沙土液化问题与防治
（一）液化
饱和松散的沙（包括某些粉土）受到振动时，如果孔隙水来不及排出，体积减小的趋势将使孔隙水压力不断增高，有效应力逐渐减小。当有效应力降低为零时，土便丧失抗剪强度，成为液体状态，这就是常说的液化现象。
液化可在饱和沙层中任何部位发生，既可在地面，也可在地面以下某一深度处，取决于沙的状态和振动情况，有时上部的沙层本来不液化，但由于下部沙层发生液化，超静水压力随着水的向上流动而消散，这时如果水力坡度太大，向上水流可能使上部沙层发生渗流破坏而失稳，或即使达不到失稳，但也会使上部沙层的承载能力大为下降。
饱和沙层发生液化时，通常可在地面上看到喷水冒沙或沿地裂缝涌水的现象。喷水可高达数米，随水流上冒的沙粒则在喷冒口周围形成“火山口”状堆积，其直径可达数米。这种喷水冒沙现象一般在强震后数秒钟内开始出现，并可延续到地震振动停止后几十分钟至数小时，甚至十余小时。然而，也有发生液化而不出现喷水冒沙现象的情况。例如，当发生液化的饱和沙层位于地面下较深处而厚度又比较薄时，向上排放的孔隙水和沙粒不足以喷出地面，只在上覆土层中形成“沙脉”。这种潜伏在地面以下的液化通常不产生明显的宏观危害。
沙类土液化使地基土丧失承载力，并伴随有一定的活动性，往往给工程建筑造成灾害性的破坏。例如：1964年6月6日日本新潟地震，由于沙土液化，地基丧失承载力，使工程建筑物遭到广泛的破坏，许多构筑物下沉大于1m，并有一公寓倾斜达80°。沙土液化时，有地下水从地面裂缝冒出，同时，汽车、房屋和其他物体下沉到液化的沙土中，而有的地下构筑物则被浮托到地面，港口设施等也遭到严重破坏。
荷兰西南海边，1861—1947年间先后发生过229次沙土液化事件，总面积达250万m2，移动液体的体积达到2500万m3，海岸原地面坡度为10°～15°，液化后地面坡度坍塌为3°～4°。又如唐山地震中发现地基液化的地层至少有四种情况，从平面分布看有片状和带状（图4-25），从垂直剖面看有浅层液化与深层液化。片状和浅层液化多出现在河流冲积扇地区，而带状和深层液化出现在填平的古河道的下游。这些土层的分布情况，对工程危害性并不相同。所以认真分析土层的分布，对保证设计的准确性具有重要意义。
图4-25 各土层液化性状
（a）片状液化平面；（b）带状液化平面；（c）浅层液化平面；（d）深层液化平面
调查统计表明，平原地区的地震震害中有半数以上是由于液化造成的。以海城、唐山地震为例，由于地震液化造成严重损坏的建筑物数目约占地基基础震害总数的54%。地基液化可使房屋倾斜、倒塌、地坪隆起、开裂，路基滑移纵裂，岸坡滑动，并使有些浅埋地下的轻量构筑物（如管道）托出地面。总之，位于液化地区内的各种工程设施几乎无一可幸免于难。
（二）产生液化的因素
从沙土液化的本质而言，人们开始的认识是密沙不容易液化，而松沙则容易液化。因此认为沙土的密度是关键问题。对不同密度的沙剪切时的变化进行了研究，发现松沙在剪切时体积收缩，而密沙在剪切时会发生膨胀（剪胀性），于是提出临界孔隙比的概念，即当孔隙比e等于临界孔隙比时，沙受剪时，体积既不发生收缩也不发生膨胀。当沙土的孔隙比低于临界孔隙比时就不会发生液化；只有当沙土的孔隙比高于临界孔隙比时，受振时发生收缩，孔隙水压力上升，粒间有效应力减小，使沙土的强度降低甚至丧失，则会发生液化。
对沙土液化进行大量的试验研究后，发现仅按“临界孔隙比”评价是片面的，孔隙比小于临界孔隙比的沙，在某些条件下也会发生液化。因此孔隙比大小不是液化的唯一因素。沙土、粉土液化的发生既与其土质特性（内因）有关，也与液化前该土体所处的应力条件以及使之发生液化的动力作用特性等外部因素有关，是上述因素综合作用的结果。
1.沙土、粉土的特性（包括土的类别、颗粒组成及密实度）
一般条件下，因饱和粉、细砂比中、粗砂透水性差，受震（振）时易于液化。根据已经发生液化现场的土工分析统计资料来看，一般认为特别容易发生液化的砂土的平均粒径d 50=0.075～0.2mm；颗粒大小越均匀，不均匀系数大于5者，较之级配良好的砂土易于液化；土中黏土颗粒具有抑止液化的作用，故纯净的砂较之含有某些数量黏粒的砂易于液化。海城、唐山地震中大面积已液化饱和粉土的土工分析统计资料表明，粉土中黏粒含量不大于10%的沙质粉土更易于液化。因此，黏粒含量已被国家规范定为判别粉土液化性能的一个重要指标。
土工分析与现场观测表明，液化的敏感性在很大程度上取决于砂土或粉土的密度（D r或e）。上述易于液化砂土的颗粒组成条件也说明这一问题。临界孔隙比的概念说明密实度是引起液化的重要因素之一。按我国《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50487—2008），认为当饱和砂土的相对密度D r小于表4-5中的数值，地震时可能发生液化。日本新潟1964年地震时，烈度7度区D r≤0.5地段液化很普遍，而在D r≥0.7地段则未发生液化。
表4-5 可能发生液化的相对密度Dr指标
2.液化前沙土、粉土所处的起始应力条件
天然沙土或粉土由于地面有无超载、先期压力和埋深不同，地下水位不同，使其土体处于不同的起始应力状态。当沙土、粉土所处围压增大，液化的可能性就减小，或发生液化所需的动力作用强度也就增大。在我国邢台地震时，该地有一村庄下面埋藏沙层与周围地区相同，但因该村庄填土2～3m厚，未发生液化，而其周围地区广泛液化。
3.动力作用的特性
对类别和密实度一定的沙土或粉土，起始应力状态也一定时，要使之产生液化就必须使动力作用强度超过某一临界值。对地震来说，可用地面最大加速度作为指标。一般经验，当地面最大加速度为0.1g（g为重力加速度，1g=980cm/s2）则可能发生液化。现场观测和室内外试验资料还表明，土在动力作用下液化的产生还与应力应变的变化频率及振动延续时间有关。如阿拉斯加地震时，由沙土液化而产生的滑坡多发生在地震后90s，如地震延续时间只有45s，则不发生液化，也不发生滑坡现象。室内试验表明，液化要振动频率达一定数值后才发生。
综合以上因素可以看到，要正确地评定沙土和粉土液化，就必须很好地研究上述这些因素和它们之间的相互关系。
（三）抗液化措施
抗液化措施主要分为两类：
一类是将可液化土层全部或部分处理（加密或挖除换土），或者是采用桩基或深基础将建筑物荷载穿过可液化土层传到下面非液化土层上。这类方法比较彻底，但费用较贵，应视具体情况（如建筑物的重要性和重量、可液化土层的液化危害系数、厚度和位置深浅等）慎重决定是否采用。用振冲法、强夯等加密可液化饱和沙层可取得良好效果。
另一类是不做地基处理，着重增加上部结构的整体刚度和均衡对称性（包括避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式）以及加强基础的整体性和刚性（如采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条形基础），以提高建筑物均衡不均匀沉降的能力，减少地基液化可能造成的危害。
震害调查表明，可液化土层直接位于基础底面以下和可液化土层同一基础底面之间有一层非液化土层。两种情况不大相同，后种情况震害大大减轻。因此，如果靠近地表有一定厚度的非液化土层而建筑物荷载又不是特别重，应尽量利用上面这层非液化土层作为持力层，采用浅基础方案。同理，提高地面设计标高，利用填土增加作用于可液化土层上的覆盖压力也是一种防止液化的有效措施。
总之，选择合理的抗液化措施十分重要，既要保证必要的安全度，又要防止造成浪费。应结合地基液化等级和建筑物具体情况全面综合考虑，可参照以往工程经验，也可参照建筑抗震设计规范中的有关规定进行选择。