蔣超,周云東,張燚,高玉峰

（河海大學(xué)a.土木與交通學(xué)院；b.巖土工程研究所，南京 210024）

在地震荷載下，飽和砂土孔隙水壓力急劇上升，土體抗剪強度急劇下降，發(fā)生噴砂、冒水、地表建筑下陷等液化現(xiàn)象，造成嚴(yán)重危害。學(xué)術(shù)界對飽和砂土液化機理和防治措施展開了深入研究,發(fā)現(xiàn)影響砂土液化的因素主要包括飽和度、密實度、應(yīng)力歷史、初始剪應(yīng)力等[1-6]。目前較成熟的地基處理方法包括強夯法、換填土法、碎石樁法等，但存在污染高、工作量大等局限性[7-11]。于是，新興的地基處理方式應(yīng)運而生，如氣泡減飽和法、納米膠凝法等，新興方法能降低超孔壓峰值，但耐久性差、成本高[12-18]。

隨著微生物學(xué)、土木工程等學(xué)科的交叉發(fā)展，學(xué)者們對生物脲酶催化誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的土體處理技術(shù)進行了深入研究，此方法被稱作MICP（Microbially Induced Carbonate Precipitation）技術(shù)，但其成本高、適用面窄、細菌培養(yǎng)與膠結(jié)過程中會散發(fā)出刺激性氣味[19-23]。大豆中的脲酶也可以參與類似土體固化反應(yīng)，且大豆脲酶比細菌細胞更易穿透小孔隙，獲取便捷，成本低廉，對環(huán)境友善，該方法被稱為SICP（Soybean-urease Induced Carbonate Precipitation）技術(shù)[24]。其原理是使尿素在大豆脲酶的催化作用下水解出游離的碳酸根離子（CO2-3）和銨根離子(NH+4)，再與鈣源（如氯化鈣溶液）結(jié)合，析出碳酸鈣晶體，反應(yīng)過程如式（1）和式（2）所示。該晶體附著在砂顆粒的連結(jié)處與表面，形成穩(wěn)定骨架[25]，提升砂土整體的剛度和穩(wěn)定性，從而降低砂土液化的可能性。

目前對此類方法的研究[26]大多集中在反應(yīng)動力學(xué)基本性質(zhì)的層面，動力試驗層面的研究幾乎是空白。筆者通過動三軸試驗研究相對密實度、膠結(jié)液處理次數(shù)對飽和砂土抗液化性能的影響，拓展了對該方法的動力學(xué)研究。

1 試驗概述

1.1 制樣與裝樣方法

將豆粉過60目篩后獲得淺黃色的細顆粒豆粉原料。配制40 g/L濃度的豆粉溶液，離心后經(jīng)由200目紗網(wǎng)過濾，即可獲得大豆脲酶粗提純?nèi)芤?，冷藏備用。試驗用砂為中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，級配曲線如圖1所示，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 砂顆粒級配曲線Fig.1 Grain-size distribution curve of sand

表1 標(biāo)準(zhǔn)砂材料性質(zhì)Table 1 Material properties of standard sand

采用內(nèi)徑50 mm的三瓣模制樣，外側(cè)涂玻璃膠，以阻止注漿過程中的滲漏，底部墊一片200目圓形紗布以阻止砂顆粒滲漏，內(nèi)壁放一片影印紙用于脫模，在影印紙上裝樣高度處做環(huán)形標(biāo)記。裝樣時，使用漏斗和藥匙將砂均勻、緩慢地送入三瓣模中，用擊實錘將砂柱壓密，最終壓實到刻度線處，并蓋上一片土工布，以減少液體下落沖擊的擾動。每次膠結(jié)處理的注入量為砂柱孔隙體積的兩倍，酶液與膠結(jié)溶液按照體積比1:3配制，可有效降低結(jié)晶體堵塞在砂柱頂端的可能性。注漿時，先用蠕動泵向土工布上泵送酶液，并適時調(diào)整滴落點，使酶液注入均勻。酶液注漿完成后，靜置30 min，使脲酶充分固定在砂土孔隙中。而后以相同的操作方法泵送膠結(jié)溶液，完成后靜置6 h。

注漿完成后,砂柱在常溫下風(fēng)干，而后用真空飽和缸使試樣吸飽水，取出后放入冰箱冷藏。制樣完成的砂柱如圖2所示。

圖2 處理后的砂柱Fig.2 Sand column after treatment

測試前，取出試樣，小心脫模并裝入動三軸壓力室內(nèi)，施加20 kPa圍壓，使試樣解凍。解凍后，結(jié)合二氧化碳與水頭飽和，使試樣達到初始飽和狀態(tài)。逐級提高反壓和圍壓，直到B值達到0.95以上。采用等向固結(jié)，對試樣施加100 kPa的有效固結(jié)圍壓，當(dāng)固結(jié)排水體積不再變化時，視為固結(jié)完成。

1.2 試驗方案

為研究膠結(jié)處理次數(shù)、相對密實度對砂土抗液化性能的影響，對30%、40%和50%密實度下的砂柱分別進行多遍膠結(jié)處理。采集試樣在循環(huán)剪應(yīng)力與有效固結(jié)圍壓比值（CSR）為0.063、0.125、0.250和0.500時的動孔壓、動應(yīng)變數(shù)據(jù)，將膠結(jié)樣的動力響應(yīng)與未處理的標(biāo)準(zhǔn)砂樣進行對比，即可評價SICP方法對飽和砂土抗液化性能的提升效果。

各砂柱試樣的處理與加載詳細情況如表2所示。表中，編號A表示0次膠結(jié)處理，B表示1次膠結(jié)處理，以此類推。

表2 砂柱編號Table 2 Numbers of sand columns

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 超孔壓與軸向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律

動荷載頻率為1 Hz，數(shù)據(jù)采集頻率為20 Hz。選取每個循環(huán)中的孔壓最大值和應(yīng)變幅值最大值，繪制超孔壓、軸向應(yīng)變幅值關(guān)于振次的關(guān)系曲線。圖3展示了50%相對密實度未膠結(jié)處理的砂樣在CSR=0.125和CSR=0.250條件下(對應(yīng)編號A10和A11)的孔壓、應(yīng)變響應(yīng)。

這兩種情況是測試試樣的典型破壞模式。從圖3（a）可以看出，試樣在經(jīng)歷將近500次循環(huán)應(yīng)力后，孔壓達到100 kPa，而雙幅值軸向應(yīng)變（DA）僅發(fā)展到2.5%左右；從圖3（b）可以看出，試樣在經(jīng)歷50多次循環(huán)荷載后，孔壓尚未達到初始液化狀態(tài)，但DA已經(jīng)率先超過5%水平，試樣發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖3 砂樣的典型孔壓、應(yīng)變響應(yīng)Fig.3 Typical pore pressure and strain response of sand

試樣的應(yīng)變與孔壓都呈現(xiàn)出分階段增長的特點。在循環(huán)荷載施加的瞬間，試樣體應(yīng)變使砂顆?？紫都眲∈湛s，孔壓會迅速發(fā)展到一定水平；而后砂顆?；茰p緩，骨架穩(wěn)定，軸向應(yīng)變進入穩(wěn)定的塑性發(fā)展階段，孔壓以穩(wěn)定的速率發(fā)展；在剪應(yīng)力比較小的情況下，會優(yōu)先發(fā)生初始液化狀態(tài)的應(yīng)力破壞，而在剪應(yīng)力比較大（CSR≥0.250）的情況下，應(yīng)變塑性累積會發(fā)展更快，試樣優(yōu)先發(fā)生應(yīng)變失穩(wěn)破壞。試驗結(jié)果表明，其他試樣的動力響應(yīng)均符合上述規(guī)律。

Seed等[27]認為，土中單元體的法向有效應(yīng)力等于零（σ”=0）即標(biāo)志著初始液化應(yīng)力狀態(tài)的發(fā)生；而Castro[28]認為土體的液化取決于是否發(fā)生大規(guī)模的流動與位移破壞。實際上，土體破壞是漸進發(fā)展的[29]。試驗中的膠結(jié)試樣都具備一定的黏聚力，即使法向有效應(yīng)力為零，單元體仍具有一定的抗剪強度。因此，當(dāng)剪應(yīng)力比較小時，統(tǒng)一以初始液化應(yīng)力狀態(tài)作為液化的判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)剪應(yīng)力比較大（CSR≥0.250）時，以DA≥5%作 為 液 化 的 判 定準(zhǔn)則[30]。

2.2 膠結(jié)次數(shù)對抗液化性能的影響

選取30%密實度砂樣分別在不同處理次數(shù)下（編號A01～A04、B01～B04、C01～C04、D01～D04）的孔壓響應(yīng)，如圖4所示。從圖中可以看出，即使在最小剪應(yīng)力比條件下，30%相對密實度的未處理試樣也會迅速液化。但如果膠結(jié)液處理達到3次，在0.5的剪應(yīng)力比條件下也能完全抵抗液化的發(fā)生。隨著膠結(jié)處理次數(shù)的增加，試樣孔壓增速逐漸減緩。這是因為試樣的孔隙被CaCO3晶體填充，整體剛度提高，受壓時體應(yīng)變減小，孔壓增長得到抑制，因而增速放緩。

圖4 30%密實度砂樣受循環(huán)荷載的孔壓增長曲線Fig.4 Cyclic growth curve of pore pressure of sand in the density of 30%

在剪應(yīng)力加載的初始階段，試樣的孔隙水壓力會急劇增長到一定水平，而后以穩(wěn)定速率隨應(yīng)變塑性累積而增長，直到破壞。將孔壓穩(wěn)定增長的起點統(tǒng)一稱為“孔壓塑性發(fā)展起點”。顯然，隨著膠結(jié)次數(shù)的增加，砂樣孔壓的塑性起點會降低。這是因為膠結(jié)次數(shù)更多的試樣初始密實度更高，在加載瞬間，壓應(yīng)變發(fā)展空間受到限制，因此，在初始增長階段，孔壓會受到突然的抑制，隨后進入緩慢的塑性發(fā)展階段。試驗結(jié)果表明，其他試樣的孔壓增長均符合上述規(guī)律。

2.3 相對密實度對抗液化性能的影響

選取一次膠結(jié)處理，密實度分別為30%、40%和50%的砂樣（編號B01～B12）的孔壓響應(yīng)，如圖5所示。從圖中可以看出，試樣的孔隙水壓力也具有分階段發(fā)展的特征，大應(yīng)力比的試樣與小應(yīng)力比的試樣在抵抗循環(huán)荷載的次數(shù)上存在巨大差異。相對密實度提高可以降低孔壓的塑性發(fā)展起點，且孔壓增長的速率也得到很大抑制。這是因為砂土密實度的提高增強了試樣顆粒骨架的穩(wěn)定性，減小了顆粒的相對錯動滑移，因而孔隙水壓力的增長空間受到限制。

圖5 1次膠結(jié)處理砂樣循環(huán)荷載的孔壓增長曲線Fig.5 Cyclic growth curve of pore pressure of sand solidified once

但當(dāng)剪應(yīng)力比較大時，這種由密實度提高帶來的強化作用被削弱，各曲線的差異被縮小。這是因為大應(yīng)力下應(yīng)變破壞占主導(dǎo)作用，抵抗循環(huán)荷載的持時較短，發(fā)生的軸向應(yīng)變較大，因此,各試樣的孔隙水壓力受動三軸儀底座大行程位移的影響,呈現(xiàn)出趨同的走勢。試驗結(jié)果表明，其他試樣的孔壓增長均符合上述規(guī)律。

2.4 砂柱的抗液化強度

砂的抗液化強度指的是在一定循環(huán)剪應(yīng)力比條件下能夠抵抗循環(huán)荷載的次數(shù)。圖6為試樣的抗液化強度曲線，坐標(biāo)平面以雙對數(shù)形式展開。對于經(jīng)歷2 500次循環(huán)仍未出現(xiàn)明顯液化趨勢的試樣，抗液化強度無法準(zhǔn)確衡量，未在圖中展示。

圖6 砂樣的抗液化強度曲線Fig.6 Anti-liquefaction strength curve of sand

從圖6可以看出，當(dāng)以雙對數(shù)坐標(biāo)展示抗液化曲線時，各曲線近似呈直線?？梢园言嚇涌挂夯瘡姸萅f與剪應(yīng)力比CSR的關(guān)系近似表示為

式中：CSR為剪應(yīng)力比；Nf為抗液化強度；α、β為試驗參數(shù)。

膠結(jié)次數(shù)多、密實度高的試樣，其曲線位置更偏上，這也表明膠結(jié)次數(shù)、密實度與試樣的抗液化強度呈正相關(guān)。因此，在實際工程中，可以通過夯實地基、再多次膠結(jié)的方式提高砂土地基的抗液化能力。

3 結(jié)論

通過對SICP法不同膠結(jié)次數(shù)、不同密實度的砂樣進行動三軸試驗，探究飽和砂土的抗液化特性，得到以下結(jié)論：

1）試樣的孔壓與應(yīng)變發(fā)展都呈現(xiàn)出分階段增長的特點，孔壓在加載瞬間會急劇增長到一定水平，而后伴隨塑性應(yīng)變以穩(wěn)定的速率增長，直至破壞發(fā)生。對于剪應(yīng)力比較大（CSR≥0.250）的試樣，應(yīng)變失穩(wěn)破壞會比初始液化應(yīng)力狀態(tài)提前到達。

2）膠結(jié)處理后的試樣，其孔壓的增長速率和塑性增長起點都低于未膠結(jié)處理的試樣。當(dāng)處理次數(shù)達到3次及以上，標(biāo)準(zhǔn)砂將完全不液化。這些現(xiàn)象均證明SICP方法處理飽和砂土可以顯著提升土體的抗液化性能。

3）膠結(jié)次數(shù)越多、密實度越高，試樣的孔壓增長速率和塑性增長起點越低，表明其抗液化能力越強。但這一強化效果會因為剪應(yīng)力比的增大而被削弱。大應(yīng)力比循環(huán)荷載下，應(yīng)變破壞占主導(dǎo)作用，各砂樣的孔壓增長曲線走勢會更接近。

4）膠結(jié)試樣的抗液化強度Nf與剪應(yīng)力比CSR在雙對數(shù)坐標(biāo)上近似呈線性關(guān)系，已知偏應(yīng)力條件、處理方式和砂土密實度，就可以預(yù)估砂土抵抗循環(huán)荷載的次數(shù)。