SICP方法加固飽和砂土提高抗液化能力的動三軸試驗研究

蔣超,周云東,張燚,高玉峰

（河海大學a.土木與交通學院；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象，造成嚴重危害。學術界對飽和砂土液化機理和防治措施展開了深入研究,發(fā)現影響砂土液化的因素主要包括飽和度、密實度、應力歷史、初始剪應力等[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、土木工程等學科的交叉發(fā)展，學者們對生物脲酶催化誘導碳酸鈣沉積的土體處理技術進行了深入研究，此方法被稱作MICP（Microbially Induced Carbonate Precipitation）技術，但其成本高、適用面窄、細菌培養(yǎng)與膠結過程中會散發(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，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[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）結合，析出碳酸鈣晶體，反應過程如式（1）和式（2）所示。該晶體附著在砂顆粒的連結處與表面，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]大多集中在反應動力學基本性質的層面，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、膠結液處理次數對飽和砂土抗液化性能的影響，拓展了對該方法的動力學研究。

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，離心后經由200目紗網過濾，即可獲得大豆脲酶粗提純溶液，冷藏備用。試驗用砂為中國ISO標準砂，級配曲線如圖1所示，相關參數如表1所示。

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

表1 標準砂材料性質Table 1 Material properties of standard sand

采用內徑50 mm的三瓣模制樣，外側涂玻璃膠，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。每次膠結處理的注入量為砂柱孔隙體積的兩倍，酶液與膠結溶液按照體積比1:3配制，可有效降低結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溶液，完成后靜置6 h。

注漿完成后,砂柱在常溫下風干，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，施加20 kPa圍壓，使試樣解凍。解凍后，結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，對試樣施加100 kPa的有效固結圍壓，當固結排水體積不再變化時，視為固結完成。

1.2 試驗方案

為研究膠結處理次數、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處理。采集試樣在循環(huán)剪應力與有效固結圍壓比值（CSR）為0.063、0.125、0.250和0.500時的動孔壓、動應變數據，將膠結樣的動力響應與未處理的標準砂樣進行對比，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次膠結處理，B表示1次膠結處理，以此類推。

表2 砂柱編號Table 2 Numbers of sand columns

2 試驗結果與分析

2.1 超孔壓與軸向應變發(fā)展規(guī)律

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

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，試樣在經歷將近500次循環(huán)應力后，孔壓達到100 kPa，而雙幅值軸向應變（DA）僅發(fā)展到2.5%左右；從圖3（b）可以看出，試樣在經歷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、應變響應Fig.3 Typical pore pressure and strain response of sand

試樣的應變與孔壓都呈現出分階段增長的特點。在循環(huán)荷載施加的瞬間，試樣體應變使砂顆?？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；在剪應力比較小的情況下，會優(yōu)先發(fā)生初始液化狀態(tài)的應力破壞，而在剪應力比較大（CSR≥0.250）的情況下，應變塑性累積會發(fā)展更快，試樣優(yōu)先發(fā)生應變失穩(wěn)破壞。試驗結果表明，其他試樣的動力響應均符合上述規(guī)律。

Seed等[27]認為，土中單元體的法向有效應力等于零（σ”=0）即標志著初始液化應力狀態(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]。試驗中的膠結試樣都具備一定的黏聚力，即使法向有效應力為零，單元體仍具有一定的抗剪強度。因此，當剪應力比較小時，統(tǒng)一以初始液化應力狀態(tài)作為液化的判定標準，當剪應力比較大（CSR≥0.250）時，以DA≥5%作 為 液 化 的 判 定準則[30]。

2.2 膠結次數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下（編號A01～A04、B01～B04、C01～C04、D01～D04）的孔壓響應，如圖4所示。從圖中可以看出，即使在最小剪應力比條件下，30%相對密實度的未處理試樣也會迅速液化。但如果膠結液處理達到3次，在0.5的剪應力比條件下也能完全抵抗液化的發(fā)生。隨著膠結處理次數的增加，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，隨著膠結次數的增加，砂樣孔壓的塑性起點會降低。這是因為膠結次數更多的試樣初始密實度更高，在加載瞬間，壓應變發(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

選取一次膠結處理，密實度分別為30%、40%和50%的砂樣（編號B01～B12）的孔壓響應，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，大應力比的試樣與小應力比的試樣在抵抗循環(huán)荷載的次數上存在巨大差異。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

但當剪應力比較大時，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。這是因為大應力下應變破壞占主導作用，抵抗循環(huán)荷載的持時較短，發(fā)生的軸向應變較大，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,呈現出趨同的走勢。試驗結果表明，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)剪應力比條件下能夠抵抗循環(huán)荷載的次數。圖6為試樣的抗液化強度曲線，坐標平面以雙對數形式展開。對于經歷2 500次循環(huán)仍未出現明顯液化趨勢的試樣，抗液化強度無法準確衡量，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，當以雙對數坐標展示抗液化曲線時，各曲線近似呈直線。可以把試樣抗液化強度Nf與剪應力比CSR的關系近似表示為

式中：CSR為剪應力比；Nf為抗液化強度；α、β為試驗參數。

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

3 結論

通過對SICP法不同膠結次數、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，得到以下結論：

1）試樣的孔壓與應變發(fā)展都呈現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，而后伴隨塑性應變以穩(wěn)定的速率增長，直至破壞發(fā)生。對于剪應力比較大（CSR≥0.250）的試樣，應變失穩(wěn)破壞會比初始液化應力狀態(tài)提前到達。

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

3）膠結次數越多、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力比的增大而被削弱。大應力比循環(huán)荷載下，應變破壞占主導作用，各砂樣的孔壓增長曲線走勢會更接近。

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