液化现象及其原因分析——孔隙水压力与有效应力的平衡失调

饱和的砂土或饱和的轻亚黏土受到水平向地震运动的循环剪切或竖向地震运动的反复振动后，土颗粒间的接触应力会发生变化。当这种应力达到一定数值时，就会破坏土体原来的联结和结构状态，使土颗粒之间彼此脱离接触。此时，原先由土颗粒通过接触点传播的应力就要传递给孔隙中的水由此来承担，从而引起孔隙水压力的增加。随着地震循环作用次数的增加，孔隙水压力逐渐积累上升，超过原有的静水压力，使土体的有效应力减小。当孔隙水压力与土体的上覆有效压应力相等时，动力抗剪强度完全丧失，土体发生液化。

人们最早在荷兰的西兰海岸观察砂的液化破坏现象。1881 ～1946 年记载到229 次砂的液化现象，流动的砂达2500 万m3。发生流动的砂中90%为粒径0.07～0.2mm的均匀细砂。液化流动后，自然坡角为3°～4°。1918 年荷兰一段穿过渠道的铁路路基砂填方在火车通过时因振动发生流动，火车陷入砂中，引起了科学家的注意。1936 年Casagrande最早用临界孔隙比解释松砂液化的机理：大于临界孔隙比的饱和松砂受振动时，孔隙缩小，孔隙水排出，在此过程松砂失去抗剪强度，甚至喷水冒砂；小于临界孔隙比的饱和紧砂受振动时，孔隙不缩小，孔隙水不排出，不降低抗剪强度。1952 年，前苏联科学家高尔希金作了试验研究，提出液化孔隙比的概念。试验得出，略大于临界孔隙比的饱和砂受振动时排出的水量不足以发生液化。达到某种孔隙比的饱和砂受振动时才发生液化，称此孔隙比为液化孔隙比。

我国科学家用振动三轴仪研究液化问题早于美国。黄文熙于1961 年研制了能测振动孔隙水压力的振动三轴仪，经多次实验研究，发表了振动孔隙水压力与振动加速度及固结比的关系。Seed在1966 年用振动三轴仪作液化试验，其振动三轴仪不能测振动孔隙水压力，因而以轴向应变10%作为液化标准，后来又改为轴向应变5%作为液化标准。发表的许多论文提到“初始液化（initial liquefaction）”、“循环液化 （cyclic liquefaction）”、“真正液化（true liquefaction）”“循环剪切强度 （cyclic shear strength）”等词。1978 年，美国土木工程师学会（ASCE）岩土工程分会土动力学委员会对于液化的定义为：物体由固态转变为液态的过程，不论其扰动力是静力的、振动的、海浪冲击的、脉冲力或者地下水压力的改变，都叫液化。砂土的液化是由孔隙水压力的增加和有效应力的降低而导致的。“初始液化”、“循环液化”、“真正液化”等词停止使用。“循环抗剪强度 （cyclic shear resistance）”是产生液化所需的循环应力水平（level of cyclic stress），或者产生某一应变值所需的循环荷载。“循环剪切强度”一词停止使用。

美国土木工程师学会岩土工程分会土动力学委员会对液化的定义和停止使用“初始液化”、“循环液化”、“真正液化”、“循环剪切强度”等词实际上是不同意Seed 在1966～1978 年提出的观点和方法。

汪闻韶（1993）将饱和土的液化机理主要概括为循环流动性 （cyclic mobility）、流滑（flow slide）和砂沸（sand boil）三种：(www.xing528.com)

（1）循环流动性是在循环剪切过程中由于土体体积剪缩与剪胀交替作用而引起孔隙水压力时升时降而造成的间歇性液化和有限制的流动性变形现象，主要发生在中密和较密的饱和无黏性土中。

（2）流滑是在单向或循环剪切作用下由于体积持续剪缩、孔隙水压力不断上升和抗剪强度骤降所造成的无限制的流动性大变形，主要发生在松散而排水不畅的饱和无黏性土中。

（3）砂沸是饱和无黏性土中孔隙水压力超过上覆土体自重时所造成的喷水冒砂现象，这个过程与土的体应变无关，主要取决于地震动引起的土中孔隙水压力水头场的分布。

汪闻韶是对砂土实验室三轴试验多年观察得出的总结，但未紧密结合工程实践。