SICP方法加固饱和砂土提高抗液化能力的动三轴试验研究

2023-02-24蒋超周云东张燚高玉峰

土木与环境工程学报 2023年1期

蒋超,周云东,张燚,高玉峰

（河海大学a.土木与交通学院；b.岩土工程研究所，南京 210024）

在地震荷载下，饱和砂土孔隙水压力急剧上升，土体抗剪强度急剧下降，发生喷砂、冒水、地表建筑下陷等液化现象，造成严重危害。学术界对饱和砂土液化机理和防治措施展开了深入研究,发现影响砂土液化的因素主要包括饱和度、密实度、应力历史、初始剪应力等[1-6]。目前较成熟的地基处理方法包括强夯法、换填土法、碎石桩法等，但存在污染高、工作量大等局限性[7-11]。于是，新兴的地基处理方式应运而生，如气泡减饱和法、纳米胶凝法等，新兴方法能降低超孔压峰值，但耐久性差、成本高[12-18]。

随着微生物学、土木工程等学科的交叉发展，学者们对生物脲酶催化诱导碳酸钙沉积的土体处理技术进行了深入研究，此方法被称作MICP（Microbially Induced Carbonate Precipitation）技术，但其成本高、适用面窄、细菌培养与胶结过程中会散发出刺激性气味[19-23]。大豆中的脲酶也可以参与类似土体固化反应，且大豆脲酶比细菌细胞更易穿透小孔隙，获取便捷，成本低廉，对环境友善，该方法被称为SICP（Soybean-urease Induced Carbonate Precipitation）技术[24]。其原理是使尿素在大豆脲酶的催化作用下水解出游离的碳酸根离子（CO2-3）和铵根离子(NH+4)，再与钙源（如氯化钙溶液）结合，析出碳酸钙晶体，反应过程如式（1）和式（2）所示。该晶体附着在砂颗粒的连结处与表面，形成稳定骨架[25]，提升砂土整体的刚度和稳定性，从而降低砂土液化的可能性。

目前对此类方法的研究[26]大多集中在反应动力学基本性质的层面，动力试验层面的研究几乎是空白。笔者通过动三轴试验研究相对密实度、胶结液处理次数对饱和砂土抗液化性能的影响，拓展了对该方法的动力学研究。

1 试验概述

1.1 制样与装样方法

将豆粉过60目筛后获得浅黄色的细颗粒豆粉原料。配制40 g/L浓度的豆粉溶液，离心后经由200目纱网过滤，即可获得大豆脲酶粗提纯溶液，冷藏备用。试验用砂为中国ISO标准砂，级配曲线如图1所示，相关参数如表1所示。

图1 砂颗粒级配曲线Fig.1 Grain-size distribution curve of sand

表1 标准砂材料性质Table 1 Material properties of standard sand

采用内径50 mm的三瓣模制样，外侧涂玻璃胶，以阻止注浆过程中的渗漏，底部垫一片200目圆形纱布以阻止砂颗粒渗漏，内壁放一片影印纸用于脱模，在影印纸上装样高度处做环形标记。装样时，使用漏斗和药匙将砂均匀、缓慢地送入三瓣模中，用击实锤将砂柱压密，最终压实到刻度线处，并盖上一片土工布，以减少液体下落冲击的扰动。每次胶结处理的注入量为砂柱孔隙体积的两倍，酶液与胶结溶液按照体积比1:3配制，可有效降低结晶体堵塞在砂柱顶端的可能性。注浆时，先用蠕动泵向土工布上泵送酶液，并适时调整滴落点，使酶液注入均匀。酶液注浆完成后，静置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胶结溶液，完成后静置6 h。

注浆完成后,砂柱在常温下风干，而后用真空饱和缸使试样吸饱水，取出后放入冰箱冷藏。制样完成的砂柱如图2所示。

图2 处理后的砂柱Fig.2 Sand column after treatment

测试前，取出试样，小心脱模并装入动三轴压力室内，施加20 kPa围压，使试样解冻。解冻后，结合二氧化碳与水头饱和，使试样达到初始饱和状态。逐级提高反压和围压，直到B值达到0.95以上。采用等向固结，对试样施加100 kPa的有效固结围压，当固结排水体积不再变化时，视为固结完成。

1.2 试验方案

为研究胶结处理次数、相对密实度对砂土抗液化性能的影响，对30%、40%和50%密实度下的砂柱分别进行多遍胶结处理。采集试样在循环剪应力与有效固结围压比值（CSR）为0.063、0.125、0.250和0.500时的动孔压、动应变数据，将胶结样的动力响应与未处理的标准砂样进行对比，即可评价SICP方法对饱和砂土抗液化性能的提升效果。

各砂柱试样的处理与加载详细情况如表2所示。表中，编号A表示0次胶结处理，B表示1次胶结处理，以此类推。

表2 砂柱编号Table 2 Numbers of sand columns

2 试验结果与分析

2.1 超孔压与轴向应变发展规律

动荷载频率为1 Hz，数据采集频率为20 Hz。选取每个循环中的孔压最大值和应变幅值最大值，绘制超孔压、轴向应变幅值关于振次的关系曲线。图3展示了50%相对密实度未胶结处理的砂样在CSR=0.125和CSR=0.250条件下(对应编号A10和A11)的孔压、应变响应。

这两种情况是测试试样的典型破坏模式。从图3（a）可以看出，试样在经历将近500次循环应力后，孔压达到100 kPa，而双幅值轴向应变（DA）仅发展到2.5%左右；从图3（b）可以看出，试样在经历50多次循环荷载后，孔压尚未达到初始液化状态，但DA已经率先超过5%水平，试样发生失稳破坏。

图3 砂样的典型孔压、应变响应Fig.3 Typical pore pressure and strain response of sand

试样的应变与孔压都呈现出分阶段增长的特点。在循环荷载施加的瞬间，试样体应变使砂颗粒孔隙急剧收缩，孔压会迅速发展到一定水平；而后砂颗粒滑移减缓，骨架稳定，轴向应变进入稳定的塑性发展阶段，孔压以稳定的速率发展；在剪应力比较小的情况下，会优先发生初始液化状态的应力破坏，而在剪应力比较大（CSR≥0.250）的情况下，应变塑性累积会发展更快，试样优先发生应变失稳破坏。试验结果表明，其他试样的动力响应均符合上述规律。

Seed等[27]认为，土中单元体的法向有效应力等于零（σ”=0）即标志着初始液化应力状态的发生；而Castro[28]认为土体的液化取决于是否发生大规模的流动与位移破坏。实际上，土体破坏是渐进发展的[29]。试验中的胶结试样都具备一定的黏聚力，即使法向有效应力为零，单元体仍具有一定的抗剪强度。因此，当剪应力比较小时，统一以初始液化应力状态作为液化的判定标准，当剪应力比较大（CSR≥0.250）时，以DA≥5%作为液化的判定准则[30]。

2.2 胶结次数对抗液化性能的影响

选取30%密实度砂样分别在不同处理次数下（编号A01～A04、B01～B04、C01～C04、D01～D04）的孔压响应，如图4所示。从图中可以看出，即使在最小剪应力比条件下，30%相对密实度的未处理试样也会迅速液化。但如果胶结液处理达到3次，在0.5的剪应力比条件下也能完全抵抗液化的发生。随着胶结处理次数的增加，试样孔压增速逐渐减缓。这是因为试样的孔隙被CaCO3晶体填充，整体刚度提高，受压时体应变减小，孔压增长得到抑制，因而增速放缓。

图4 30%密实度砂样受循环荷载的孔压增长曲线Fig.4 Cyclic growth curve of pore pressure of sand in the density of 30%

在剪应力加载的初始阶段，试样的孔隙水压力会急剧增长到一定水平，而后以稳定速率随应变塑性累积而增长，直到破坏。将孔压稳定增长的起点统一称为“孔压塑性发展起点”。显然，随着胶结次数的增加，砂样孔压的塑性起点会降低。这是因为胶结次数更多的试样初始密实度更高，在加载瞬间，压应变发展空间受到限制，因此，在初始增长阶段，孔压会受到突然的抑制，随后进入缓慢的塑性发展阶段。试验结果表明，其他试样的孔压增长均符合上述规律。

2.3 相对密实度对抗液化性能的影响

选取一次胶结处理，密实度分别为30%、40%和50%的砂样（编号B01～B12）的孔压响应，如图5所示。从图中可以看出，试样的孔隙水压力也具有分阶段发展的特征，大应力比的试样与小应力比的试样在抵抗循环荷载的次数上存在巨大差异。相对密实度提高可以降低孔压的塑性发展起点，且孔压增长的速率也得到很大抑制。这是因为砂土密实度的提高增强了试样颗粒骨架的稳定性，减小了颗粒的相对错动滑移，因而孔隙水压力的增长空间受到限制。