前用得最多的是標準貫入試驗。此外，近年正在探索用靜力觸探和波速測定等判別飽和砂土地震液化勢的新方法，已取得有希望的成果。