砂土小尺度冻结取样法的实验室实验研究：提升原位液化抗性评估准确性的新方法

为解决传统冻结取样法规模大、成本高的问题，研究人员开发了小尺度冻结取样法，通过圆柱砂柱和校准室实验验证了该方法可在40分钟内仅用70 kg液氮获取高质量砂样。研究证实样品密度和剪切波速变化极小（-0.5%），显著提升了原位液化抗性（CRR）评估精度，为工程抗震设计提供了可靠技术支撑。

　　

砂土液化是地震工程中的重大隐患，但传统取样方法如旋转取样和液压活塞取样会严重扰动土壤结构，导致液化抗性（CRR）评估误差高达185%。冻结取样法虽能获取高质量原状样本，但需数吨液氮和数天时间，成本高昂难以普及。东京大学团队为此开发了小尺度冻结取样法，通过微型冻结管（直径20 mm）和自钻孔技术，将液氮用量降至1%，时间缩短至40分钟，但样本质量尚未系统评估。

研究采用两种实验装置：圆柱砂柱（直径186 mm）探讨冻结管插入条件，校准室（直径680 mm）模拟原位应力状态。关键技术包括：1）自钻孔冻结管系统，通过调节水流速（15-60 cm³/s）和插入速度（0.5-1.5 cm/s）控制土壤扰动；2）液氮冷冻过程监测，使用8个温度传感器；3）质量评估指标，包括密度测量和剪切波速（V_s）检测；4）空心圆柱扭剪仪测定小应变剪切模量（G₀）。

圆柱砂柱实验结果

发现插入条件存在"开管堵塞效应"与"砂沸"两种现象边界：当水流速不足时（如#SC_i05_f15），冻结管周围密度变化达±15%；而优化条件（#SC_i15_f60）扰动范围缩小至5%。应变计数据显示，合理参数组合可使土壤排出率达102.5%，接近理论理想值。

校准室验证

在模拟原位应力（竖向40 kPa/水平20 kPa）下，成功获取直径100 mm的冻结样本，液氮消耗仅70 kg。密度检测显示，距冻结管40 mm处相对密度变化<5%；剪切波速对比显示，校准室与冻融样本的G₀差异仅-0.5%，V_s差异-0.3%。按Kiyota等提出的V_s^5.02-CRR关系推算，CRR评估误差仅-1.1%，远低于传统方法的-67%。

质量评估创新

首次联合密度与剪切波速双重指标验证样本质量。研究发现：1）扰动区域直径（φ_d）与冻结管直径（φ_t）比值约3-5，与Tokimatsu & Ohara（1990）结论一致；2）土壤结构（反映于V_s）对CRR的影响比密度更敏感，证实Kiyota等（2019）的理论模型。

该研究证实小尺度冻结取样法能高效获取近乎无扰动的砂样，为液化评估提供了新范式。未来需在松散砂土中进一步验证，并探索不同地质条件下的参数边界。论文发表于《Soils and Foundations》，标志着冻土取样技术向工程实用化迈出关键一步。