饱和砂土液化机理及液化判别方法
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摘 要：砂土液化是一种由地震引起的次生地质灾害。我国邢台、唐山和海城三地强地震，都发生了大范围的液化，造成严重损害。在当前国家加强基础设施建设、加快城镇化的背景下，砂土地震液化判别在岩土工程勘察中的重要性在不断提升。文章对砂土液化机理进行介绍，对几种常用且有代表性的判别方法进行归纳总结，并对饱和砂土液化的判别方法提出自己一些认识及看法。
1 地震液化机理及影响因素
1.1 砂土液化的概念
在动力荷载、地震、等外力作用下，饱和砂土受到强烈的振动，导致其丧失抗剪强度，并使砂粒处于悬浮状态，造成地基出现失效现象即称为砂土液化。
1.2 地震液化的机理
地震时剪切波在土体中引起交变应力，产生震动孔隙水压力。引起孔隙水压力增加的原因是水与土粒在交变应力的作用下，受强烈震动的土粒变密，而受到水的阻碍把能量传递给水。随着孔隙水压力的上升，土颗粒在自重的作用下力图向下沉落，而孔隙水在震动孔隙水压力作用下力图向上排出，导致土体结构在被破坏的瞬间，土粒向下沉落受到孔隙水向上排出的阻碍，最终有效应力减至零，土粒间无力的传递，土粒失重，使抗剪强度消失，进而砂土出现液化情况。此时土骨架崩溃，土粒可随水流动，这就是液化过程。
1.3 液化影响因素
砂土的组成：一般情况下，粗砂比细砂不容易液化，其主要原因是粗砂有良好的透水性，即使粗砂发生液化现象，孔隙水超压作用时间短，大大缩短其液化的时间。
相对密度：密砂比松砂不容易液化。由于松砂是无粘性土与粘性土之间的土壤，所以砂土的密度低容易发生液化。
土层的埋深：地震发生时，液化砂土层的深度处于10m以内。因此砂土层埋深深度越大，砂土越不容易液化。
地下水位：地下水位浅的比水位深的地方较容易发生液化现象。地下水位深度小于4m的砂类液化区域，易发生液化。粉土液化在7度至9度区内，地下水位小于1.5m、2.5m、6.0m的区域容易被液化。
震持续时间和地震烈度大小：根据调查表明，地震烈度越高时，地面运动强度就越大，极易发生液化现象。地震力度在5至6度范围内，很少发生液化现象。调查数据也说明，在地震烈度低时，而地面运动时间较长，也会出现液化现象。
2 常用的几种饱和砂土液化判别方法对比
2.1 临界标准贯入击数法
该方法是通过对比饱和砂土的实际标准贯入击数和临近标准贯入击数进行比较而判别。标准贯入击数技术成熟能够判别饱和砂土液化情况，是行业抗震规范的检测方法，在场地勘察适用的地震烈度在7至9度之间、埋深在20m范围以内的饱和砂层。该方法是国内根据实际地震资料为依据，经过统计分析得出的经验方法，但该方法存在一定缺陷，缺乏理论依据，对地震中一些关键影响因素未考虑，且计算所需的参数的获取受人为影响容易产生较大误差，判别结果准确性难以保证。
2.2 静力触探比贯入阻力判别法
该方法能够辨别地面下15m深度范围内的饱和砂土或粉土的液化可能性，采用双桥探头或单桥探头静力触探试验法。
式中：pscr是饱和土CPT液化比贯入阻力临界值，qccr锥尖阻力临界值（MPa）；du是上覆非液化土层厚度（m），计算时需要把淤泥质土层厚度和淤泥扣除；dω是地下水位深度（m）；pso是地下水深度dω=2m，qco是上覆非液化土层厚度du=2m，饱和砂土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力基准值（MPa）；αp是与静力触探摩阻比有关的土性修正系数。
当实测计算比贯入阻力ps或实测计算锥尖阻力qc小于液化比贯入阻力临界值pscr或液化锥尖阻力临界值qccr时，应判别为液化土，否则为非液化土。
该判别方法以静力触探锥尖阻力位判别值为依据，因其受原位测试的局限性，使该方无法定量区分土性，不能确定液化范围，且实测值取值易受人为因素影响。
2.3 剪切波速法
该方法辨别饱和砂土液化的可能性是通过在实际条件下土的剪切波波速vs与土可液化时的剪切波波速vs，cr之间的对比。江闻韶曾提出用动三轴试验的结果，即G/Gmax-γ/γr推导出能够液化临界剪切波速vs，cr的方法。该方法是在关于地震剪应力的有关表达式中带入γ=τ/G，得到相应的地震剪应变数据，如式（1）。引入剪切模量与剪切波波速间的关系，可以得到相应的剪切波速关系式，如式（2），然后用液化剪应变幅值下限γcr等于液化时剪应变的条件，得到临界剪切波波速数值，如式（3）。最后将它与实际的剪切波波速vs比较判别饱和砂土液化可能性。
式中：Kmax是地震系数，Kmax=；γρ=g，γcr是液化时的剪应变，γ是土的实际重量，实验证明：是液化剪应变幅值下限γcr时动剪切模量比，可以在试验得到的G/Gmax-γ/γr曲线查取。
该方法具有稳定性好，可在土层原位状态下进行等优点，近年来在勘察中有较多应用。但是该方法在原位状态下进行，不能对定量区分土性，且判别液化时未考虑上覆土层的土性、厚度以及黏粒含量，具有一定的局限性。
2.4 临界孔隙比法
临界孔隙比法判别饱和砂土液化的可能性是通过饱和砂土的实际孔隙比与临界孔隙比之间比较。该方法判别液化是在饱和砂土受到剪切破坏后，土样由低密度变成高密度，并产生松胀现象。因为临界孔隙比不是一个固定的数值，它的变化随应力状态而改变，在振动加载条件下的体积变化和在单向静力加载条件下的体积变化并不一致，因此以考虑到动荷载特性和应力状态为前提，再对饱和砂土采用临界孔隙比法进行测定。否则，尽管该方法有理论依据，作为判别饱和砂土的液化可能性的标准具有一定缺陷，只能说明土结构被破坏的程度，不能反映动载荷的特性。
3 结束语
文章分析了砂土液化的机理，介绍了几种常用的砂土液化判别方法，并对这些液化判别方法的特点进行了对比，可以作为工程实际的有益参考。鉴于地震液化机理及其影响因素的复杂性，在进行砂土层液化评判时应综合考虑各影响因素，采用多种分析方法对饱和沙土进行判别，才能客观判定砂土是否发生液化。
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