砂沸

當一個飽和砂沉積體中的孔隙水壓力由於地下水頭變化而上升到等於或超過它的上覆壓力時，該飽和砂沉積體就會發生上浮或“沸騰”現象，並且全部喪失承載能力。這個過程與砂的密實程度和體積應變無關，而是滲透壓力引起的液化，常被考慮為“滲透不穩定”現象。但是，從物態轉變行為來看，“砂沸”也屬於土的液化的範疇。

基本介紹

• 中文名：砂沸
• 外文名：sand boil
• 機理：土的液化機理
• 套用領域：土力學

簡介

公元11世紀，我國北宋科學家沈括曾在《夢溪筆談》中對液化有過詳細的描述：“予在郝延，見安南行營諸將閱兵馬芨，有稱過范河損失，問其何為范河，乃越人稱淖沙為范河，北人謂之活沙。予賞過無定河，度活沙，人馬履之，百步外皆動，灞灞然如人行幕上。其下足處雖甚堅，若遇其一陷。則人馬跪車，應時皆沒，至有數百人平陷無孑遺者。或謂，此即活沙也。”地震、機械振動、打樁、爆破等都可能導致液化，而以地震引起的大面積液化危害最大。邢台地震、海城地震和唐山地震均造成了嚴重的液化，損失嚴重。

容易液化的土一般是砂和少粘性土，這種土主要靠粒間的摩擦力維持本身的穩定和承受外力，而摩擦力主要取決於法向應力。謝定義認為超靜水壓力由應力孔壓、結構孔壓和傳遞孔壓組成。砂沸是傳遞孔壓引起的“滲透不穩定”現象，可以是非動力作用如地下水位上升誘發，也可是動力作用如地震引起。

飽和砂土的孔隙水壓力變化是土體對外荷載作用的巨觀回響。當飽和土體中的超孔隙水壓力增長到一定程度時引起液化，土體由固態轉變成懸浮態。砂沸的產生是砂土液化中一種特殊的現象。當超孔隙水壓力逐漸增大，達到土體本身的重力時，在土體某些薄弱的部位就產生了砂沸現象，這時的孔隙水壓或水力梯度稱為臨界孔隙水壓力或臨界水力梯度。

砂沸產生緣由

砂沸，屬於砂土液化的一種現象。在振動等外載作用下，砂土發生液化的基本條件在於飽和砂土的結構疏鬆和滲透性相對較低，以及振動的強度大和持續時間長。原因有兩個：

1.內因－地基土本身的性質；

2.外因－土體中出現超靜孔隙水壓力。

地基土性質

液化現象多發生於飽和砂土，飽和的疏鬆粉、細砂土體在振動作用下有顆粒移動和變密的趨勢，對應力的承受由砂土骨架轉向水，由於粉、細砂土的滲透性不良，孔隙水壓力急劇上升。當達到總應力值時，有效正應力下降到0，顆粒懸浮在水中，砂土體即發生振動液化，完全喪失強度和承載能力。粘性土因為細顆粒有粘著力，一般難以發生液化；粗粒土因為透水性大，振動時孔隙水壓力迅速消散，也難以發生液化。

外載作用下的超靜孔隙水壓力

液化是土體內超靜孔隙水壓力發展至 （μ_g為孔隙水壓力；6_3c為側向有效固結壓力）的一種現象。產生超靜孔隙水壓力是由於飽和砂土外載振動的強度大與持續時間長，土顆粒產生變密趨勢，從而在土體內部產生超靜孔隙水壓力，又未及時消散時，一旦超過上層土重量，孔隙水就會尋找通道衝出地面，並將土顆粒一起帶出，出現噴水冒砂，即砂沸現象。

砂沸的三維應力條件

砂沸的土體抗剪強度

砂沸過程應力演變

按照物質狀態的劃分，物質在固體狀態時擁有剪下剛度和抗剪強度，所以在重力場內能保持一定形狀，而液體則不能。因為在狀態分類中，液體屬於沒有剪下剛度和抗剪強度的物體。砂沸時的土體抗剪強度公式為：

土體由固體變為液體的條件是

因此必須有 ，

粘性土一般不滿足 ，故

情況難於實現，所以土液化問題主要集中於無粘性土或少粘性土。因此，

的條件是

砂沸的應力張量

土體中一點處應力張量形式為：

其中σ_ij和σ_ij分別為總應力張量和有效應力張量，δ_ij為Kronecker Delt。當變為液體時上式變為：

此即土體液化的有效應力張量形式。土體中一點處應力又可用偏應力張量和球應力張量表示：

經過計算後可得發生液化的條件為：

研究表明

1.砂沸發展過程中，廣義剪應力與有效應力張量第一不變數均隨著孔隙水壓力的增大而減小，且逐漸趨於零；

2.廣義剪應力與有效應力張量第一不變數呈線性關係，直線的斜率由飽和砂土的側壓力係數確定。

以上結論是基於一層各向同性飽和砂土得出的結論，當沉積體是由兩層以上性質不同的砂層組成或一層各向異性砂組成時，各個方向的孔隙水壓力將不同，其值應根據滲流場計算確定。