水泥注漿改性土體對地面振動衰減作用的原位試驗研究

許照剛， 婁 宇， 陳 騮

(1.中國電子工程設(shè)計院有限公司 北京市微振動環(huán)境控制工程技術(shù)研究中心，北京 100142；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

隨著高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關(guān)加工及檢測設(shè)備的精度不斷提升，進而對高科技設(shè)施的環(huán)境性能(潔凈、電磁、振動等)提出了日趨嚴苛的要求[1]。其中，對于為振動敏感設(shè)備提供工作環(huán)境的高科技設(shè)施，由軌道和道路交通等產(chǎn)生的環(huán)境振動必須得到有效控制以滿足相應(yīng)的振動標(biāo)準，確保振動敏感設(shè)備的正常運行[2-3]。因此，需要采取合理的振動控制措施以實現(xiàn)高科技設(shè)施的振動穩(wěn)定性。

合理的環(huán)境振動控制措施需要綜合考慮振源、振動傳遞路徑和受振對象的特點。采用振源減振措施能夠大幅度降低環(huán)境振動的強度，特別是低頻振動的強度[4-5]。工程項目建設(shè)中，多數(shù)環(huán)境振動問題的提出，都涉及既有運營振源，而針對既有運營振源采取減振措施需要不同項目間的協(xié)調(diào)，往往涉及較大的經(jīng)濟、社會和環(huán)境成本，通常難以實現(xiàn)。作為選擇，在振源與受振對象間的巖土介質(zhì)中設(shè)置隔振溝槽(空溝或土工材料填充溝)是控制環(huán)境振動不利影響的常用措施之一。隔振溝槽的減振能力與環(huán)境振動的頻率密切相關(guān)[6]。試驗表明，降低75%的地面振動幅值，所需隔振溝槽的深度至少為0.6倍的振動波長[7]。然而，高科技設(shè)施振動控制關(guān)注的環(huán)境振動頻帶較寬，通常要考慮低頻振動的影響[8]，比如VC標(biāo)準關(guān)注的振動頻率低至4 Hz甚至1 Hz，高至100 Hz[9]。對于低頻環(huán)境振動控制，受到項目規(guī)劃、建造成本以及土地資源等因素的制約，較深隔振溝槽的建造不易實現(xiàn)。

與針對振源和傳遞路徑采取減振措施相比，針對高科技設(shè)施采取減振措施的主要優(yōu)點是：減振方案的制訂僅涉及減振項目，并且減振項目占有的建筑空間能夠得以充分利用，無需額外的土地資源。針對高科技設(shè)施的減振措施主要包括增加筏板基礎(chǔ)的厚度、采用樁筏基礎(chǔ)以及提高地基的動力剛度。試驗和數(shù)值研究表明，增加筏板基礎(chǔ)的厚度是降低高科技設(shè)施環(huán)境振動水平的有效措施[10-11]。而與筏板基礎(chǔ)相比，樁筏基礎(chǔ)表現(xiàn)出更好的減振性能[12]，但是樁基更大的作用是控制基礎(chǔ)沉降[13]。基于數(shù)值仿真的參數(shù)研究表明，通過提高地基動力剛度能夠有效控制高科技設(shè)施的環(huán)境振動水平[14-15]，但是缺乏試驗數(shù)據(jù)，尤其是原位試驗方面積累的資料。為推廣提高地基動力剛度的減振方法在實際環(huán)境振動控制工程中的應(yīng)用，尚需進行大量的現(xiàn)場試驗研究。

在多種提高地基動力剛度的技術(shù)中(換填、注漿等)，水泥注漿具有社會及經(jīng)濟效益良好、施工工藝簡單靈活、土體擾動微小、可注土體范圍廣泛等特點[16]。本文通過現(xiàn)場掃頻試驗，在簡諧荷載作用下，研究水泥注漿改性土體對地面振動的衰減效果。一方面為水泥注漿提高土體動力剛度的減振方法在高科技設(shè)施環(huán)境振動控制工程中的應(yīng)用提供一定的參考，另一方面為進一步的研究以及理論和數(shù)值研究結(jié)果的驗證提供一系列現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 試驗場地及注漿區(qū)域

試驗場地位于北京市。試驗場地表層為約2 m厚的黏質(zhì)粉土，壓縮模量為5.1 MPa，屬中高壓縮性土體。地表以下2～7 m范圍內(nèi)是中密～稍密卵石土，含中砂約15%～25%，標(biāo)記為卵石I層。地表以下7～20 m為密實卵石土，含中砂約20%～25%，標(biāo)記為卵石II層。卵石II層之下為中風(fēng)化花崗閃長巖，地勘鉆孔未穿透。采用面波法測量近地表土層的剪切波速。此外，地脈動測試揭示該試驗場地的卓越周期是0.32 s。試驗場地地下水位常年保持在地表之下20 m左右的位置。土體參數(shù)如表1所示，土層分布如圖1所示。

表1 土體參數(shù)

圖1 土層分布Fig.1 Soil profile

在試驗場地選取一塊長24 m、寬16 m的區(qū)域作為注漿區(qū)域，見圖1。對注漿區(qū)域卵石I層進行水泥注漿處理，以提高其動力剛度。

1.2 水泥注漿

在多種注漿技術(shù)中，袖閥管注漿技術(shù)的顯著優(yōu)點是注漿后形成的水泥-土復(fù)合材料相對均質(zhì)。因此，本研究采用袖閥管注漿技術(shù)對卵石I層進行水泥注漿，以提高其動力剛度。袖閥管注漿技術(shù)的基本原理和結(jié)構(gòu)如圖2所示[17]。袖閥管注漿的基本步驟是：①根據(jù)注漿孔的平面布置，將注漿孔鉆至設(shè)計深度；②將帶有出漿孔的袖閥管安裝于注漿孔中；③采用套殼料填充袖閥管與注漿孔間的空隙；④從注漿孔底部開始，向上分段實施注漿。

圖2 袖閥管工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Principle and structure of sleeve valve tube

本研究采用的袖閥管由外徑為89 mm、壁厚為3 mm的鋼管制作，如圖3所示。袖閥管出漿孔間距為0.5 m，即分段注漿的土層厚度為0.5 m。

圖3 鋼袖閥管Fig.3 Steel sleeve valve tube

注漿區(qū)域注漿孔平面布置如圖4所示。實施注漿的土層是厚度為5 m的卵石I層，位于地表以下2～7 m處。為了更好地控制注漿效果，注漿區(qū)域在平面上劃分為內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域。內(nèi)部注漿區(qū)域的平面尺寸長19 m、寬11 m。內(nèi)部注漿區(qū)域外圍2.5 m寬的區(qū)域構(gòu)成外部注漿區(qū)域。內(nèi)部注漿區(qū)域注漿孔的間距是1.2 m，而外部注漿區(qū)域注漿孔的間距是1.0 m。

圖4 袖閥管注漿平面布置Fig.4 Layout of sleeve valve tube grouting

水泥漿采用PO42.5普通硅酸鹽水泥。內(nèi)部注漿區(qū)域注漿材料采用水灰比為0.8的水泥漿，每延米注漿量約0.4 m3，每延米水泥用量約350 kg。外部注漿區(qū)域注漿材料采用水灰比為1.2的水泥漿，并摻入15%左右的硫酸鹽，每延米注漿量約0.3 m3，每延米水泥用量約200 kg，硫酸鹽外加劑摻量約30 kg。外部注漿區(qū)域注漿材料的初凝時間約為10～15 min。套殼料由水泥、膨潤土和水按照1∶1.5∶2的比例配置而成。

通過在現(xiàn)場進行試注漿試驗，確定注漿終止壓力約為1.5～2.0 MPa，注漿速度約20～30 L/min。為了防止注漿時水泥漿從卵石I層的表面溢出，保留2 m厚的黏質(zhì)粉土層作為注漿的上蓋層，如圖5所示。 注漿時，遵循先外部區(qū)域后內(nèi)部區(qū)域、先下部土體后上部土體的注漿流程。

圖5 袖閥管注漿Fig.5 Sleeve valve tube grouting

1.3 試驗方案

在相同簡諧激勵作用下，通過測量和對比注漿區(qū)域中心點TP1與注漿區(qū)域北側(cè)選取的非注漿區(qū)參考點TP2(見圖1)的地面振動響應(yīng)來研究水泥注漿改性土體對地面振動的衰減作用。因此，進行水泥注漿之前，首先需要對測點TP1和TP2自由場地面振動響應(yīng)的一致性進行驗證，以確保振動從振源至測點TP1和TP2傳遞特征的一致。通過測量和對比注漿區(qū)域中心點TP1和非注漿區(qū)參考點TP2的地面振動速度，驗證兩個測點振動響應(yīng)的一致性。

注漿完成28天后，開展水泥注漿改性土體減振性能試驗。通過測量和對比注漿區(qū)域中心點TP1和非注漿區(qū)參考點TP2的地面振動速度，研究水泥注漿改性卵石I層對地面振動的衰減作用。

此外，注漿完成28天后，對注漿區(qū)域進行了面波測試以確定水泥注漿改性卵石I層的剪切波速。面波測試時，表面波由重錘錘擊地面產(chǎn)生，檢波器沿注漿區(qū)域?qū)蔷€布置，間距為1.0 m，如圖6所示。

圖6 MASW測試Fig.6 MASW test

振動測試的動力荷載是由電磁激振系統(tǒng)產(chǎn)生的簡諧激勵。簡諧激勵的頻率為5～100 Hz、頻率步長為0.5 Hz，因此在整個分析頻率范圍內(nèi)共有191個簡諧激勵。單個頻率簡諧激勵的作用時間為20 s。電磁激振系統(tǒng)的主要組成包括：信號發(fā)生器、功率控制柜、電磁激振器和風(fēng)冷機，如圖7所示。

圖7 電磁激振系統(tǒng)Fig.7 The electromagnetic vibration excitation system

本研究采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括1個GMS傳感器和1個4通道INV3060S型數(shù)據(jù)采集儀，同時采集豎直向(Z向)、南北向 (X向)和東西向(Y向)的地面振動速度，如圖8所示。其中，GMS傳感器用高強快粘粉固定于C30混凝土基礎(chǔ)表面，基礎(chǔ)埋深0.5 m。

圖8 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig.8 The data acquisition system

地面振動水平用單一頻率地面振動的速度有效值VF-RMS和所有頻率地面振動的速度總有效值VT-RMS來描述。速度有效值表征分頻率振動水平，其定義如式(1)所示。而速度總有效值表征總振動水平，其定義如式(2)所示。

(1)

(2)

式中:v(f,t)是頻率為f的地面振動的速度時程;t是時間;VF-RMS(f)是頻率為f的地面振動的速度有效值;m是分析頻率的個數(shù),本文中，m=191。

2 試驗結(jié)果

2.1 自由場地面振動傳遞特征一致性驗證

在相同簡諧激勵作用下，通過測量和對比注漿區(qū)域中心點TP1和非注漿區(qū)參考點TP2的自由場地面振動速度，對振動從振源至兩個測點的傳遞特征的一致性進行了驗證。

圖9給出了測點TP1和TP2三個方向自由場地面振動的速度總有效值。由圖9可知，測點TP1和TP2自由場地面振動速度總有效值差異分別是：豎直向(Z向)為1.9%、南北向(X向)為1.1%、東西向(Y向)為0.5%。可見，注漿區(qū)域中心點TP1和非注漿區(qū)參考點TP2的自由場地面振動速度總有效值差異非常小，表明振動從振源至測點TP1和TP2的傳遞特征對總振動水平具有良好的一致性。

圖9 自由場地面振動速度總有效值Fig.9 Total root mean square velocity of free-field ground vibration

圖10對比了測點TP1和TP2三個方向自由場地面振動的速度有效值。從圖10可以看出，在整個分析頻率范圍內(nèi)，測點TP1和測點TP2任何一個方向的自由場地面振動速度有效值-頻率曲線幾乎重合，表明振動從振源至兩個測點的傳遞特征對分頻率振動水平具有良好的一致性。

注漿區(qū)域和非注漿區(qū)對總振動水平和分頻率振動水平都具有良好的一致性，說明振動從振源至兩個區(qū)域的傳遞特征具有良好的一致性。因此，通過對比測點TP1和TP2的地面振動響應(yīng)，研究水泥注漿改性土體的減振性能是可行的，結(jié)論是可靠的。

2.2 水泥注漿改性卵石I層的剪切波速

水泥注漿主要通過提高土體的動力剛度實現(xiàn)減振，而土體動力剛度在一定程度上可由剪切波速表征：土體動剪切模量與剪切波速的平方成正比。

注漿完成28天后，采用面波法對注漿區(qū)域近地表土層的剪切波速進行了測試，并與水泥注漿之前的剪切波速進行了對比，如圖11所示。注漿前后，卵石I層的剪切波速變化較大，其他土層的剪切波速基本沒有變化。卵石I層的剪切波速由注漿前的352 m/s提高到注漿后的425 m/s，增加約20.7%，即水泥注漿能夠大幅度提高卵石I層的剪切波速，說明水泥注漿大幅提高了卵石I層的動力剛度。

2.3 水泥注漿改性土體減振性能

注漿完成28天后，通過測量和對比注漿區(qū)域中心點TP1和非注漿區(qū)參考點TP2的地面振動響應(yīng)，研究了水泥注漿改性卵石I層的減振性能。

圖10 自由場地面振動速度有效值Fig.10 Root mean square velocity of free-field ground vibration

圖11 剪切波速Fig.11 Shear wave velocity

圖12給出了測點TP1和TP2三個方向地面振動的速度總有效值。從圖12可知，注漿區(qū)域和非注漿區(qū)的南北向(X向)地面振動速度總有效值大于相應(yīng)的豎直向(Z向)和東西向(Y向)的速度總有效值。在豎直向，注漿區(qū)域地面振動速度總有效值是非注漿區(qū)的70.5%，表明水泥注漿改性卵石I層能夠降低29.5%的豎直向地面振動速度總有效值。在東西向，注漿區(qū)域地面振動速度總有效值是非注漿區(qū)的69.2%，表明水泥注漿改性卵石I層能夠降低30.8%的東西向地面振動速度總有效值。盡管與非注漿區(qū)相比，注漿區(qū)域的南北向地面振動速度總有效值被放大了0.16%，但是該放大程度可忽略不計。因此，水泥注漿通過提高卵石I層的動力剛度，能夠有效降低豎直向和東西向地面振動的速度總有效值(總振動水平)，而對南北向地面振動的總振動水平影響不大。

(a) 絕對速度總有效值

(b) 歸一化速度總有效值圖12 地面振動速度總有效值Fig.12 Total root mean square velocity of ground vibration

需要指出的是，“在相同簡諧激勵作用下”針對的是注漿區(qū)域中心點TP1和非注漿區(qū)參考點TP2而言的，即同一次試驗中，測點TP1和TP2所受到的簡諧激勵是相同的。然而，本文研究采用的電磁激振系統(tǒng)沒有反饋裝置，無法保證兩次不同試驗中電磁激振系統(tǒng)產(chǎn)生的對地面的簡諧激勵是相同的，即自由場地面振動響應(yīng)一致性驗證試驗和水泥注漿改性土體減振性能試驗的簡諧激勵是不同的。因此，兩次不同試驗中，非注漿區(qū)同一測點TP2三個方向上速度總有效值前后相差較大，且三個方向上速度總有效值變化不一致。

圖13給出了注漿區(qū)域與非注漿區(qū)三個方向地面振動的速度有效值與頻率關(guān)系曲線。在整個分析頻率范圍內(nèi)，水泥注漿改性卵石I層對三個方向地面振動速度有效值的衰減作用是不連續(xù)的，即有些頻率地面振動的速度有效值得到衰減而有些頻率地面振動的速度有效值得以放大。對于豎直向的地面振動，在水泥注漿改性卵石I層起到衰減作用的頻率中，非注漿區(qū)地面振動的速度有效值在20 Hz左右、30 Hz左右以及55 Hz左右出現(xiàn)較大值，而水泥注漿改性卵石I層對具有較大速度有效值的地面振動表現(xiàn)出較大的衰減作用，對其他頻率地面振動的衰減作用相對較小。此外，在水泥注漿改性卵石I層對豎直向地面振動起到放大作用的頻率中，水泥注漿改性卵石I層對40 Hz左右、45 Hz左右、67 Hz左右以及81 Hz左右的豎直向地面振動速度有效值的放大作用較大，而對其他頻率地面振動的放大作用較小。

圖13 地面振動速度有效值Fig.13 Root mean square velocity of ground vibration

對于南北向的地面振動，在水泥注漿改性卵石I層起到衰減作用的頻率中，25～49 Hz范圍內(nèi)的地面振動得到了較大的衰減，而其他頻率地面振動的衰減程度相對較小。此外，在水泥注漿改性卵石I層對南北向地面振動起到放大作用的頻率中，得到較大放大作用的南北向地面振動集中在68 Hz左右，而其他頻率地面振動的放大程度相對較小。

對于東西向的地面振動，在水泥注漿改性卵石I層起到衰減作用的頻率中，水泥注漿改性卵石I層對28 Hz左右、53 Hz左右、76 Hz左右以及85 Hz左右的地面振動有較大的衰減作用，對其他頻率地面振動的衰減作用相對較小。此外，在水泥注漿改性卵石I層對東西向地面振動起到放大作用的頻率中，得到較大放大作用的東西向地面振動集中在24 Hz左右和36 Hz左右，而其他頻率地面振動的放大程度相對較小。

本文試驗注漿土體的深度為2～7 m，涵蓋第1層土體5～100 Hz瑞利波的影響深度。因此，注漿土體能夠通過3個方面影響其上部地面的振動響應(yīng)，并起到減振作用：①注漿土體的動力剛度較大，對上部土體振動產(chǎn)生相對較大的剛度約束；②當(dāng)振動傳播至注漿土體位置處，一部分振動被反射回去。與非注漿區(qū)域相比，由于振動能量反射導(dǎo)致注漿土體及上部土體受到的振動能量減小；③當(dāng)振動傳播至注漿土體位置處，產(chǎn)生散射以及經(jīng)注漿土體上部界面的反射，散射振動和反射振動傳播至注漿土體上部地面，與從振源直接傳播至注漿土體上部地面的振動疊加。因此，注漿區(qū)域中心點TP1的振動響應(yīng)是直接從振源傳播的地面振動與注漿土體反射和散射振動疊加的結(jié)果。

剛度約束和振動能量反射必然會導(dǎo)致地面振動響應(yīng)減小，表現(xiàn)為減振效果。然而，散射振動、反射振動與從振源直接傳播至注漿土體上部地面的振動的疊加是復(fù)雜的過程，可能導(dǎo)致地面振動響應(yīng)減小或放大，目前難以定量描述。因此，在整個分析頻率范圍內(nèi)，水泥注漿改性卵石I層對地面振動速度有效值的衰減作用是不連續(xù)的，即有些頻率地面振動的速度有效值得到衰減而有些頻率地面振動的速度有效值得以放大。但是結(jié)合水泥注漿改性卵石I層對地面振動速度總有效值的影響可知，總體而言水泥注漿改性卵石I層對地面振動的衰減作用大于放大作用。

此外，注漿區(qū)域中心點TP1下部的注漿土體南北向長度為16 m，東西向長度為24 m。一方面，TP1點的振動受到周圍土體的剛度約束，而注漿土體南北向長度大于東西向長度，導(dǎo)致注漿土體對TP1點振動的東西向剛度約束相對較大，而南北向剛度約束相對較小。另一方面，由于注漿土體南北向和東西向的長度不同，導(dǎo)致反射和散射振動傳播至地面時，其南北向和東西向的變化程度有所不同。因此，盡管南北向地面振動和東西向地面振動同為水平向地面振動，但是注漿土體對南北向和東西向地面振動的減振效果不同。

3 結(jié) 論

本文基于原位振動掃頻試驗，采用5～100 Hz，步長為0.5 Hz的簡諧激勵作為動力荷載，研究了水泥注漿改性土體對地面振動的衰減作用， 結(jié)論如下：

(1) 相同簡諧激勵作用下，注漿區(qū)域中心點TP1和非注漿區(qū)域參考點TP2的振動響應(yīng)具有良好的一致性，表明振動從振源至兩個測點的傳遞特征具有良好的一致性。因此，通過測量和對比測點TP1和TP2的地面振動響應(yīng)，研究水泥注漿改性卵石I層的減振性能是可行的，結(jié)論是可靠的。

(2) 通過水泥注漿，卵石I層的剪切波速增加了20.7%。而土體動力剛度在一定程度上可由剪切波速表征：土體動剪切模量與剪切波速的平方成正比，因此水泥注漿能夠大幅提高卵石I層的動力剛度。

(3) 水泥注漿通過提高卵石I層的動力剛度能夠大幅降低豎直向和東西向地面振動的總振動水平，而對南北向地面振動的總振動水平幾乎沒有影響。

(4) 在整個分析頻率范圍內(nèi)，水泥注漿改性卵石I層對三個方向地面振動速度有效值的衰減作用是不連續(xù)的，即有些頻率地面振動的速度有效值得以衰減而有些頻率地面振動的速度有效值得以放大，但是總體而言衰減作用大于放大作用。