水泥注浆改性土体对地面振动衰减作用的原位试验研究

许照刚， 娄 宇， 陈 骝

(1.中国电子工程设计院有限公司 北京市微振动环境控制工程技术研究中心，北京 100142；2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨 150001)

随着高科技产业的发展，相关加工及检测设备的精度不断提升，进而对高科技设施的环境性能(洁净、电磁、振动等)提出了日趋严苛的要求[1]。其中，对于为振动敏感设备提供工作环境的高科技设施，由轨道和道路交通等产生的环境振动必须得到有效控制以满足相应的振动标准，确保振动敏感设备的正常运行[2-3]。因此，需要采取合理的振动控制措施以实现高科技设施的振动稳定性。

合理的环境振动控制措施需要综合考虑振源、振动传递路径和受振对象的特点。采用振源减振措施能够大幅度降低环境振动的强度，特别是低频振动的强度[4-5]。工程项目建设中，多数环境振动问题的提出，都涉及既有运营振源，而针对既有运营振源采取减振措施需要不同项目间的协调，往往涉及较大的经济、社会和环境成本，通常难以实现。作为选择，在振源与受振对象间的岩土介质中设置隔振沟槽(空沟或土工材料填充沟)是控制环境振动不利影响的常用措施之一。隔振沟槽的减振能力与环境振动的频率密切相关[6]。试验表明，降低75%的地面振动幅值，所需隔振沟槽的深度至少为0.6倍的振动波长[7]。然而，高科技设施振动控制关注的环境振动频带较宽，通常要考虑低频振动的影响[8]，比如VC标准关注的振动频率低至4 Hz甚至1 Hz，高至100 Hz[9]。对于低频环境振动控制，受到项目规划、建造成本以及土地资源等因素的制约，较深隔振沟槽的建造不易实现。

与针对振源和传递路径采取减振措施相比，针对高科技设施采取减振措施的主要优点是：减振方案的制订仅涉及减振项目，并且减振项目占有的建筑空间能够得以充分利用，无需额外的土地资源。针对高科技设施的减振措施主要包括增加筏板基础的厚度、采用桩筏基础以及提高地基的动力刚度。试验和数值研究表明，增加筏板基础的厚度是降低高科技设施环境振动水平的有效措施[10-11]。而与筏板基础相比，桩筏基础表现出更好的减振性能[12]，但是桩基更大的作用是控制基础沉降[13]。基于数值仿真的参数研究表明，通过提高地基动力刚度能够有效控制高科技设施的环境振动水平[14-15]，但是缺乏试验数据，尤其是原位试验方面积累的资料。为推广提高地基动力刚度的减振方法在实际环境振动控制工程中的应用，尚需进行大量的现场试验研究。

在多种提高地基动力刚度的技术中(换填、注浆等)，水泥注浆具有社会及经济效益良好、施工工艺简单灵活、土体扰动微小、可注土体范围广泛等特点[16]。本文通过现场扫频试验，在简谐荷载作用下，研究水泥注浆改性土体对地面振动的衰减效果。一方面为水泥注浆提高土体动力刚度的减振方法在高科技设施环境振动控制工程中的应用提供一定的参考，另一方面为进一步的研究以及理论和数值研究结果的验证提供一系列现场测试数据。

1 现场试验

1.1 试验场地及注浆区域

试验场地位于北京市。试验场地表层为约2 m厚的黏质粉土，压缩模量为5.1 MPa，属中高压缩性土体。地表以下2～7 m范围内是中密～稍密卵石土，含中砂约15%～25%，标记为卵石I层。地表以下7～20 m为密实卵石土，含中砂约20%～25%，标记为卵石II层。卵石II层之下为中风化花岗闪长岩，地勘钻孔未穿透。采用面波法测量近地表土层的剪切波速。此外，地脉动测试揭示该试验场地的卓越周期是0.32 s。试验场地地下水位常年保持在地表之下20 m左右的位置。土体参数如表1所示，土层分布如图1所示。

表1 土体参数

图1 土层分布Fig.1 Soil profile

在试验场地选取一块长24 m、宽16 m的区域作为注浆区域，见图1。对注浆区域卵石I层进行水泥注浆处理，以提高其动力刚度。

1.2 水泥注浆

在多种注浆技术中，袖阀管注浆技术的显著优点是注浆后形成的水泥-土复合材料相对均质。因此，本研究采用袖阀管注浆技术对卵石I层进行水泥注浆，以提高其动力刚度。袖阀管注浆技术的基本原理和结构如图2所示[17]。袖阀管注浆的基本步骤是：①根据注浆孔的平面布置，将注浆孔钻至设计深度；②将带有出浆孔的袖阀管安装于注浆孔中；③采用套壳料填充袖阀管与注浆孔间的空隙；④从注浆孔底部开始，向上分段实施注浆。

图2 袖阀管工作原理及结构示意图Fig.2 Principle and structure of sleeve valve tube

本研究采用的袖阀管由外径为89 mm、壁厚为3 mm的钢管制作，如图3所示。袖阀管出浆孔间距为0.5 m，即分段注浆的土层厚度为0.5 m。

图3 钢袖阀管Fig.3 Steel sleeve valve tube

注浆区域注浆孔平面布置如图4所示。实施注浆的土层是厚度为5 m的卵石I层，位于地表以下2～7 m处。为了更好地控制注浆效果，注浆区域在平面上划分为内部区域和外部区域。内部注浆区域的平面尺寸长19 m、宽11 m。内部注浆区域外围2.5 m宽的区域构成外部注浆区域。内部注浆区域注浆孔的间距是1.2 m，而外部注浆区域注浆孔的间距是1.0 m。

图4 袖阀管注浆平面布置Fig.4 Layout of sleeve valve tube grouting

水泥浆采用PO42.5普通硅酸盐水泥。内部注浆区域注浆材料采用水灰比为0.8的水泥浆，每延米注浆量约0.4 m3，每延米水泥用量约350 kg。外部注浆区域注浆材料采用水灰比为1.2的水泥浆，并掺入15%左右的硫酸盐，每延米注浆量约0.3 m3，每延米水泥用量约200 kg，硫酸盐外加剂掺量约30 kg。外部注浆区域注浆材料的初凝时间约为10～15 min。套壳料由水泥、膨润土和水按照1∶1.5∶2的比例配置而成。

通过在现场进行试注浆试验，确定注浆终止压力约为1.5～2.0 MPa，注浆速度约20～30 L/min。为了防止注浆时水泥浆从卵石I层的表面溢出，保留2 m厚的黏质粉土层作为注浆的上盖层，如图5所示。 注浆时，遵循先外部区域后内部区域、先下部土体后上部土体的注浆流程。

图5 袖阀管注浆Fig.5 Sleeve valve tube grouting

1.3 试验方案

在相同简谐激励作用下，通过测量和对比注浆区域中心点TP1与注浆区域北侧选取的非注浆区参考点TP2(见图1)的地面振动响应来研究水泥注浆改性土体对地面振动的衰减作用。因此，进行水泥注浆之前，首先需要对测点TP1和TP2自由场地面振动响应的一致性进行验证，以确保振动从振源至测点TP1和TP2传递特征的一致。通过测量和对比注浆区域中心点TP1和非注浆区参考点TP2的地面振动速度，验证两个测点振动响应的一致性。

注浆完成28天后，开展水泥注浆改性土体减振性能试验。通过测量和对比注浆区域中心点TP1和非注浆区参考点TP2的地面振动速度，研究水泥注浆改性卵石I层对地面振动的衰减作用。

此外，注浆完成28天后，对注浆区域进行了面波测试以确定水泥注浆改性卵石I层的剪切波速。面波测试时，表面波由重锤锤击地面产生，检波器沿注浆区域对角线布置，间距为1.0 m，如图6所示。

图6 MASW测试Fig.6 MASW test

振动测试的动力荷载是由电磁激振系统产生的简谐激励。简谐激励的频率为5～100 Hz、频率步长为0.5 Hz，因此在整个分析频率范围内共有191个简谐激励。单个频率简谐激励的作用时间为20 s。电磁激振系统的主要组成包括：信号发生器、功率控制柜、电磁激振器和风冷机，如图7所示。

图7 电磁激振系统Fig.7 The electromagnetic vibration excitation system

本研究采用的数据采集系统包括1个GMS传感器和1个4通道INV3060S型数据采集仪，同时采集竖直向(Z向)、南北向 (X向)和东西向(Y向)的地面振动速度，如图8所示。其中，GMS传感器用高强快粘粉固定于C30混凝土基础表面，基础埋深0.5 m。

图8 数据采集系统Fig.8 The data acquisition system

地面振动水平用单一频率地面振动的速度有效值VF-RMS和所有频率地面振动的速度总有效值VT-RMS来描述。速度有效值表征分频率振动水平，其定义如式(1)所示。而速度总有效值表征总振动水平，其定义如式(2)所示。

(1)

(2)

式中:v(f,t)是频率为f的地面振动的速度时程;t是时间;VF-RMS(f)是频率为f的地面振动的速度有效值;m是分析频率的个数,本文中，m=191。

2 试验结果

2.1 自由场地面振动传递特征一致性验证

在相同简谐激励作用下，通过测量和对比注浆区域中心点TP1和非注浆区参考点TP2的自由场地面振动速度，对振动从振源至两个测点的传递特征的一致性进行了验证。

图9给出了测点TP1和TP2三个方向自由场地面振动的速度总有效值。由图9可知，测点TP1和TP2自由场地面振动速度总有效值差异分别是：竖直向(Z向)为1.9%、南北向(X向)为1.1%、东西向(Y向)为0.5%。可见，注浆区域中心点TP1和非注浆区参考点TP2的自由场地面振动速度总有效值差异非常小，表明振动从振源至测点TP1和TP2的传递特征对总振动水平具有良好的一致性。

图9 自由场地面振动速度总有效值Fig.9 Total root mean square velocity of free-field ground vibration

图10对比了测点TP1和TP2三个方向自由场地面振动的速度有效值。从图10可以看出，在整个分析频率范围内，测点TP1和测点TP2任何一个方向的自由场地面振动速度有效值-频率曲线几乎重合，表明振动从振源至两个测点的传递特征对分频率振动水平具有良好的一致性。

注浆区域和非注浆区对总振动水平和分频率振动水平都具有良好的一致性，说明振动从振源至两个区域的传递特征具有良好的一致性。因此，通过对比测点TP1和TP2的地面振动响应，研究水泥注浆改性土体的减振性能是可行的，结论是可靠的。

2.2 水泥注浆改性卵石I层的剪切波速

水泥注浆主要通过提高土体的动力刚度实现减振，而土体动力刚度在一定程度上可由剪切波速表征：土体动剪切模量与剪切波速的平方成正比。

注浆完成28天后，采用面波法对注浆区域近地表土层的剪切波速进行了测试，并与水泥注浆之前的剪切波速进行了对比，如图11所示。注浆前后，卵石I层的剪切波速变化较大，其他土层的剪切波速基本没有变化。卵石I层的剪切波速由注浆前的352 m/s提高到注浆后的425 m/s，增加约20.7%，即水泥注浆能够大幅度提高卵石I层的剪切波速，说明水泥注浆大幅提高了卵石I层的动力刚度。

2.3 水泥注浆改性土体减振性能

注浆完成28天后，通过测量和对比注浆区域中心点TP1和非注浆区参考点TP2的地面振动响应，研究了水泥注浆改性卵石I层的减振性能。

图10 自由场地面振动速度有效值Fig.10 Root mean square velocity of free-field ground vibration

图11 剪切波速Fig.11 Shear wave velocity

图12给出了测点TP1和TP2三个方向地面振动的速度总有效值。从图12可知，注浆区域和非注浆区的南北向(X向)地面振动速度总有效值大于相应的竖直向(Z向)和东西向(Y向)的速度总有效值。在竖直向，注浆区域地面振动速度总有效值是非注浆区的70.5%，表明水泥注浆改性卵石I层能够降低29.5%的竖直向地面振动速度总有效值。在东西向，注浆区域地面振动速度总有效值是非注浆区的69.2%，表明水泥注浆改性卵石I层能够降低30.8%的东西向地面振动速度总有效值。尽管与非注浆区相比，注浆区域的南北向地面振动速度总有效值被放大了0.16%，但是该放大程度可忽略不计。因此，水泥注浆通过提高卵石I层的动力刚度，能够有效降低竖直向和东西向地面振动的速度总有效值(总振动水平)，而对南北向地面振动的总振动水平影响不大。

(a) 绝对速度总有效值

(b) 归一化速度总有效值图12 地面振动速度总有效值Fig.12 Total root mean square velocity of ground vibration

需要指出的是，“在相同简谐激励作用下”针对的是注浆区域中心点TP1和非注浆区参考点TP2而言的，即同一次试验中，测点TP1和TP2所受到的简谐激励是相同的。然而，本文研究采用的电磁激振系统没有反馈装置，无法保证两次不同试验中电磁激振系统产生的对地面的简谐激励是相同的，即自由场地面振动响应一致性验证试验和水泥注浆改性土体减振性能试验的简谐激励是不同的。因此，两次不同试验中，非注浆区同一测点TP2三个方向上速度总有效值前后相差较大，且三个方向上速度总有效值变化不一致。

图13给出了注浆区域与非注浆区三个方向地面振动的速度有效值与频率关系曲线。在整个分析频率范围内，水泥注浆改性卵石I层对三个方向地面振动速度有效值的衰减作用是不连续的，即有些频率地面振动的速度有效值得到衰减而有些频率地面振动的速度有效值得以放大。对于竖直向的地面振动，在水泥注浆改性卵石I层起到衰减作用的频率中，非注浆区地面振动的速度有效值在20 Hz左右、30 Hz左右以及55 Hz左右出现较大值，而水泥注浆改性卵石I层对具有较大速度有效值的地面振动表现出较大的衰减作用，对其他频率地面振动的衰减作用相对较小。此外，在水泥注浆改性卵石I层对竖直向地面振动起到放大作用的频率中，水泥注浆改性卵石I层对40 Hz左右、45 Hz左右、67 Hz左右以及81 Hz左右的竖直向地面振动速度有效值的放大作用较大，而对其他频率地面振动的放大作用较小。

图13 地面振动速度有效值Fig.13 Root mean square velocity of ground vibration

对于南北向的地面振动，在水泥注浆改性卵石I层起到衰减作用的频率中，25～49 Hz范围内的地面振动得到了较大的衰减，而其他频率地面振动的衰减程度相对较小。此外，在水泥注浆改性卵石I层对南北向地面振动起到放大作用的频率中，得到较大放大作用的南北向地面振动集中在68 Hz左右，而其他频率地面振动的放大程度相对较小。

对于东西向的地面振动，在水泥注浆改性卵石I层起到衰减作用的频率中，水泥注浆改性卵石I层对28 Hz左右、53 Hz左右、76 Hz左右以及85 Hz左右的地面振动有较大的衰减作用，对其他频率地面振动的衰减作用相对较小。此外，在水泥注浆改性卵石I层对东西向地面振动起到放大作用的频率中，得到较大放大作用的东西向地面振动集中在24 Hz左右和36 Hz左右，而其他频率地面振动的放大程度相对较小。

本文试验注浆土体的深度为2～7 m，涵盖第1层土体5～100 Hz瑞利波的影响深度。因此，注浆土体能够通过3个方面影响其上部地面的振动响应，并起到减振作用：①注浆土体的动力刚度较大，对上部土体振动产生相对较大的刚度约束；②当振动传播至注浆土体位置处，一部分振动被反射回去。与非注浆区域相比，由于振动能量反射导致注浆土体及上部土体受到的振动能量减小；③当振动传播至注浆土体位置处，产生散射以及经注浆土体上部界面的反射，散射振动和反射振动传播至注浆土体上部地面，与从振源直接传播至注浆土体上部地面的振动叠加。因此，注浆区域中心点TP1的振动响应是直接从振源传播的地面振动与注浆土体反射和散射振动叠加的结果。

刚度约束和振动能量反射必然会导致地面振动响应减小，表现为减振效果。然而，散射振动、反射振动与从振源直接传播至注浆土体上部地面的振动的叠加是复杂的过程，可能导致地面振动响应减小或放大，目前难以定量描述。因此，在整个分析频率范围内，水泥注浆改性卵石I层对地面振动速度有效值的衰减作用是不连续的，即有些频率地面振动的速度有效值得到衰减而有些频率地面振动的速度有效值得以放大。但是结合水泥注浆改性卵石I层对地面振动速度总有效值的影响可知，总体而言水泥注浆改性卵石I层对地面振动的衰减作用大于放大作用。

此外，注浆区域中心点TP1下部的注浆土体南北向长度为16 m，东西向长度为24 m。一方面，TP1点的振动受到周围土体的刚度约束，而注浆土体南北向长度大于东西向长度，导致注浆土体对TP1点振动的东西向刚度约束相对较大，而南北向刚度约束相对较小。另一方面，由于注浆土体南北向和东西向的长度不同，导致反射和散射振动传播至地面时，其南北向和东西向的变化程度有所不同。因此，尽管南北向地面振动和东西向地面振动同为水平向地面振动，但是注浆土体对南北向和东西向地面振动的减振效果不同。

3 结 论

本文基于原位振动扫频试验，采用5～100 Hz，步长为0.5 Hz的简谐激励作为动力荷载，研究了水泥注浆改性土体对地面振动的衰减作用， 结论如下：

(1) 相同简谐激励作用下，注浆区域中心点TP1和非注浆区域参考点TP2的振动响应具有良好的一致性，表明振动从振源至两个测点的传递特征具有良好的一致性。因此，通过测量和对比测点TP1和TP2的地面振动响应，研究水泥注浆改性卵石I层的减振性能是可行的，结论是可靠的。

(2) 通过水泥注浆，卵石I层的剪切波速增加了20.7%。而土体动力刚度在一定程度上可由剪切波速表征：土体动剪切模量与剪切波速的平方成正比，因此水泥注浆能够大幅提高卵石I层的动力刚度。

(3) 水泥注浆通过提高卵石I层的动力刚度能够大幅降低竖直向和东西向地面振动的总振动水平，而对南北向地面振动的总振动水平几乎没有影响。

(4) 在整个分析频率范围内，水泥注浆改性卵石I层对三个方向地面振动速度有效值的衰减作用是不连续的，即有些频率地面振动的速度有效值得以衰减而有些频率地面振动的速度有效值得以放大，但是总体而言衰减作用大于放大作用。