[科普中国]-砂沸

简介

公元11世纪，我国北宋科学家沈括曾在《梦溪笔谈》中对液化有过详细的描述：“予在郝延，见安南行营诸将阅兵马芨，有称过范河损失，问其何为范河，乃越人称淖沙为范河，北人谓之活沙。予赏过无定河，度活沙，人马履之，百步外皆动，灞灞然如人行幕上。其下足处虽甚坚，若遇其一陷。则人马跪车，应时皆没，至有数百人平陷无孑遗者。或谓，此即活沙也。”地震、机械振动、打桩、爆破等都可能导致液化，而以地震引起的大面积液化危害最大。邢台地震、海城地震和唐山地震均造成了严重的液化，损失严重。

容易液化的土一般是砂和少粘性土，这种土主要靠粒间的摩擦力维持本身的稳定和承受外力，而摩擦力主要取决于法向应力。谢定义认为超静水压力由应力孔压、结构孔压和传递孔压组成。砂沸是传递孔压引起的“渗透不稳定”现象，可以是非动力作用如地下水位上升诱发，也可是动力作用如地震引起。

饱和砂土的孔隙水压力变化是土体对外荷载作用的宏观响应。当饱和土体中的超孔隙水压力增长到一定程度时引起液化，土体由固态转变成悬浮态。砂沸的产生是砂土液化中一种特殊的现象。当超孔隙水压力逐渐增大，达到土体本身的重力时，在土体某些薄弱的部位就产生了砂沸现象，这时的孔隙水压或水力梯度称为临界孔隙水压力或临界水力梯度。

砂沸产生缘由砂沸，属于砂土液化的一种现象。在振动等外载作用下，砂土发生液化的基本条件在于饱和砂土的结构疏松和渗透性相对较低，以及振动的强度大和持续时间长。原因有两个：

1.内因－地基土本身的性质；

2.外因－土体中出现超静孔隙水压力。

地基土性质液化现象多发生于饱和砂土，饱和的疏松粉、细砂土体在振动作用下有颗粒移动和变密的趋势，对应力的承受由砂土骨架转向水，由于粉、细砂土的渗透性不良，孔隙水压力急剧上升。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。粘性土因为细颗粒有粘着力，一般难以发生液化；粗粒土因为透水性大，振动时孔隙水压力迅速消散，也难以发生液化。

外载作用下的超静孔隙水压力液化是土体内超静孔隙水压力发展至 （μg为孔隙水压力；6′3c为侧向有效固结压力）的一种现象。产生超静孔隙水压力是由于饱和砂土外载振动的强度大与持续时间长，土颗粒产生变密趋势，从而在土体内部产生超静孔隙水压力，又未及时消散时，一旦超过上层土重量，孔隙水就会寻找通道冲出地面，并将土颗粒一起带出，出现喷水冒砂，即砂沸现象。2

砂沸的三维应力条件砂沸的土体抗剪强度

按照物质状态的划分，物质在固体状态时拥有剪切刚度和抗剪强度，所以在重力场内能保持一定形状，而液体则不能。因为在状态分类中，液体属于没有剪切刚度和抗剪强度的物体。砂沸时的土体抗剪强度公式为：

土体由固体变为液体的条件是

因此必须有 ，

粘性土一般不满足 ，故 情况难于实现，所以土液化问题主要集中于无粘性土或少粘性土。因此， 的条件是

砂沸的应力张量土体中一点处应力张量形式为：

其中σij和σ'ij分别为总应力张量和有效应力张量，δij为Kronecker Delt。当变为液体时上式变为：

此即土体液化的有效应力张量形式。土体中一点处应力又可用偏应力张量和球应力张量表示：

经过计算后可得发生液化的条件为：

研究表明

1.砂沸发展过程中，广义剪应力与有效应力张量第一不变量均随着孔隙水压力的增大而减小，且逐渐趋于零；

2.广义剪应力与有效应力张量第一不变量呈线性关系，直线的斜率由饱和砂土的侧压力系数确定。

以上结论是基于一层各向同性饱和砂土得出的结论，当沉积体是由两层以上性质不同的砂层组成或一层各向异性砂组成时，各个方向的孔隙水压力将不同，其值应根据渗流场计算确定。3