振动砂土液化及其影响因素

本文简要叙述了砂土振动液化的基本概念、形成机制、液化类型以及影响因素，给出了液化的判别，并且指出了液化研究工作仍需进一步发展。

引言

砂土液化是土动力学中的一个挚关重要的课题。日本新泻地震（1964）、美国阿拉斯加地震、我国唐山大地震（1978）以及神户大地震（1995）都是典型的地震时由于砂土液化问题引起的破坏。因此砂土液化问题作为土动力学的一个重要专题受到工程界的广泛关注。

根据美国岩土工程学会土动力学会（1978）对液化的定义：任何物质转化为液体的过程。就无黏性土而言，这种由固态到液态的转化，是孔压增加，有效应力减小的结果。该学会同时定义了实际液化和循环液化等概念。实际液化是指在外载荷作用下，松散饱和砂土的强度极大地降低，累积孔隙水压力达到围压，从而导致土体破坏。循环液化是指在外载荷作用下，具有膨胀趋势的较密实的砂样中孔隙水压力在每一循环中瞬时达到围压的结果。

砂土液化就是指砂土层内的孔隙水压力增高到了大于或等于上覆土压力时，砂土就不再具有抗剪强度，而引起的砂土破坏。振动液化是土动力强度的一个特殊问题。地震、波浪、车辆、机器振动、打桩以及爆破等都可能引起饱和砂土液化，其中又以地震引起的大面积甚至深层土体液化危害面广，危害严重，常引起场地整体失稳。此外岸坡或坝堤中的饱和砂层液化丧失抗剪强度会使土坡失稳而产生滑坡。喷水冒砂、震陷、滑坡、上浮等现象都是地下砂层液化造成危害的宏观表现。

砂土液化形成机制

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，各颗粒都处于运动状态，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。

砂土液化的类型

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。在土力学中常把其列入渗透稳定问题的范畴，但从其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。

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。

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。

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