土壤液化：地震中奇妙但危险的自然现象

关于“地震土壤液化”，公众可能感觉很陌生。实际上，地震土壤液化是一个奇妙、复杂，而又颇具危害性的自然现象，是一种地震次生灾害。

一、什么是地震土壤液化？

地震土壤液化也称为土壤液化、土层液化、土体液化、场地液化，或简单地称为地震液化或液化。“液化”（“liquefaction”）一词最早由日本学者Mogami教授于1953年在第三届国际土力学及基础工程学术大会上提出，但直到1964年美国阿拉斯加和日本新泻先后发生了两次大地震，引发了显著的液化现象和灾害，地震液化研究才开始被科研和工程界所重视。

顾名思义，“液化”就是物质从固态或气态变成液态的物理过程和状态。而土壤液化就是松散、饱和的无粘性土（例如常见的砂土）在地震等作用下，土壤孔隙水压力升高、且短时间内难以消散，使土颗粒“悬浮”在孔隙水中，从而引起土壤有效应力（抗剪强度）降低甚至消失，土壤在较低应力水平下即可发生持续变形的一种状态（图1）。简单地说，就是地震作用使“固态”的土壤变成了可流动的“液态”，就像高温融化的蜡烛油一样可以流动。然而，并不是所有的土壤遇到地震都会液化，例如尚未发现5.0级以下地震有触发土壤液化的案例。一般而言，土壤发生液化需要四个条件：一是土壤（无粘性）处于较为松散的状态，密实或者具有粘性的土壤不会液化；二是土壤位于地下水位以下，土壤中的孔隙被水所充满（即被水“浸泡”），也就是土壤处于饱和状态；三是地震作用的往返动力荷载要有足够的强度（即地震震级要达到中强震以上），强度太小亦难触发液化；四是土壤处于封闭状态，以保证在地震时间期内的水不能很快渗透到周围，只有达到以上条件才会有可能出现土壤液化现象，所以，土壤液化不是随便一个地方，任何一次地震都会出现。

图1 土壤液化前后土颗粒状态（示意图）

二、何种类型的土壤会发生液化？

提到地震土壤液化，一般都被称为“砂土液化”，实际上这一称呼是狭隘的，或者说不准确的。早期震害调查发现的液化土类多为砂土，所以“砂土液化”渐渐成为惯用名称，扎根于公众认知当中。但随着震后调查资料的不断累积，实际液化的土类也在不断扩充，如1976年我国唐山大地震后发现了大量的粉砂（颗粒直径小于砂土）液化，2008年汶川地震确认了全球最大规模的天然沉积砾性土（颗粒直径大于砂土）液化，1993年美国关岛地震以及2010年海地地震出现了珊瑚土液化，还有研究表明黄土也可以液化，等等。这些震害现象极大扩展了可液化土的范畴，砂土液化只是其中的一类。

三、地震土壤液化有何后果和危害？

地震土壤液化是一种地震触发的自然现象，但它对建筑物和基础设施的破坏却是巨大的。从本世纪初以来，国内外几次重大地震中，因土壤液化导致的工程破坏和社会灾害所占的比重越来越大，所以土壤液化被学者称为防震减灾工作中的一颗“毒瘤”，成为越来越凶狠的隐形杀手。防御液化震害，首先应知道液化会引发哪些后果。从宏观现象上看，土壤液化会引起：喷水冒砂（图2a）、横向侧移扩展（图2b）、流动破坏（图2c）、地表往复震荡（图2d）、地面沉降（图2e）、地基丧失承载力（图2f）等，这些液化现象会导致相应形式的震害发生。

图2 液化引起的宏观现象以及对工程结构和基础设施的震害（图片a、e为陈龙伟拍摄；图片b~d和f来自NISEE电子图书馆）

地震土壤液化最直观的现象就是喷水冒砂，这也是震后现场调查识别液化的主要参考。通过地表喷出物来判定土壤液化，虽然这一方法有可能漏掉实际液化、没有地表喷出物的液化场地，但在实际震后调查中，地表喷出物依然是识别液化的主要标识。其实，土壤液化本身并不可怕，喷水冒砂是地震液化的一种奇妙的现象，地震时遇到喷水冒砂不必惊慌。历史地震还曾发现过土壤液化保护房屋结构的案例，但主要是低矮的房屋。例如在1975年海城地震中，部分村庄群众反映“湿震不重干震重”、“喷水冒砂地方倒房少，不喷水冒砂地方倒房多”、“多亏这次地震喷水冒砂，要不房子也保不住了”。然而，这些并不能遮蔽土壤液化对工程结构和基础设施的“杀手”本质。

四、地震土壤液化如何防控？

目前防御地震土壤液化最主要的手段是震前对工程场地的液化可能性进行预测，然后依据预测结果以及建筑物重要程度采用适当的地基加固处理方法。根据以往震害经验和现场实测数据已经形成了比较成熟的液化判别方法，以此来预测土壤液化的可能性，这种方法已经写入了各国的抗震设计规范，其中《建筑物抗震设计规范 GB 50011-2010》中的液化判别方法是我国科学家提出的适于我国国情，具有中国特色，且工程应用最广泛、最权威的液化判别方法，被国际学者称为“中国方法”。

对于存在液化可能性的场地通常采用以下防御措施：将可液化土换成非液化土、将地下水位降低或减小可液化土的饱和程度、增加可液化土的密实程度、加强排水性使地震时孔压能够快速消散、采用复合地基增加可液化土的强度等。也有学者提出了震后场地液化快速识别与报警技术，通过高密度地震实时监测系统，为地震液化及其灾害进行实时评估提供一种新途径。

现阶段可液化地基处理方面与建筑物的抗震加固措施相比，依然存在技术复杂、造价较高等问题，这也是近期大地震中，包括许多发达国家在内仍然出现大规模严重液化灾害的重要原因之一。土壤液化问题面对的不是经过我们自主选择、研究分析和设计的产品，而是天然的、性质复杂的岩土，因此问题更加复杂，研究难度更大。未来地震液化灾害治理最重要的应该是在理念上进行更新。只有不断地研究和探索，才能逐步减轻地震液化灾害，最终实现地震液化仅是一种自然现象而非自然灾害的目标。

防震减灾融媒体工作室 出品

指导： 中国地震局公共服务司（法规司）

作者：中国地震局工程力学研究所 陈龙伟 袁晓铭