土壤液化

当无粘性饱和或部分饱和的土壤因施加的应力（例如地震期间的震动或其他应力条件的突然变化）而显着失去强度和刚度时，就会发生土圧液化，在这种情况下，通常为固体的材料表现得像液体。 在土壤力学中，液化一词最早由艾伦·哈森 (Allen Hazen) 使用，指的是 1918 年加利福尼亚州卡拉维拉斯大坝 (Calaveras Dam) 的溃坝事故。 他将堤坝流动液化的机理描述为：

如果孔隙中水的压力大到足以承受所有载荷，它将具有将颗粒分开并产生实际上相当于流沙的条件的效果......某些部分的初始运动 材料的流动可能导致压力累积，首先在一个点上，然后在另一个点上，随着早期的浓度点被液化。

这种现象最常在饱和、松散（低密度或未压实）的沙质土壤中观察到。 这是因为当施加负载时，松散的沙子有压缩的趋势。 相比之下，致密的沙子往往体积会膨胀或“膨胀”。 如果土壤被水饱和，当土壤低于地下水位或海平面时经常存在这种情况，然后水会填充土壤颗粒之间的间隙（“孔隙空间”）。 作为对土壤压缩的响应，孔隙水压力增加，水试图从土壤流出到低压区（通常向上流向地表）。 然而，如果载荷被快速施加并且足够大，或者重复多次（例如地震摇晃、风暴波载荷）使得在施加下一个载荷循环之前水不会流出，水压可能会增加到 它超过使它们保持接触的土壤颗粒之间的力（接触应力）的程度。 谷物之间的这些接触是建筑物和覆盖土壤层的重量从地面转移到更深处的土壤或岩石层的方式。 土壤结构的这种损失导致它失去强度（传递剪切应力的能力），并且可以观察到它像液体一样流动（因此“液化”）。

虽然土壤液化的影响早已为人所知，但在 1964 年阿拉斯加地震和 1964 年新泻地震之后，工程师们更加关注这一问题。 它是 1989 年 Loma Prieta 地震期间旧金山滨海区和 1995 年阪神大地震期间神户港遭到破坏的主要因素。 最近，在 2010 年坎特伯雷地震期间，土壤液化对基督城东郊和卫星城镇的住宅财产造成了广泛破坏，并且在 2011 年初和中期发生的基督城地震之后再次造成更广泛的破坏。 2018 年 9 月 28 日，印度尼西亚中苏拉威西省发生 7.5 级地震。 由此产生的土壤液化将 Balaroa 和 Petobo 村的郊区埋在 3 米深的泥土中。 印度尼西亚政府正在考虑将完全被泥土掩埋的 Balaroa 和 Petobo 两个街区指定为乱葬坑。

许多国家的建筑规范要求工程师在设计新建筑和基础设施（例如桥梁、堤坝和挡土结构）时考虑土壤液化的影响。

当土壤的有效应力（抗剪强度）降低到基本为零时，就会发生土土液化。 这可能由单调加载（即应力变化的单一、突然发生——示例包括路堤上的负载增加或脚趾支撑突然丧失）或循环加载（即应力条件的重复变化——示例包括 波浪载荷或地震震动）。 在这两种情况下，处于饱和松散状态的土壤和可能因荷载变化而产生显着孔隙水压力的土壤最有可能液化。 这是因为松散的土壤在剪切时有压缩的趋势，在不排水加载过程中，当载荷从土壤骨架转移到相邻的孔隙水时，会产生很大的超孔隙水压力。

随着孔隙水压力的升高，随着有效应力的降低，土壤的强度逐渐降低。液化更可能发生在沙质或非塑性粉质土壤中，但在极少数情况下可能会发生在砾石和粘土中（见快速粘土 ).

如果土壤强度降低到低于维持斜坡或结构基础平衡所需的应力，则可能会发生“流动失败”。 这可能由于单调加载或循环加载而发生，并且可能是突然的和灾难性的。 一个历史例子是阿伯凡灾难。 Casagrande 将这种现象称为“流动液化”，尽管这种现象的发生不需要有效应力为零的状态。