微生物加固鈣質砂試樣的聲發射能量統計特性

王檸浩 吳秉陽 史金權 郭浩天 蔣翔

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

基金項目：國家自然科學基金（52178313）

作者簡介：王檸浩（1998-?），男，主要從事砂土力學特性試驗研究，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?土木工程學院，重慶?400045；2. 重慶交通大學?材料科學與工程學院，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境友好型土壤加固技術，具有提高強度、降低滲透率、控制液化等優點，也可以用于修復重金屬污染物、防治礦井粉塵，大量學者對其進行了研究^[1]。在中國南海地區，大量島礁建設工程中主要地基材料均為鈣質砂，由于復雜的工程環境，鈣質砂地基存在沉降變形量過大、不均勻沉降和液化等問題，威脅到工程建設安全，有學者提出可以使用微生物加固技術對島礁鈣質砂地基進行加固以解決工程問題^[2]。筆者利用微生物技術對大型鈣質砂地基模型進行加固，并在加固后取出代表性試樣開展單軸壓縮試驗，同步采集聲發射信號，將模型尺度試樣的聲發射統計規律與已有研究的顆粒尺度、單元尺度進行對比，研究其能量統計特性的變化。

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澆灌鈣質砂，鈣質砂基本參數為：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。在實驗室內培養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的膠結液。加固時，將菌液或反應液從四角處的PVC硬管泵送注入，同時從中心處的PVC硬管內使用另一個泵抽出廢液。加固步驟：1）地基清水飽和24 h；2）注入100 L菌液并同時抽出清水靜置4～5 h；3）注入100 L膠結液并同時抽出菌液靜置18～20 h，此為一次加固。鈣質砂地基共加固12次。加固完成后在2～3 d內分期抽出廢液，減少地基內液體殘余，晾干3 d左右后對地基進行切割。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，長度方向為30、40、30 cm，寬度方向為25、30、25 cm。將27個塊體取出并烘干，然后分別通過打磨制備成多個尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的長方體試樣，開展單軸壓縮試驗并使用DISP聲發射工作站（美國物理聲學公司）同步采集聲發射信號。

Wang等^[3]開展了鈣質砂單顆粒破裂、群顆粒摩擦以及實驗室微生物加固鈣質砂柱單軸壓縮試驗，對試驗中同步采集的聲發射信號展開了討論，并在聲發射信號能量的概率密度分布與最大似然估計中發現微生物加固鈣質砂柱破壞時的破裂-摩擦混合作用機制。筆者用相同的方法對所有試樣的聲發射信號能量進行分析，由于結果相似，僅列出具有代表性的3個試樣A1、B1、C1（A、B、C層各1個）的概率密度分布以及極大似然估計結果如圖1所示?？梢园l現，在地基模型中加固的試樣A1、B1、C1聲發射信號能量在雙對數坐標下的直方圖概率密度分布表現為線性，即冪律分布形式，如圖1（a）所示，與Wang等^[3]的顆粒、砂柱試驗相同，且圖1（a）中線性斜率值與圖1（b）中相應的最大似然估計值相同，分別為1.66、1.62、1.65，是試樣A1、B1、C1的冪律指數，與實驗室微生物加固鈣質砂柱1.46相似，均介于鈣質砂單顆粒破裂（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果^[3]。但因為加固的差異性，地基模型中加固試樣的加固效果要劣于實驗室微生物加固鈣質砂柱，其冪律指數1.66、1.62、1.65均大于微生物加固鈣質砂柱1.46，更接近顆粒摩擦1.70，破壞時摩擦行為更為突出。

研究發現，從顆粒尺度的鈣質砂顆粒到單元尺度的微生物加固鈣質砂柱到模型尺度中的微生物加固鈣質砂試樣，其破壞時聲發射信號能量的統計特性所表現的破壞機制基本一致，即在雙對數坐標系下均保持為線性且線性斜率介于鈣質砂顆粒破裂（1.37）與顆粒摩擦（1.70）機制之間，這是試樣中破裂與摩擦混合作用的結果。同時發現，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1.66、1.62、1.65均大于微生物加固鈣質砂柱1.46，更接近顆粒摩擦1.70，表明破壞時摩擦行為更為突出。

參考文獻

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[2] ?劉漢龍， 馬國梁， 肖楊， 等. 微生物加固島礁地基現場試驗研究[J]. 地基處理， 2019， 1（1）： 26-31.

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[3] ?WANG L， JIANG X， HE X， et al. Crackling noise and bio-cementation [J]. Engineering Fracture Mechanics， 2021， 247： 107675.

（編輯??胡英奎）