砂土液化的形成机制与防治措施
龙云涌左来
（新疆建筑科学研究院，新疆乌鲁木齐830000）
摘要：简要叙述了砂土的液化机制、液化类型以及影响因素，分析了防止液化常用的地基处理方法，并指出液化土的加固处理是抗震工程的重要组成部分，应引起重视。
关键词：砂土液化；机制；类型；地基处理
砂土液化是指饱水的粉细砂或粉土在地震力的作用下瞬时失掉强度，由固态变成液体状态的力学过程。砂土液化主要是在静力或动力作用下，砂土中孔隙水压力上升，抗剪强度或剪切刚度降低并趋于消失所引起的。
1形成机制
砂土受振动时，每个颗粒都受到其值等于振动加速度与颗粒质量乘积的惯性力的反复作用。由于颗粒间没有内聚力或内聚力很小，在惯性力周期性反复作用下，各颗粒就都处于运动状态，它们之间必然产生相互错动并调整其相互位置，以便降低其总势能最终达到最稳定状态。如振动前砂体处于紧密排列状态，经震动后砂粒的排列和砂体的孔隙度不会有很大变化，如振动前砂土处于疏松排列状态，则每个颗粒都具有比紧密排列高得多的势能，在振动加速度的反复荷载作用下，必然逐步加密，以期最终成为最稳定的紧密状态。
如果砂土位于地下水位以上的包气带中，由于空气可压缩又易于排出，通过气体的迅速排出立即可以完成这种调整与变密过程，此时只有砂土体积缩小而出现的“覆陷”现象，不会液化。如果砂土位于地下水位以下的饱水带，情况就完全不同，此时要变密就必须排水。地层的振动频率大约为1~2周期／秒，在这种急速变化的周期性荷载作用下，伴随每一次振动周期产生的孔隙度瞬时减小都要求排挤出一些水，如砂的渗透性不良，排水不通畅，则前一周期的排水尚未完成，下一周期的孔隙度再减小又产生了。应排除的水不能排出，而水又是不可压缩的，所以孔隙水必然承受由孔隙度减小而产生的挤压力，于是就产生了剩余孔隙水压力或超孔隙水压力。前一个周期的剩余孔隙水压尚未消散，下一周期产生的新的剩余孔隙水压力又迭加上来，故随振动持续时间的增长，剩余孔隙水压会不断累积而增大。当达到总应力值时，有效正应力下降到0，颗粒悬浮在水中，砂土体即发生振动液化，完全丧失强度和承载能力。
砂土发生液化后，在超孔隙水压力作用下，孔隙水自下向上运动。如果砂土层上部无渗透性更弱的盖层，地下水即大面积地漫溢于地表；如果砂土层上有渗透性更弱的粘性土覆盖，当超孔隙水压力超过盖层强度，则地下水携带砂粒冲破盖层或沿盖层已有裂缝喷出地表，即产生所谓的“喷水冒砂”现象。
地基砂土液化可导致建筑物大量沉陷或不均匀沉陷，甚至倾倒，造成极大危害。地震、爆破、机械振动等均能引起砂土液化，其中尤以地震为广，危害最大。
2砂土液化的类型
2.1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。
2.2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。
2.3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。
3影响因素
3.1砂土性质
对地层液化的产生具有决定性作用的，是土在地震时易于形成较高的剩余空隙水压力。高的剩余空隙水压力形成的必要条件，一是地震时砂土必须有明显的体积缩小从而产生空隙水的排水。二是向砂土外的排水滞后于砂体的振动变密，即砂体的渗透性能不良，不利于剩余空隙水压力的迅速消散，于是随荷载循环的增加空隙水压力因不断累积而升高。通常以砂土的相对密度和砂土的粒径和级配来表征砂土的液化条件。
3.1.1砂土的相对密度
从动三轴试验得知，松砂极易完全液化，而密砂则经多次循环的动荷载后也很难达到完全液化。也就是说，砂的结构疏松是液化的必要条件。表征砂土的疏与密界限的定量指标，过去采用临界孔隙度。这是从砂土受剪后剪切带松砂变密而密砂变松导出的一个界限指标，即经剪切后即不变松也不变密的孔隙度。目前常用的是相对密度Dr。
3.1.2砂土的粒度和级配
砂土的相对密度低并不是砂土地震液化的充分条件，有些颗粒比较粗的砂，相对密度虽然很低但却很少液化。
3.1.3粘粒含量的影响
砂土中的粘粒（粒径小于0.005mm）含量增加到一定程度时,土的动力稳定性将有所增加。建筑抗震设计规范（GB50011-2001）采用粘粒含量来反映细颗粒土对土的抗液化强度的影响。
3.1.4砂土结构性的影响
饱和砂土的结构性包括许多方面，如原状饱和砂土受扰动的影响、重新制备饱和砂土试样成型方法和静应力作用持续时间的影响、饱和砂土沉积环境异样引起的结构性影响。
3.2地震强度及持续时间
引起砂土液化的动力是地震加速度，显然地震愈强、加速度愈大，则愈容易引起砂土液化。简单评价砂土液化的地震强度条件的方法是按不同烈度评价某种砂土液化的可能性。
4防止砂土液化的处理方法
4.1挖换
挖去上部已液化土层，并用非液化土回填防止下部砂层的液化破坏。当液化土层较浅时，可考虑全部挖除；液化土层较深时，可考虑部分挖去，但部分挖除后下部土体是否液化是值得考虑的问题。
4.2加密
通过增加砂土的相对密实度以降低其液化，是一种被广泛采用的方法。对于饱和砂土的加密常采用直接振密法、碎石桩法、砂石桩法、爆炸振密法、强夯法等。
4.3排水
利用排水使砂土地基含水量下降，地震时土体超孔隙水压力的累积受到限制，降低其液化势。目前工程界有两种排水方法：降低地下水位法，砾石排水桩法。
4.4上覆压重
利用在土体上覆加压时不易液化的特点，通常在砂土地基表面覆盖一层由非液化土组成的压重盖层，来抑制其下土体的液化。压重盖层的厚度是其探讨的重点。
4.5围封
用板桩、砾石桩、地下连续墙等手段将结构物地基四周包围起来，限制砂土液化时发生侧移，使地基的剪切变形受到约束，避免大的沉陷导致建筑物破坏。使用围封处理措施时，板桩必须有足够的深度，以穿越可液化砂层为宜，否则围封措施起不到应有的作用。如果在采用围封措施的同时再布置一些砾石排水桩，则可大大提高其抗液化效果。
4.6桩基础
将桩身穿过液化土层，打入可靠的非液化土层，以桩尖支撑作用和桩体对桩周土的限制来抑制土体液化变形。实际震害调查表明，桩间土仍会发生液化破坏，桩基破坏显著。因此液化场地桩基的破坏过程、地震作用下桩间土液化过程以及桩基加固的设计计算方法等仍是需要研究的课题。