土体液化是一种具有典型性和普遍性的地震现象，也会导致严重震害，是地震学、地质学、地震工程学等学科领域共同关注的问题.20世纪一系列大地震中液化及其震害十分严重，而本世纪以来大地震液化及其震害仍然不断.2011年新西兰M_W6.3地震液化显著，成为震害主因(陈龙伟等，2013)，2016年台湾高雄M_W6.7地震中又出现大规模液化，也震出了全台湾土壤液化危机(李兆焱等，2016).

目前土体液化的概念基本等同于砂土液化(Braja，1984；谢定义，2011)，其主要原因是以往土体液化大量出现在饱和砂土层.而对天然沉积砾性土场地，由于其液化现象屈指可数(Youd，1985；Kokusho，1995；Sirovich，1996；Hatanaka，1997；Koester，2000；Lin，2004)，且成规模的主要是人工砾土填料(汪闻韶等，1986)，因此仅有个别学者相信砾性土场地可发生液化，绝大多数学者和工程技术人员已经形成了土体中不含砂土就不能液化的惯性认识，不相信含砾量较多的天然沉积砾性土层会发生液化.

2008年5月12日，我国四川发生了8.0级汶川大地震，造成了巨大损失，同时出现了一些新的现象.笔者及团队发现了汶川地震大量砾性土液化案例，并最终确认为有记载以来全球最大规模的砾性土液化现象，无论液化砾性土场地的数目和涉及区域大小以及液化砾性土的物理力学指标，都远超历史地震记录.

砾性土层一般波速大、透水性好，按传统认识被认为是不会液化的良好土层，显然这与汶川地震大量出现砾性土场地液化现象之间存在矛盾.要很好地解释这一问题，首先要对汶川地震砾性土液化场地进行详细剖析，而以往这方面研究十分粗糙，但就液化土类别而言，基本上都是采用“砂砾土液化”一词(袁晓铭等，2009；曹振中和袁晓铭，2010；陈国兴等，2015)，现在看来十分片面狭隘，不能代表实际情况.鉴于砾性土分布广泛，且也常被用来改良土壤，作为人工填海、高速公路、铁路等工程填充层等，掌握汶川地震出现大量砾性土场地液化的主客观条件，显然对液化发生规律的认识以及预防和减轻液化灾害工作具有指导意义.

汶川地震后的调查发现液化区(带)118处，这些液化区之间至少间隔2 km，分布在长约500 km，宽约200 km的广大区域，烈度Ⅵ-Ⅺ度区内均有发生，最远距震中210 km.液化区集中在成都平原，主要分布在长约160 km、宽约60 km的长方形区域内(袁晓铭等，2009).

调查表明，此次汶川地震液化场地喷水高度分布如图 1所示.地震时液化喷水高度0.5~3 m居多，有位于4个不同地区的4个场地冒水高度超过10 m，这在以往地震中没有出现.但汶川地震中液化场地喷水时间多为几分钟，远小于我国1975年海城地震和1976年唐山地震液化场地喷水冒砂的持续时间，也没有2003年新疆巴楚地震中液化成湖的现象出现.

图 1

Fig. 1

图 1 汶川地震液化场地喷水高度分布 Fig. 1 Statistics of the height of water ejection versus the number of liquefied sites in the Wenchuan earthquake

汶川地震场地液化破坏显著，液化场地大多伴随地裂缝，裂缝从100~200 m到数公里.以往地震中液化区也有较多地裂缝，但此次汶川地震中更为普遍，且地裂缝是其附近房屋建筑破坏的主因；此次汶川地震中液化区存在地面塌陷现象，但少有以往地震中砂土液化那样的地表大面积沉降情况出现，也没有以往砂土液化对工程结构的减震效应现象出现.

汶川地震的液化区分布虽然很广，但每个液化场地地表喷砂量不大，明显少于以往地震.但是，此次地震中各个液化场地的喷出物种类比以往地震明显丰富(袁晓铭等，2009).118处液化区中，各个场地地表喷出物包括了粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾石、卵石等各种土类.其中，约60%液化场地地表喷出物为粉细砂，25%场地的地表喷出物为中砂和粗砂，夹杂砾-卵石喷出物的场地有十余处，喷出物最大直径3~15 cm.汶川地震虽有大面积场地液化，但与海城地震和唐山大地震相比喷砂量显著少.此次地震中笔者发现的最大喷砂量为绵竹市师古镇一个泳池，喷砂量约100 m³，但这也要比1975年海城地震和1976年唐山地震很多液化场地喷砂量要少得多.

经过广泛深入调查研究，笔者发现汶川地震中地表喷出物也与场地中实际液化土类差异显著，地表喷出砂土为表面现象，液化土本质为砾性土.

典型的勘察结果如图 2.图 2a为绵竹市板桥镇板桥学校地震后操场遍地黄细砂的景象；图 2b为钻孔岩芯；图 2c为我们后来为探寻实际液化土采用挖掘机从地下3~4 m得到的土样(后证明恰属于液化层).虽然液化层很浅，但地表喷出物与钻孔岩芯、实际液化土二者相比仍大相径庭，地表喷出细砂，但实际液化土为砾性土，其中含有卵石，但钻孔取样中因钻机尺寸的限制，取样得到的岩芯最大尺寸还要小于挖掘机得到的土样，挖掘机得到的液化土层中最大粒径为20~25 cm(图 2c).

图 2

Fig. 2

图 2 汶川地震中地表喷出物、钻孔岩芯与实际液化层土性典型事例对比(绵竹市板桥镇板桥学校) (a)地震后操场遍地黄细砂；(b)钻孔岩芯; (c)用挖掘机得到的实际液化土. Fig. 2 Comparison among the surface ejecta, the drill core and the actual liquefied soils dug out by the excavator in the Whenchuan earthquake for a typical case (Banqiao School) (a) Yellow fine sand on the playground after earthquake; (b) Borehole core; (c) The excavated actual liquefied soils.

笔者以含砾量大于0到100%作为砾性土的定义，按含砾量大小给出的砾性土下属土类为：砾质土(含砾量在0%~15%)、砾砂(含砾量15%~33%)、粉砾土(含砾量33%~50%且粉粘粒多于砂粒含量)、砂砾土(含砾量33%~50%且砂粒含量多于粉粘粒含量)和砾类土(含砾量50%以上).

就岩土工程而言，几乎所有定名土类之间都存在交叉，没有哪种土类与其他所有土类泾渭分明.本文定义的砾性土也是如此，它下面与砂土相接，上面与巨粒土相连，与二者都有部分重叠.

表 1为汶川地震中液化场地的地表喷出物与地下液化层钻孔取样的粒径级配的四个代表性对比结果.由表可见，地表喷出物也与场地中实际液化土类差异显著，地表喷出物为砂土，但真实液化土为砾性土；地表或井中喷出物含有砾、卵石，土层中实际液化土组成也与地表喷出物土性有较大差异，实际液化层含砾量要远大于喷出物，且几种情况液化层均为深度小于7 m下发生的.这几点发现，与现有认识大相径庭，即以地表喷出物类型反推地下液化层土性特性的经验做法将不再成立.

表 1(Table 1)

表 1 地表喷出物与实际液化土土性对比 Table 1 Comparison between the surface ejecta and the actual liquefied soils

表 1 地表喷出物与实际液化土土性对比 Table 1 Comparison between the surface ejecta and the actual liquefied soils

分析表明，砾性土层液化点约占汶川地震液化点总数的85%，说明此次地震砾性土液化占主导地位，且成都平原中液化场地均属砾性土.我们在成都平原上对汶川地震中的63个典型液化场地和非液化场地进行了勘察试验，将其结果示于表 2.

表 2(Table 2)

表 2 汶川地震砾性土液化场地基本数据 Table 2 Basic data of the sites of liquefied gravelly soils in the Wenchuan earthquake

表 2 汶川地震砾性土液化场地基本数据 Table 2 Basic data of the sites of liquefied gravelly soils in the Wenchuan earthquake

表 2中，烈度和PGA分别为场地遭遇的地震烈度和地震加速度峰值，d_s、d_w分别为液化(非液化)砾性土层埋深和场地地下水位；N₁₂₀为中国超重型动力触探试验(Chinese Dynamic Penetration Test)每贯入30 cm的击数(简称CDPT击数，下同)；V_S为土层剪切波速，采用日本OYO公司瞬态表面波测试仪得到，V′_S为相应的修正剪切波速；g_c为含砾量，其中砾的定义为粒径大于5 mm的粗粒土.

值得说明的是，常规SPT和CPT试验在砾性土场地上无法开展，而CDPT技术是专门为砾性土场地力学性能勘察而设计的，具有操作简便、高效、工作成本低、可提供连续测试结果等优点，可很好反映砾性土场地力学性能，但用于描述液化场地特性这还是第一次(袁晓铭等，2009).

汶川地震中，国家数字强震动台网主震中共获取1253条加速度记录，峰值大于0.1 g加速度记录有118条.以此为基础，将按地震动衰减关系得到的不同液化场地地表加速度峰值PGA(曹振中，2010)，其分布示于图 3.

图 3

Fig. 3

图 3 汶川地震砾性土液化场地的PGA分布 Fig. 3 PGA distribution of the gravelly soils liquefaction sites in the Wenchuan earthquake

首先需要注意的是，Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度下液化场地平均加速度峰值分别为0.22 g、0.31 g和0.46 g，这与常规下Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度的PGA分别取为0.10 g、0.20 g和0.40 g有一定区别.但是，考虑到烈度与PGA实际上只是大致对应关系，且Ⅶ度、Ⅷ度和Ⅸ度与PGA对应范围一般分别是0.09~0.19 g、0.19~0.38 g和0.38~0.75 g，所以本文汶川地震液化场地中地震烈度与PGA的关系尚属正常，只是Ⅶ度区内液化场地的实际PGA要大一些.

同时，由图 3可见，液化砾性土场地遭遇的加速度峰值在0.15~0.50 g之间.汶川地震液化砾性土场地，Ⅸ度区有5例，仅占总数的6%，Ⅷ度区较为集中，约占总数的1/2.而在这一烈度下，唐山地震中的砂土液化场地也最多.这似乎意味着触发场地液化的地震强度对土体出现液化最重要，即大规模砂土和砾性土液化的发生需要较强地震动作用，但超过触发强度后，液化规模并不是随地震动强度增加而线性增大.也就是说，并不是烈度越大液化区规模越大、数量越多，国际上液化场地的调查结果也基本类同.

从成都平原的区域地质环境来看，尽管土层表面零星分布有薄砂层，但不成规模，其地层以砾性土层为主，这一宏观地质背景为该地区砾性土液化提供了条件(曹振中，2010).进一步，从我们不同区域几十个钻探及收集到工程地质资料结果看，成都平原浅表土层剖面可简化为如图 4所示的二元结构，即一定厚度的黏性土层和其下的砾性土层.这种结构决定了此次地震场地不管是地表喷出砂土还是地表喷出物夹杂砾-卵石，地下实际液化层都不可能是砂土层.

图 4

Fig. 4

图 4 成都平原浅表土层的二元基本结构 Fig. 4 The basic dualistic structure of the surface soil layers in the Chengdu plain

成都平原浅表土层二元结构也可很好地解释汶川地震中液化场地地表喷出物与地下液化层土性出现显著差异的现象.虽然地下真实液化土大多为含砾量很高的砾性土，但由于上覆层特别是上覆黏土层的存在，基本将液化砾性土中的较大粒径部分完全阻隔，无法喷出地表.至于个别场地喷出物含有砾、卵石，也主要是因为地裂缝出现的缘故.而井中喷出物因通道较为顺畅，喷出物含砾量略大，但同样因周围黏土层的存在，井中的填充物还是与地下实际液化土的含砾量差异明显.

汶川地震砾性土层液化占主导地位和成都平原液化场地为砾性土层这一结论，与此次地震液化特殊的宏观现象也很吻合.因为此次地震液化土类以高含砾量的砾性土为主，地层中含砂量较少，且砾性土层孔隙较大，不均匀性强，液化后导致地面产生大量地裂缝，孔压迅速消散即停止喷水冒砂现象，喷砂量不大，喷水冒砂持续时间也不长.同时虽然液化，但强度并没有像松散砂土层那样降低很多，地面难以发生大面积的整体显著的永久变形.

众所周知，历史地震中砾性土场地液化实例不超过10例，数量和规模都远远少于砂土液化情况.本研究认为，这意味着实际地震中砾性土与砂土发生液化条件不同，砾性土场地液化需要一些更严格和特殊的条件.成都平原浅表地层二元基本结构构成了汶川地震中砾性土场地出现大量液化的客观条件之一，实际上代表着饱和砾性土层发生液化所需要的封闭条件.这一封闭条件的满足会使排水通道受阻，导致饱和砾性土孔压上升和液化出现，反之亦然.与此形成对比的是砂土(特别是细砂)，本身渗透系数就远小于砾性土，从以往地震调查中，并没有发现砂土层必须具备较厚上覆非液化黏土层才能发生液化的情况.

上覆非液化土层的存在是砾性土场地液化的必要条件，本文这一观点从以往其他地震中也能得到若干实例支持.但与以往相比，我们在汶川地震现场获得的数据不仅场地数量多，而且拥有与之毗邻非液化场地的对比数据，这使得这一认识更为清晰和有说服力.

对汶川地震中液化砾性土场地，图 5和图 6分别给出了其地下水位和液化砾性土层埋深的分布情况.

图 5

Fig. 5

图 5 汶川地震液化砾性土场地水位分布 Fig. 5 The water table distribution of the gravelly soils liquefaction sites in the Wenchuan earthquake

图 6

Fig. 6

图 6 汶川地震液化砾性土场地埋深分布 Fig. 6 The depth distribution of the gravelly soils liquefaction sites in the Wenchuan earthquake

从图 5和图 6可见，液化砾性土场地地下水位在0.0~3.0 m居多，液化砾性土层埋深在2.0~6.0 m内居多，各占总数的80%，这与以往我国砂土场地液化情况并没有显著不同.但值得注意的是，液化砾性土层埋深基本在6.0 m以内，仅有个别场地达到7 m，在不太深的砾性土层液化后，地表(包括井中)喷出物与地下场地中实际液化土颗粒组成差异如此之大是始料不及的.另外，编号25和32的液化场地，地震时喷水高达10 m，而液化层埋深分别仅有2.9 m和4.8 m，且含砾量均在80%左右，是值得今后深入研究的问题.

对表 2中液化砾性土层，图 7给出了其含砾量的分布.从中可以看到，汶川地震中所发现液化砾性土的含砾量范围十分宽，在5%~85%都有分布，所发现液化砾性土包括了上述所定义的所有砾性土土类，其中含砾量50%以上的砾类土占到了53%.需要说明的是，由于取样钻机口径的限制，液化场地实际含砾量应更高.

图 7

Fig. 7

图 7 汶川地震液化砾性土层含砾量分布 Fig. 7 The distribution of gravel content of the liquefied gravelly soils layers in the Wenchuan earthquake

汶川地震液化砾性土的含砾量范围跨越了砾质土、砾砂、粉砾土、砂砾土和砾类土，只有含砾量0~5%、85%~100%这两个很窄的区间存在空隙，但理论上讲，含砾量从0到100%都有液化可能.

对于含砾量从0~5%的砾质土，其液化可能性十分容易接受.对含砾量从85%到100%部分的砾类土，其液化可能性也是完全存在的.其一，汶川地震液化砾性土均是通过最大取样直径约90 mm的钻机获取，如本文图 2所示，液化土层的实际含砾量应更高；第二，笔者认为，从原理上讲，对于粗粒土无论其粒径大小，在松散饱和状态下受到往返动荷载作用都会产生孔隙压力上升、有效应力下降的所谓液化行为；第三，笔者近期以汶川地震液化土层取样为母本，将其中砂土全部剔除，对含砾量100%土样进行大粒径动三轴液化试验，结果表明同样会产生典型液化现象.

将本文汶川地震液化砾性土与以往可液化土颗粒级配对比结果示于图 8.从中可见，汶川地震液化砾性土粒径范围远远超出以往历史地震记录，极大地扩充了目前人类关于可液化土范围的认识.

图 8

Fig. 8

图 8 汶川地震中发现的液化砾性土类对现有可液化土范围的显著扩展 Fig. 8 Notable extension to the existing scope of the liquefiable soils by the liquefied soils found in the Wenchuan earthquake

表 3给出了我国规范关于砾性土场地密实程度的判定标准.按表 3，将表 2中液化和非液化砾性土层密实判定结果示于图 9.从中可见，液化砾性土除个别为稍密外其余均处于松散状态；非液化砾性土大多处于中密以上或接近中密状态，只有个别处于稍密状态.这些结果，符合饱和松散粗粒土容易液化而密实松散粗粒土不易液化的一般原理.但特别需要指出的是，就液化砾性土场地而言，虽然多数处于松散状态，但其平均剪切波速为184 m·s^-1，修正剪切波速平均为217 m·s^-1，这种剪切波速，在砂土则属于中密和密实状态而一般不会发生液化.也就是说，在剪切波速与各自力学状态的对等关系上，砾性土与砂土存在重要差异.因此，在所谓常规高波速下，砾性土并非密实，动荷载作用下会发生液化.

表 3(Table 3)

表 3 采用CDPT击数对砾性土密实程度的划分(击/30 cm) Table 3 Density degree of gravelly soils by CDPT (blow count/30 cm)

表 3 采用CDPT击数对砾性土密实程度的划分(击/30 cm) Table 3 Density degree of gravelly soils by CDPT (blow count/30 cm)

图 9

Fig. 9

图 9 汶川地震中液化(a)和非液化(b)砾性土层密实程度对比 Fig. 9 Comparison of density degree of the liquefied(a) and non-liquefied(b) gravelly soils layers in the Wenchuan earthquake

由于密实程度与剪切波速对等关系不同，砂土液化判别方法理论上显然不适于砾性土场地.事实上，笔者采用目前两个典型的砂土液化剪切波速判别方法对汶川地震砾性土液化场地进行判别，成功率分别为25%和43%，明显偏于危险，远超出了工程可接受范围(曹振中等，2010).

图 10和图 11给出了表 2中汶川地震液化砾性土层实测剪切波速和修正剪切波速的分布，其中修正剪切波速是将不同深度的实测值统一修正到埋深10 m处的值.从图中可见，液化砾性土层的现场实测剪切波速141~267 m·s^-1，平均为184 m·s^-1，修正剪切波速162~314 m·s^-1，平均为217 m·s^-1；非液化砾性土层的现场实测剪切波速171~380 m·s^-1，平均为266 m·s^-1，修正剪切波速195~435 m·s^-1，平均为273 m·s^-1.

图 10

Fig. 10

图 10 汶川地震液化(a)和非液化(b)砾性土层实测剪切波速对比 Fig. 10 Comparison of velocity of the liquefied (a) and non-liquefied (b) gravelly soils layers in the Wenchuan earthquake

图 11

Fig. 11

图 11 汶川地震液化(a)和非液化(a)砾性土层修正剪切波速对比 Fig. 11 Comparison of revised velocity of the liquefied(a) and non-liquefied(b) gravelly soils layers in the Wenchuan earthquake

历史地震调查表明(汪云龙，2016)，液化砂土层现场实测剪切波速大多在150 m·s^-1以下，最大值为200 m·s^-1左右，修正剪切波速极限值在210 m·s^-1以内.而对液化砾性土层，国际上以往仅有3个剪切波速现场测试结果，列于表 4.从中可见，以往液化砾性土层最大实测剪切波速为220 m·s^-1，修正剪切波速227 m·s^-1.

表 4(Table 4)

表 4 历史地震中液化砾性土层剪切波速记录 Table 4 Records of shear velocity of liquefied gravelly soils layers in the past earthquake events

表 4 历史地震中液化砾性土层剪切波速记录 Table 4 Records of shear velocity of liquefied gravelly soils layers in the past earthquake events

与历史上砂土液化剪切波速记录相比，如图 10a和图 11a所示，汶川地震中有10个砾性土液化场地的剪切波速实测值超过200 m·s^-1，约占总数的30%；有20个场地的修正剪切波速超过210 m·s^-1，占到总数的60%.更值得注意的是，汶川地震中液化砾性土层剪切波速同时也远远超过了历史上液化砾性土场地的波速记录(表 4)，有6个场地超过以往实测记录220 m·s^-1，其中有3个超过了250 m·s^-1；有13个液化砾性土场地的修正剪切波速值超过以往的227 m·s^-1，其中有2个超过了300 m·s^-1，分别达到了311 m·s^-1和314 m·s^-1.并且，汶川地震液化砾性土层实测剪切波速最大值250 m·s^-1和267 m·s^-1，是在浅埋和中等埋深时85%和76%的高含砾量砾性土情况下出现的，说明高剪切波速下的砾性土会发生液化，这在以往地震中是没有出现过的.同时，也表明了以往认为实际砾性土场地波速一般很大而属于非液化土层的观点是不成立的.这方面的解释，可从前面液化砾性土层密实程度与剪切波速关系的分析中得到.

(1) 2008年汶川大地震出现了全球最大规模的砾性土液化现象，其中地表(井中)喷出物与地下实际液化土类大相径庭，且液化层埋深大多小于6.0 m，因此以往按地表喷出物反推地下液化层土性类型的做法不再成立.

(2) 汶川地震液化砾性土场地集中在Ⅷ度区，约占1/2，这与以往砂土场地液化表现类似，表明场地大规模液化需要较强地震动的触发，此为砾性土场地液化客观条件，但超过触发强度后，液化规模增长有限.

(3) 汶川地震液化砾性土包括了砾质土、砾砂、粉砾土、砂砾土和砾类土等全部砾性土土类，含砾量为5%~85%且实际应更大，使现有可液化土范围得到显著扩展.

(4) 成都平原浅表地层二元基本结构构成了汶川地震中砾性土场地出现大量液化的客观条件之一，且可使高含砾量下大波速(实测和修正剪切波速分别超过250 m·s^-1和300 m·s^-1)的砾性土层发生液化.

(5) 大剪切波速下高含砾量砾性土场地会发生液化，其原因是此时砾性土层仍可处于松散状态，与现有基本认识相符，同时是汶川地震中出现大量砾性土场地液化的客观条件之二.

(6) 虽然本文提出的汶川地震液化砾性土场地特征的一些结果超出或推翻了现有认识，但无论从机理还是从实测数据对比分析角度，基本都能得到较好的解释.