呂美彤，章定文，沈 晨，曾 彪

（東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 211189）

0 引 言

隨著地震過程的發(fā)生，地基土?xí)霈F(xiàn)液化現(xiàn)象。地基土液化時會產(chǎn)生巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，如發(fā)生建筑物的下沉、傾斜甚至倒塌，地下管線等生命線工程遭受破壞以及重要構(gòu)筑物（堤防、水壩、地基等）的破壞[1]。歷次大地震中由于地震引起的地基土液化均有發(fā)生，所帶來的災(zāi)害極為嚴(yán)重，如 1964年日本新瀉地震，由于地基發(fā)生液化導(dǎo)致2 130多座建筑物發(fā)生倒塌，6 200多座建筑物嚴(yán)重破壞，31 000多座建筑物發(fā)生輕微破壞。2008年中國汶川地震中，液化面積更是達(dá)到了100 000 km2，綿陽、成都、德陽和雅安的不同地區(qū)均出現(xiàn)了大面積的噴水冒砂現(xiàn)象，噴水高度達(dá)到了10 m，并伴隨著數(shù)公里長的地表裂縫出現(xiàn)[2]。因此如何有效處理液化地基成為我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

傳統(tǒng)的可液化地基的工程處理措施主要有強(qiáng)夯、擠密砂樁、碎石樁和水泥土攪拌樁等[3-4]。由于受經(jīng)濟(jì)水平和建筑技術(shù)水平的限制，我國部分建（構(gòu)）筑物在修筑時未采取措施消除地基土的液化，如底層或多層建筑、非高等級公路等。傳統(tǒng)的可液化地基的處理方法只能適用于新建工程中，難以用于既有建筑物的防治，這也是近些年來大中型地震中仍普遍存在液化現(xiàn)象的主要原因，故迫切需要一種經(jīng)濟(jì)有效的液化緩解技術(shù)對既有建筑下的液化地基進(jìn)行處理。

微生物巖土技術(shù)作為巖土工程領(lǐng)域新的分支，逐漸成為一個熱門研究方向，近年來，眾多學(xué)者開展了相關(guān)的研究[5]。有學(xué)者通過研究表明，飽和度輕微減小，土體的抗液化性能會明顯提高。YOSHIMI等[6]通過循環(huán)扭剪試驗(yàn)指出砂土抗液化強(qiáng)度隨著飽和度的降低顯著增大，當(dāng)降低至 70%時，其抗液化強(qiáng)度增加3倍。PENG等[7]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在不排水條件下，當(dāng)樣品的飽和度從100%下降到92.4%時，破壞模式會由應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)化為應(yīng)變硬化，且不排水抗剪強(qiáng)度可以提高2倍。只要飽和度的微小變化，砂土試樣的液化性能就會顯著提高。根據(jù)氣體的產(chǎn)生方式，目前降飽和度的方法有直接注氣法、電解法、排注水法、化學(xué)氣泡法和微生物氣泡法等[8-9]。而微生物產(chǎn)氣降飽和法采用垂直或傾斜鉆孔注漿等方法，隨著菌液的流動，氣泡均勻的填充在土體顆粒骨架中，HE[10]進(jìn)行一系列攝像監(jiān)控和CT掃描測試顯示，微生物降飽和砂柱中氣泡的均勻性效果更好，且可解決化學(xué)氣泡法引起的環(huán)境污染問題，過程可控，并且土壤生態(tài)系統(tǒng)中本身存在廣泛的微生物反硝化過程，利用微生物的活動來改變土壤物理和機(jī)械行為，抵抗土壤液化，具有很大的應(yīng)用前景。

許多學(xué)者通過靜三軸、動三軸及振動臺試驗(yàn)都證實(shí)了微生物降飽和度法在砂土飽和度降低的時候就可以顯著提高飽和砂土的抗液化能力[11-13]，但對于反應(yīng)過程中砂土飽和度降低的程度及反應(yīng)后各部分飽和度的均勻性未給出指標(biāo)定量描述。明確菌液注入后飽和度變化的實(shí)時監(jiān)測和定量分析對于微生物降飽和法在現(xiàn)場試驗(yàn)中的應(yīng)用至關(guān)重要。

巖土地震工程中通常采用土壤的剪切波速來評估離心機(jī)模型試驗(yàn)中的動態(tài)原位土壤特性。確定剪切波速的值是進(jìn)行地震場地響應(yīng)和液化潛力分析的基礎(chǔ)。在離心機(jī)測試中通常采用彎曲元和微型氣錘來進(jìn)行剪切波速測定。FU等[14]采用一對彎曲元在離心機(jī)中發(fā)射和接受剪切波來測定剪切波速。ARULNATHAN等[15]和GHOSH等[16]采用微型氣錘產(chǎn)生橫波，通過不同深度處的垂直加速度計(jì)陣列記錄傳播的橫波。但是這兩種方法中彎曲元和氣錘都必須提前嵌入到模型土中，這種操作會對離心機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擾動。因此一種無損且操作簡單，只用到傳感器而不需要其他元件，并可以在土壤層間和測試結(jié)構(gòu)上進(jìn)行剪切波速測試的技術(shù)是迫切需要的。LEE等[17]開發(fā)了預(yù)振動技術(shù)用于測量離心機(jī)模型試驗(yàn)中的剪切波速測試，當(dāng)在測試砂床上激發(fā)一個循環(huán)的低振幅正弦波（預(yù)振動），從而引起砂床產(chǎn)生低振幅的自由振動過程，大大減小了砂床對砂顆粒的干擾作用，得到了在預(yù)振動前后沿著模型深度方向的剪切波速剖面，且預(yù)振動前后砂床的相對密度和橫波波速沒有變化。ZHANG等[18]采用預(yù)振動技術(shù)研究了微生物加固過程中鈣質(zhì)砂地基的剪切波速，通過加固前后土體的剪切波速變化，評估了膠結(jié)過程中鈣質(zhì)砂地基性質(zhì)的變化。

預(yù)振動技術(shù)不會對砂土顆粒之間的滑移產(chǎn)生影響，且廉價、無破壞性。本文基于振動臺模型試驗(yàn)，采用預(yù)振動技術(shù)通過不同深度處的加速度傳感器陣列進(jìn)行了剪切波速測量，研究了振動臺試驗(yàn)中微生物產(chǎn)氣過程中的剪切波速變化情況，從而建立了微生物產(chǎn)氣過程中的飽和度和剪切波速之間的定量關(guān)系，研究成果可以為微生物降飽和法在現(xiàn)場試驗(yàn)中的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)砂樣

本次試驗(yàn)用砂為福建廈門標(biāo)準(zhǔn)砂，對其進(jìn)行比重、顆分等常規(guī)試驗(yàn)得到砂土的比重（Gs）為2.65，砂土的最大和最小孔隙比分別為0.703和0.385，粒徑分布曲線見圖1，級配常數(shù)見表1。由圖1和表1可知，砂樣粗粒組含量大于50%，不含礫粒和細(xì)粒，且 5＜Cu，1＜Cc＜3，依據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50145—2007），定名為良好級配砂。

圖1 砂的級配曲線Fig. 1 Grains size distribution curve of the sand

表1 試驗(yàn)用砂的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of the tested sand

1.2 測試裝置及傳感器布置

試驗(yàn)采用東南大學(xué)交通學(xué)院城市地下工程與環(huán)境安全重點(diǎn)試驗(yàn)室的小型電磁振動臺系統(tǒng)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯料洳捎脙?nèi)部尺寸為50 cm×36 cm×40 cm層狀剪切模型箱，框架層間設(shè)置鋼珠用于減小層間摩阻力，為土體提供較為理想的剪切變形條件，最大程度地消除了邊界效應(yīng)。振動臺與層狀剪切盒的實(shí)物圖如圖2所示。本試驗(yàn)采用的傳感器主要是加速度計(jì)陣列。針對已有學(xué)者進(jìn)行的振動臺試驗(yàn)結(jié)果，反應(yīng)過程中采用工業(yè)防水級壓電式加速度傳感器。傳感器布置如圖3所示。

圖2 振動臺與層狀剪切盒Fig. 2 Shakers and laminated shear boxes

圖3 傳感器布置圖Fig. 3 Distribution of sensors

1.3 微生物培養(yǎng)

試驗(yàn)采用的菌種為購自德國微生物菌種保藏中心（DSMZ，編號 5190）的施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）。微生物采用的Luria-Bertani（LB）。培養(yǎng)基的組成為胰蛋白胨10 g，酵母提取物5g，NaCl10g，加入去離子水定容至1 L。采用的反硝化培養(yǎng)基的基本組成為MgSO4·7H2O 0.2 g，K2HPO41 g，Na3C6H5O7·2H2O 5 g和適量KNO3（根據(jù)降飽和度的要求添加）加入蒸餾水，定容至1 L。微生物反硝化過程是由反硝化細(xì)菌將硝酸氮通過4步反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪€原反應(yīng)（Rebata-Landa and Santamarina，2012）。以硝酸鉀作為氮源時，檸檬酸鈉為最佳碳源，采用的反硝化細(xì)菌反硝化過程進(jìn)行的還原反應(yīng)方程式為：

1.4 微生物產(chǎn)氣降飽和試驗(yàn)

在恒溫30 ℃條件下利用LB培養(yǎng)基培養(yǎng)施氏假單胞菌24 h，將菌懸液取出以4 000 r/min離心，去除上清液，留存菌體待用。將反硝化培養(yǎng)基與留存菌體混合，制備成OD值為0.1的高濃度菌懸液備用。

振動臺試驗(yàn)過程采用水沉法進(jìn)行制樣，在層狀剪切盒內(nèi)壁布置 PVC薄膜，防止砂和水從層狀剪切盒間流出。將配置好的高濃度菌懸液倒入模型箱內(nèi)，將烘干的標(biāo)準(zhǔn)砂從剪切盒頂端10 cm處落入剪切盒中，始終保持砂面在水面之下。加砂過程中進(jìn)行傳感器的埋設(shè)，為了防止傳感器位置偏差，在模型箱頂端用細(xì)線進(jìn)行定位。加砂到模型箱的30 cm處，平整砂子表面，并抽出多余菌液。由于微生物在反應(yīng)前期有 12 h的初始停滯期，這個過程保證砂樣實(shí)現(xiàn)飽和固結(jié)。待反應(yīng)過程開始，試樣表面的水位會不斷上升，40～45 h左右反應(yīng)停止，水面不再變化反應(yīng)過程結(jié)束。

1.5 試驗(yàn)工況

對比微生物產(chǎn)氣降飽和后在不同飽和度下的剪切波速的測試結(jié)果，估算經(jīng)過微生物處理后的飽和砂土的抗液化能力。制備一個未加入微生物，其他試驗(yàn)條件一樣的空白對照組進(jìn)行剪切波速測試。剪切波速測試試驗(yàn)工況見表2。

表2 剪切波速測試工況Table 2 Shear wave speed test conditions

2 微生物產(chǎn)氣降飽和緩解液化地基的剪切波速測試

2.1 剪切波速測試原理

振動臺模型試驗(yàn)中都會配置有垂直方向的加速度陣列來監(jiān)測土壤的動態(tài)響應(yīng)過程。本實(shí)驗(yàn)中采用不同深度的加速度計(jì)陣列進(jìn)行剪切波速測試。剪切波速可以用來評估土壤的剪切強(qiáng)度和土壤的完整性。測試原理是在模型箱的底部產(chǎn)生一個橫向的水平?jīng)_擊力作為剪切振動源，使用不同深度處的加速度計(jì)進(jìn)行加速度測量，通過第一個波傳播的時間差和加速度計(jì)之間距離來得到剪切波速，如圖4所示。為了準(zhǔn)確的測量第一個波到達(dá)時的時間，數(shù)據(jù)采集儀設(shè)置了200 000 Hz的采樣頻率，和加速度計(jì)陣列之間波傳播的距離相比，只要采樣頻率足夠小，就可以消除由于分辨率導(dǎo)致的剪切波速數(shù)值的誤差。剪切波速（vs）的測試采用第一到達(dá)法[19]確定，計(jì)算公式為：

圖4 加速度計(jì)A1測得的信號Fig. 4 Signal measured by accelerometer A1

式中：ΔS為加速度計(jì)陣列之間的距離；Δt為加速度計(jì)陣列對應(yīng)的第一波到達(dá)的時間差。

2.2 不同深度處的剪切波速測試

在模型試驗(yàn)箱不同深度處（5 cm、15 cm、25 cm）設(shè)置A1、A2和A3共3個加速度計(jì)陣列，微生物產(chǎn)氣降飽和前后得到的加速度計(jì)陣列采集到的數(shù)據(jù)匯總?cè)鐖D5所示，可以看出第一個波的峰值幅值由第一個加速度計(jì)A1采集到的0.05 m/s2（0.005 g）變化到模型箱頂部的加速計(jì) A3的 0.02 m/s2（0.002 g）。將圖 5中加速度信號按照公式（1）轉(zhuǎn)換為剪切波速隨著時間的變化規(guī)律，如圖 6所示。

圖5 在微生物產(chǎn)氣前得到的加速度數(shù)據(jù)Fig. 5 Acceleration data obtained before microbial gas production

從微生物發(fā)生反應(yīng)開始，每間隔4 h將微生物在飽和砂土中的產(chǎn)氣過程進(jìn)行剪切波速測試，距模型底部15 cm范圍以下和以上的剪切波速隨著時間的變化規(guī)律如圖6所示，由圖可以看出微生物產(chǎn)氣降飽和過程中60 h記錄得到的剪切波速在顯著減小，飽和度降低之后明顯觀測到剪切波到達(dá)的時間差增大。說明采用剪切波速作為微生物產(chǎn)氣過程中飽和度的指標(biāo)是有效的。

圖6 剪切波速隨著反應(yīng)時間的變化規(guī)律Fig. 6 Variation law of shear wave velocity with reaction time

將反應(yīng)過程中微生物產(chǎn)氣引起的飽和度的變化進(jìn)行計(jì)算，得到測得的剪切波速和飽和度之間的關(guān)系如圖7所示，圖7中第一組和第二組指的是當(dāng)飽和度降到84.6%的兩組平行試驗(yàn)。由圖可以看出，隨著飽和度降低，剪切波速在不斷減小，由反應(yīng)初期的59 m/s減小為12 m/s。反應(yīng)進(jìn)行中，隨著產(chǎn)氣飽和度降低，砂土孔隙中水分不斷被氣體替代，由于波在空氣中的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水中，所以剪切波速呈下降的趨勢。隨著微生物反應(yīng)過程的進(jìn)行，土體飽和度降低，將原本在孔隙中的菌液排出土體，這部分菌液反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體直接懸浮在液體表面，這部分氣體無法起到降低飽和度的作用，同時菌液在排出的過程中帶走了一部分不穩(wěn)定的氣泡，故圖7在曲線上出現(xiàn)了拐點(diǎn)。隨著飽和度下降，剪切波速的下降速率在減小。由于反應(yīng)過程中部分氣泡會向上部溢出，及砂土重力的影響導(dǎo)致砂樣中氣泡的分布為下部小而封閉的氣泡，上部氣泡大且呈現(xiàn)出氣泡不均勻的狀態(tài)，所以由圖7也可以看出計(jì)算得到的砂土剪切波速在上部和下部不完全統(tǒng)一，且總是下部大于上部。取上下兩部分的平均值作為該模型箱某一飽和度下的剪切波速。

圖7 剪切波速和飽和度的關(guān)系Fig. 7 Relationship between shear wave velocity and saturation

2.3 剪切波速和飽和度的關(guān)系

為了得到剪切波速和飽和度的關(guān)系，將試驗(yàn)過程中的4組不用飽和度試樣的剪切波速進(jìn)行匯總?cè)鐖D8所示，可以看出隨著飽和度降低，剪切波速是不斷減小的，且滿足關(guān)系式：vs= 2 .779×1 .13Sr。當(dāng)微生物開始產(chǎn)氣，隨著飽和度降低，砂土孔隙中水分不斷被氣體替代，由于波在空氣中的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水中，所以剪切波速呈下降的趨勢。隨著微生物反應(yīng)過程的進(jìn)行，土體飽和度降低，將原本在孔隙中的菌液排出土體，這部分菌液反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體直接懸浮在液體表面，無法對剪切波速產(chǎn)生影響，所以隨著飽和度的降低，特別是降低到90%以下，剪切波速的減小速率在變小。

圖8 剪切波速和飽和度的擬合曲線Fig. 8 Fitting curves for equivalent shear wave velocity and saturation

3 結(jié) 論

本文基于振動臺模型試驗(yàn)，采用預(yù)振動技術(shù)通過不同深度處的加速度傳感器陣列進(jìn)行了剪切波速測量，研究了振動臺試驗(yàn)中微生物產(chǎn)氣過程中的剪切波速變化情況，從而建立了微生物產(chǎn)氣過程中的飽和度和剪切波速之間的定量關(guān)系，主要得出以下結(jié)論：

（1）微生物產(chǎn)氣降飽和過程中得到的剪切波速在顯著減小，飽和度降低之后明顯觀測到剪切波到達(dá)的時間差增大。說明采用剪切波速作為微生物產(chǎn)氣過程中飽和度的指標(biāo)是有效的。

（2）隨著飽和度降低剪切波速在不斷減小，由反應(yīng)初期的59 m/s減小為12 m/s。剪切波速下降速率隨著飽和度的減小而減小。砂土剪切波速的值在上部和下部不一樣，且總是下部大于上部的原因主要是反應(yīng)過程中部分氣泡會向上部溢出，及砂土重力的影響導(dǎo)致砂樣中氣泡的分布呈現(xiàn)不均勻的狀態(tài)。

（3）振動臺試驗(yàn)中，微生物產(chǎn)氣降飽和處理可液化地基過程，剪切波速和飽和度之間滿足曲線：vs= 2 .779×1 .13Sr。當(dāng)微生物開始產(chǎn)氣，隨著飽和度降低，剪切波速呈快速下降的趨勢，當(dāng)飽和度降低到90%以下，剪切波速下降的速率在變小。