近日，同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室黄茂松教授团队在《岩土工程学报》发表了题为“高饱和度含气砂力学特性试验及状态相关本构模拟”的学术论文。这项科研成果使用定制改造的GDS非饱和土三轴仪设备，通过三轴试验揭示了少量游离气体可显著提升砂土抗静态液化能力，并建立了适用的高饱和度含气砂本构模型与失稳判别准则。
*论文版权归原作者和出版方所有，本文仅为学习交流。
以下是对这项成果的简要介绍：
论文摘要
含气砂中气相的特殊存在形式，使其基本性质不同于一般的非饱和土。为分析含气松砂的不排水力学特性及静态液化失稳特性，对配备双压力室体变量测的三轴试验系统进行扩展，实现了高饱和度含气砂的制备和试验。基于改造后的含气土三轴试验系统，开展了一系列饱和砂与含气砂三轴试验，并提出了判别含气砂静态液化的二阶功准则和行列式准则。研究结果表明：少量游离气体可以显著提高触发静态液化时的土体抗剪强度，增加触发静态液化所需要的轴向变形，从而提升其抵抗静态液化的能力。二阶功准则隐含了当前的应变路径，可以准确判定含气砂的静态液化失稳点，而行列式准则是二阶功准则的必要条件，判定了当前状态下是否存在一条使土体丧失稳定性的应变路径，即失稳的下限。
试验方法
一、试验设备
以配备 HKUST 体变量测系统的 GDS 三轴试验系统为基础，新增饱和 CO₂溶液制备系统，用透水石替换高进气值陶土板制成特制底座；HKUST 系统通过 ±6.9kPa 量程的压差传感器精确量测体变，搭配恒温空调减少数据波动，辅助设备含气体压力控制器、压力体积控制器等，实现压力控制与数据采集。
图1 含气土三轴试验系统示意图
GDS非饱和土三轴仪
二、试验材料
选用日本丰浦砂，主要成分为石英、长石，物理指标为：相对密度 2.645，不均匀系数 1.6，平均粒径 0.16mm，最大孔隙比 0.969、最小 0.617；以饱和砂力学特性为参照，为模型参数标定提供依据。
三、试样制备
尺寸与密实度：试样直径 50mm、高 100mm，松砂用湿装夯实法（MT），中密砂用干装落砂法（DD）。
饱和砂：制样后通 CO₂和无气水，反压饱和至 B 值≥0.98。
含气砂：饱和砂基础上，用饱和 CO₂溶液置换孔隙液（置换体积＞3 倍孔隙体积），再以 0.5kPa/min 速率降压脱饱，通过压力体积控制器量测气体析出量。
四、试验方案
试验类型：分饱和砂固结排水（CDC）、固结不排水（CUC），含气砂固结不排水（CUCG）试验。
控制参数：各向同性固结，初始有效平均应力 200-1000kPa；排水剪切应变率 0.1%/min，不排水剪切 0.3%/min；量测轴向应力、应变、体变等数据。
相关图表
表1 丰浦砂基本物理性质
图2 含气砂降压过程中的体积变化曲线
表2 饱和丰浦砂三轴试验汇总表
注：CDC：固结排水三轴压缩试验（consolidated drained compression test）；CUC：固结不排水三轴压缩试验（consolidated undrained compression test）；DD：干装落砂法（dry deposition，DD）；MT：湿装夯实法（moist tamping，MT）
表3 高饱和度含气砂不排水三轴试验汇总表
注：CUCG 为固结不排水三轴压缩试验（consolidated undrained
compression test of gassysand）
图3 临界状态线
表4 Toyoura 砂模型参数
图4 饱和砂排水三轴试验结果与模拟结果对比（p0=200 kPa）
图5 饱和砂不排水三轴试验与模拟结果对比（p0=500 kPa）
图6 饱和砂不排水三轴试验与模拟结果对比（p0=1000 kPa）
图7 含气砂不排水三轴压缩试验结果（p0=200 kPa）
图8 含气砂不排水三轴压缩模拟结果（p0=200 kPa）
图9 含气砂不排水三轴压缩试验结果（p0=300 kPa）
图10 含气砂不排水三轴压缩曲线模拟结果（p0=300 kPa）
结 论
本研究通过对配备HKUST 体变量测的三轴试验系统进行扩展，实现了高饱和度含气砂试样的制备和三轴试验研究。基于含气土三轴系统，本文开展饱和砂排水三轴试验、饱和砂不排水三轴试验和含气砂不排水三轴试验，重点讨论了游离气体对砂土不排水力学响应的影响，探讨了二阶功和行列式准则判别含气松砂静态液化失稳的效果，得到以下4 点结论。
（1）游离气体的存在不影响含气砂p-q 空间和e-p 空间的临界状态线位置。
（2）含气砂中游离气体可以显著提高触发静态液化所需的土体剪切强度和轴向变形，提升其抵抗静态液化的能力。
（3）二阶功准则隐含了当前的加载路径。对于三轴应力路径，二阶功准则可以准确预测含气砂的静态液化触发。
（4）行列式准则是二阶功准则的必要条件，判定了当前状态下是否存在一条使土体丧失稳定性的应变路径。对于含气松砂，该准则判定的失稳点常先于实际的静态液化触发点出现。
GDS非饱和土三轴试验系统
GDS非饱和土三轴试验系统（UNSAT）是对传统三轴试验的延伸，可以在接近实际地应力状态和饱和度条件下对地下水位以上的土体进行测试。所有GDS三轴测试系统（以及其他制造商的三轴设备*）都可以进行改造，以进行非饱和土三轴测试。GDS可以提供4种方法来进行非饱土测试。
非饱和测试也可以运用到以下试验类型中：剪切、空心扭剪、共振柱和真三轴试验。
GDS非饱和土三轴仪
非饱和土体变测量方法:
• 方法A：通过GDS孔隙气压/体积控制器直接测量孔隙气体积和孔隙水的体积变化。
• 方法B：HKUST内压力室 — 用差压传感器测量内压力室中水的水位变化进而得到试样的总体积变化。
• 方法C：双压力室 — 试样的体变通过GDS压力体积控制器测量流进或流出内压力室的水体积来完成。由于外压力室加压，内压力室壁可视为是无限刚度的。
• 方法D：利用安装于试样上的局部应变传感器直接测量而得到试样的总体变。
方法A: | 测量分辨率 测量精度 | 压力 = 0.2kPa, 体积 = 1mm3 压力 = <0.1% FRO，体积 = 0.25% |
方法B: | 体积变化测量分辨率 体积变化测量精度 | <10mm3 对于直径为38mm、高76mm的试样，精度约为32mm3 或试样体积应变的0.04% |
方法C: | 压力室体积测量分辨率 压力室体积测量精度 | 1mm3 0.25% |
方法D: | 位移测量精度 | <0.1μm 霍尔效应传感器 = 0.8% FRO, LVDT = 0.1% FRO |
