微生物加固鈣質(zhì)砂試樣的聲發(fā)射能量統(tǒng)計(jì)特性

王檸浩 吳秉陽 史金權(quán) 郭浩天 蔣翔

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2023.058

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（52178313）

作者簡介：王檸浩（1998-?），男，主要從事砂土力學(xué)特性試驗(yàn)研究，E-mail：wangninghoo@163.com。

通信作者：吳秉陽（通信作者），男，博士生，E-mail：wby8840@163.com。

（1. 重慶大學(xué)?土木工程學(xué)院，重慶?400045；2. 重慶交通大學(xué)?材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶?400074）

Acoustic emission energy statistical properties of biocemented calcareous sand specimens

WANG Ninghao¹，?WU Bingyang¹，?SHI Jinquan¹，?GUO Haotian¹，?JIANG Xiang²

（1. School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China；?2. School of Materials Science and Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， P. R. China）

微生物加固是一種環(huán)境友好型土壤加固技術(shù)，具有提高強(qiáng)度、降低滲透率、控制液化等優(yōu)點(diǎn)，也可以用于修復(fù)重金屬污染物、防治礦井粉塵，大量學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究^[1]。在中國南海地區(qū)，大量島礁建設(shè)工程中主要地基材料均為鈣質(zhì)砂，由于復(fù)雜的工程環(huán)境，鈣質(zhì)砂地基存在沉降變形量過大、不均勻沉降和液化等問題，威脅到工程建設(shè)安全，有學(xué)者提出可以使用微生物加固技術(shù)對(duì)島礁鈣質(zhì)砂地基進(jìn)行加固以解決工程問題^[2]。筆者利用微生物技術(shù)對(duì)大型鈣質(zhì)砂地基模型進(jìn)行加固，并在加固后取出代表性試樣開展單軸壓縮試驗(yàn)，同步采集聲發(fā)射信號(hào)，將模型尺度試樣的聲發(fā)射統(tǒng)計(jì)規(guī)律與已有研究的顆粒尺度、單元尺度進(jìn)行對(duì)比，研究其能量統(tǒng)計(jì)特性的變化。

首先在長、寬、高分別為1.0、0.8、0.8 m的模型箱四角及中心處放置PVC硬管，然后使用砂雨法在模型箱內(nèi)澆灌鈣質(zhì)砂，鈣質(zhì)砂基本參數(shù)為：平均粒徑0.43 mm，比重2.81，最大和最小干密度為1 588 kg/m³和1 279.2 kg/m³。最終地基厚度為0.7 m，干密度1 362.5 kg/m³。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)培養(yǎng)70 L巴士芽孢桿菌菌液，加入無菌水稀釋至100 L作為加固用菌液；利用尿素、氯化鈣配置100 L濃度為1 mol/L的膠結(jié)液。加固時(shí)，將菌液或反應(yīng)液從四角處的PVC硬管泵送注入，同時(shí)從中心處的PVC硬管內(nèi)使用另一個(gè)泵抽出廢液。加固步驟：1）地基清水飽和24 h；2）注入100 L菌液并同時(shí)抽出清水靜置4～5 h；3）注入100 L膠結(jié)液并同時(shí)抽出菌液靜置18～20 h，此為一次加固。鈣質(zhì)砂地基共加固12次。加固完成后在2～3 d內(nèi)分期抽出廢液，減少地基內(nèi)液體殘余，晾干3 d左右后對(duì)地基進(jìn)行切割。自上而下分為A、B、C三層，厚度分別為20、30、20 cm，并將每層分為9塊，長度方向?yàn)?0、40、30 cm，寬度方向?yàn)?5、30、25 cm。將27個(gè)塊體取出并烘干，然后分別通過打磨制備成多個(gè)尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的長方體試樣，開展單軸壓縮試驗(yàn)并使用DISP聲發(fā)射工作站（美國物理聲學(xué)公司）同步采集聲發(fā)射信號(hào)。

Wang等^[3]開展了鈣質(zhì)砂單顆粒破裂、群顆粒摩擦以及實(shí)驗(yàn)室微生物加固鈣質(zhì)砂柱單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中同步采集的聲發(fā)射信號(hào)展開了討論，并在聲發(fā)射信號(hào)能量的概率密度分布與最大似然估計(jì)中發(fā)現(xiàn)微生物加固鈣質(zhì)砂柱破壞時(shí)的破裂-摩擦混合作用機(jī)制。筆者用相同的方法對(duì)所有試樣的聲發(fā)射信號(hào)能量進(jìn)行分析，由于結(jié)果相似，僅列出具有代表性的3個(gè)試樣A1、B1、C1（A、B、C層各1個(gè)）的概率密度分布以及極大似然估計(jì)結(jié)果如圖1所示。可以發(fā)現(xiàn)，在地基模型中加固的試樣A1、B1、C1聲發(fā)射信號(hào)能量在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的直方圖概率密度分布表現(xiàn)為線性，即冪律分布形式，如圖1（a）所示，與Wang等^[3]的顆粒、砂柱試驗(yàn)相同，且圖1（a）中線性斜率值與圖1（b）中相應(yīng)的最大似然估計(jì)值相同，分別為1.66、1.62、1.65，是試樣A1、B1、C1的冪律指數(shù)，與實(shí)驗(yàn)室微生物加固鈣質(zhì)砂柱1.46相似，均介于鈣質(zhì)砂單顆粒破裂（1.37）與群顆粒摩擦（1.70）之間，是試樣中破裂與摩擦共同作用的結(jié)果^[3]。但因?yàn)榧庸痰牟町愋?，地基模型中加固試樣的加固效果要劣于?shí)驗(yàn)室微生物加固鈣質(zhì)砂柱，其冪律指數(shù)1.66、1.62、1.65均大于微生物加固鈣質(zhì)砂柱1.46，更接近顆粒摩擦1.70，破壞時(shí)摩擦行為更為突出。

研究發(fā)現(xiàn)，從顆粒尺度的鈣質(zhì)砂顆粒到單元尺度的微生物加固鈣質(zhì)砂柱到模型尺度中的微生物加固鈣質(zhì)砂試樣，其破壞時(shí)聲發(fā)射信號(hào)能量的統(tǒng)計(jì)特性所表現(xiàn)的破壞機(jī)制基本一致，即在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下均保持為線性且線性斜率介于鈣質(zhì)砂顆粒破裂（1.37）與顆粒摩擦（1.70）機(jī)制之間，這是試樣中破裂與摩擦混合作用的結(jié)果。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，模型尺度中加固試樣的加固效果要劣于單元尺度試樣，其冪律指數(shù)1.66、1.62、1.65均大于微生物加固鈣質(zhì)砂柱1.46，更接近顆粒摩擦1.70，表明破壞時(shí)摩擦行為更為突出。

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（編輯??胡英奎）