在海边沙滩上站在湿沙上轻轻跺脚，有时会发现原本结实的沙子突然变软，脚一下子陷了进去。这个小小的现象一旦遇上大地震，就会变成整栋建筑倾斜、地下污水管冒出地面的可怕灾害。用来指代这种现象的词，正是“土壤液化（Soil Liquefaction）”。
简单来说，土壤液化是指饱含水分的松散砂土地层受到地震等强烈震动时，瞬间变得像液体一样的现象。1964年日本新潟地震中，公寓楼没有倒塌、而是整栋侧躺在地上的画面广为人知，此后相关研究才正式展开。在韩国，2017年浦项地震时也首次确认了明显的液化痕迹。
本文将从土壤液化的含义与发生原理讲起，介绍容易发生液化的地层条件、实际受灾案例以及防范措施，力求通俗易懂。
土壤液化的原理与防范
什么是土壤液化？
我们脚下的地面看起来像是一整块坚实的固体，实际上却是由无数土颗粒相互接触、彼此依靠而形成的结构。颗粒之间的空隙里充满了空气或水，而位于地下水位以下的地层，这些空隙大多被水填满。这样的地层之所以能承受建筑物的重量，是因为颗粒彼此紧紧咬合，共同分担并支撑着荷载。
然而，当地震使地面快速前后晃动时，这种咬合就会被打乱。颗粒彼此分离，变成类似漂浮在水中的状态后，地层便再也无法像固体那样承受重量，变得像烂泥一样稀软。震动停止、水排出后，地层会重新变硬，但在此期间，上面的建筑物和道路早已倾斜或下沉。
地面变得像液体的原理
理解液化的关键，是困在颗粒之间的水的压力，即孔隙水压力（Pore Water Pressure）。平时，从上方压下来的重量大部分由颗粒之间的咬合承担，水只分担其中一部分。颗粒之间实际传递的这种力，被称为土的有效应力（Effective Stress）。
地震发生时，原本松散堆积的颗粒受到震动，会趋于被压得更加密实。但由于震动太快，水来不及从空隙中排出，颗粒所受的压力便原封不动地转移到水上，水压逐渐升高。当水压几乎等于上方压下来的重量时，颗粒之间的咬合便会消失，有效应力趋近于零，地层就开始表现得像液体一样。
此时，承受不住升高压力的水和沙有时会从地面的裂缝中喷涌而出，这被称为喷砂现象（Sand Boil）。如果地震后在农田或空地上看到像小火山一样隆起的沙堆，就说明其下方发生过液化。
容易发生液化的地层
并不是所有地层都会液化。以下条件叠加得越多，风险就越大。
- 松散砂土（Loose Sand）：颗粒堆积疏松，一受震动就容易被压实，使水压升高。像黏土这样颗粒彼此黏结的土，相对不容易液化。
- 浅层地下水（Shallow Groundwater）：地下空隙必须充满水才会液化，因此地下水越接近地表的地方越危险。
- 填海造地与河岸（Reclaimed Land and Riverbanks）：填海形成的土地，或由河流搬运来的沙子堆积而成的平原，多是近期形成的，压实程度较低。
- 强烈而持久的震动（Strong and Long Shaking）：震动越强、持续越久，水压积累的时间就越长。
事实上，1964年新潟地震时，建在河边砂土地上的公寓楼严重倾斜；同年美国阿拉斯加地震中，沿海地区的地面也发生了滑移和下沉。2011年东日本大地震时，东京湾的填海地带多处发生液化；同年新西兰克赖斯特彻奇地震时，城市多处、尤其是东部地区出现了液化，许多房屋和道路遭到破坏。2017年浦项地震时，震中附近的农田里也发现了喷砂痕迹，证实韩国同样不能掉以轻心。
减少液化灾害的防范方法
既然无法阻止地震本身，应对液化的关键就在于事先加固地基，并以合适的方式建造建筑物。
（1）了解危险区域
通过钻探调查土的种类、坚实程度和地下水的深度，就能事先评估液化风险。浦项地震之后，韩国也在绘制并公开各地区的液化风险地图。
（2）把地基压实
用振动或重锤把松散的沙子压实，颗粒就不再容易移动。也有在土中掺入水泥等材料使其硬化的方法。
（3）为水开辟排出通道
在地下埋设碎石桩或排水材料，震动时升高的水压就能迅速消散，从而延缓液化。
（4）用深基础支撑
把桩打入不会发生液化的深层坚硬地层来支撑建筑物，即使上部地层变软，也能大大降低建筑物倾斜的风险。
土壤液化告诉我们，即使是我们理所当然认为坚实的地面，只要条件具备，也可能在一瞬间变得像水一样。即使是地震不多的地方，只要事先了解填海地和河岸等危险地层并做好准备，就能大大减少灾害损失。
了解脚下的土地由什么构成，这正是建设抗震城市的第一步。
