氣泡混合輕質填料路基的填筑質量測試與評估方法

劉 鑫 ，孫東寧 ，許 欣 ，杜 磊 ，洪寶寧

（1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學江蘇省巖土工程技術工程研究中心，江蘇 南京 210098；3.河海大學隧道與地下工程研究所，江蘇 南京 210098；4.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇 南京 210098；5.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032）

氣泡混合輕質填料是由水泥、水、泡沫群和可選添加材料混合攪拌而成的一種新型巖土材料，具有輕質高強性、強度可調性、流動性、可垂直填筑等特點[1-3]，常應用于軟基換填、道路擴寬等特殊路段的路基填筑工程中.氣泡混合輕質填料路基在填筑過程中，受施工質量和施工條件影響可能會出現消泡、漏漿等現象，降低路基質量，對路基的力學性能和工程性能造成不同程度的影響.國內外學者對氣泡混合輕質填料的施工質量控制和改善展開了相關研究：Hajimohammadi等[4]以黃原膠為泡沫穩定劑，通過改善孔徑的分布提高了氣泡混合輕質填料的工程性能；Chao等[5]探究了不同種類的發泡劑對氣泡混合輕質填料抗壓強度、干縮性和抗凍性的影響；Nambiar等[6]探究了不同配合比下氣泡混合輕質填料漿體的穩定性和稠度，并提出了一種預測漿體流值的方法；朱俊杰等[7]基于自制儀器，研究了氣泡混合輕質填料路基的單次最佳澆筑厚度.然而，工程中驗收氣泡混合輕質填料路基時，通常以路基表面的抗壓強度和是否存在裂縫等缺陷作為驗收標準，深層路基的填筑質量仍缺乏有效的檢測和評估方法.若不能準確獲取路基的填筑質量，將帶來較大的工程隱患，因此，建立一種覆蓋深層氣泡混合輕質填料路基填筑質量的測試和評估方法顯得尤為必要.

超聲檢測是基于聲波透射原理的一種無損檢測方法，具有穿透能力強、設備輕便、自動化程度高等優點[8-9]，廣泛應用于焊縫、結構物、樁基等的檢測，并收錄在相應的規范中[10-12].然而，相關規范中并未給出如何對多孔類材料（如氣泡混合輕質填料）進行質量檢測與評估的方法.從細觀角度看，氣泡混合輕質填料內部存在大量氣泡，超聲波在其中的傳播方式與常見的密實物體（如混凝土、金屬構件）有所不同，而從宏觀角度看，氣泡混合輕質填料是一種均質材料，超聲波在其中的傳播方式應具有規律性.

因此，本文基于聲波透射原理，依托具體氣泡混合輕質填料路基填筑工程，建立路基填筑質量的現場測試方法，并基于現場試驗結果構建路基填筑質量的評估方法.

1 路基現場測試的預試驗

在氣泡混合輕質填料路基現場測試前，需確定現場測試儀器的布置方式，然后通過室內預試驗獲取氣泡混合輕質填料質量和聲參量的對應關系，為現場試驗提供參考依據.

1.1 室內超聲檢測方法

超聲檢測設備采用ZBL-U510型非金屬超聲檢測儀，并配置2個平面換能器和2個徑向換能器.室內超聲檢測時，采用平面換能器，只需在換能器與試塊接觸面涂抹耦合劑便可進行檢測，如圖1所示.

圖1 室內超聲檢測示意Fig.1 Schematic diagram of indoor ultrasonic testing

1.2 聲參量的選取

為探究超聲檢測結果與氣泡混合輕質填料質量的對應關系，進行了室內預試驗：根據施工配合比S1又設計了8種配合比（S2～S9）進行試驗，如表1.每種配合比分別制備 4 組 100 mm × 100 mm × 100 mm的標準尺寸立方體試塊，每組3個試塊，共108個試塊.其中，前 3 組試塊分別在齡期為3、7、28 d 時進行超聲檢測和抗壓強度試驗；第4組試塊每隔7 d進行一次超聲檢測，并計算與上一次檢測結果相比聲參量的增長率，待檢測結果穩定后進行抗壓強度試驗.

表1 氣泡混合輕質填料施工配合比Tab.1 Mix ratio of foamed mixture lightweight soil

通過超聲檢測設備可獲取首波波速v、首波波幅A和主頻F共3種聲參量，如圖2.

由圖2可以看出：35 d時，3種聲參量的增長量均小于1%，可認為超聲檢測結果趨于穩定，即第4組試塊在35 d時進行抗壓強度試驗.

圖2 聲參量增長率與齡期關系Fig.2 Relationship between acoustic parameter growth rates and ages

由試驗結果可知：不同齡期試塊的波速與強度f呈正相關（如圖3所示）；而波幅、主頻與強度無明顯的相關性，波幅在98.83～105.78 dB內波動，主頻在 45.78～48.22 kHz內波動.

圖3 強度與波速關系（不同齡期）Fig.3 Relationship between compressive strength and wave velocity (different ages)

由于超聲波在傳播過程中遇到裂縫、空洞等缺陷時會發生繞射、折射等現象，造成超聲波的傳播路徑變長且能量發生耗散，因此超聲檢測結果中波速和波幅會減小.遇到裂縫時，高頻率的聲波被吸收，超聲檢測設備接收到的聲波主要是低頻聲波，因而主頻降低.進行抗壓試驗后，56個試塊內部產生裂縫，對產生裂縫的試塊再次進行超聲檢測，檢測結果匯總后如表2所示.

表2 出現裂縫前后超聲檢測結果對比Tab.2 Comparison of ultrasonic test results before and after cracks appear %

由預試驗結果可知，波速可用于判斷氣泡混合輕質填料強度，波幅、主頻可用于判斷填料內部是否存在裂縫等缺陷.

2 現場試驗

2.1 依托工程概況

南京市內某道路工程采用氣泡混合輕質填料作為路基填筑材料，設計強度 ≥ 1.2 MPa，路基填筑高度為1.2 m.氣泡混合輕質填料路基單次填筑面積為20.0 m × 16.0 m，單次填筑高度為0.4 m，路基分下、中、上3層澆筑.氣泡混合輕質填料的施工配合比如表1中S1所示.

2.2 現場超聲檢測設備布設

現場對氣泡混合輕質填料路基進行超聲檢測時，由于檢測條件限制，需在路基中豎向埋設聲測管，向聲測管中注滿清水后采用徑向換能器進行檢測，現場超聲檢測設備的布置方法如圖4所示.

圖4 現場超聲檢測Fig.4 Schematic diagram of on-site ultrasonic testing

為確保聲測管外壁與氣泡混合輕質填料緊密貼合，采用預埋的方式布置聲測管.路基澆筑前，在相應位置固定聲測管，聲測管之間的不平行度控制在1‰以內，且聲測管底部需密封處理.本文試驗中聲測管采用直徑50 mm的白色PVC管.

為探究現場氣泡混合輕質填料路基的超聲檢測結果與檢測距離的關系，在施工樁號為K3+640～K3+700 的路基中埋設間距為0.4～1.0、1.2、1.5、2.0 m的聲測管，設置3組平行試驗，分別編號為A、B、C 組.圖5（a）為試驗路段平面布置圖，圖5（b）為B組試驗中測距為0.4～1.0 m的聲測管.

圖5 聲測管現場布置Fig.5 Field layout of acoustic tubes

由于依托工程的氣泡混合輕質填料路基分下、中、上3層澆筑，選取每層路基的中間位置即路基高度為0.2、0.6、1.0 m處進行超聲檢測，采用5次超聲檢測結果的平均值作為該層路基的超聲檢測結果.

根據檢測過程中超聲檢測設備接收到超聲波信號的穩定程度可知：測距L為0.4～0.8 m時，可接收到穩定的超聲波信號；測距為0.9～1.2 m時，超聲波信號出現不穩定現象，具體表現為超聲檢測設備測得的部分聲參量（如波速、波幅等）出現波動，數值波動范圍較小；測距為1.5 m時，超聲波信號的不穩定現象加劇，部分測點無法獲取聲參量；測距為2.0 m時，所有測點均無法獲取聲參量.

當測距大于1.2 m時，氣泡混合輕質填料路基的超聲檢測的效果較差，本文僅給出測距為0.4～1.2 m的超聲檢測結果，如圖6所示，其中“A-0.2 m”代表A組聲測管在路基高度為0.2 m處的超聲檢測結果，其余類推.

由圖6（a）可以看出：v與超聲檢測距離和路基高度均無明顯相關性，在1.306～1.407 km/s內波動，平均值為1.358 km/s；波速最小值 1.306 km/s出現在測距為1.0 m、路基高度為1.0 m的B組試驗中；波速最大值 1.407 km/s出現在測距為0.5 m、路基高度為0.6 m的A組試驗中.

由圖6（b）可以看出：波幅A和路基高度無明顯相關性，且與超聲檢測距離呈負相關.

由圖6（c）可以看出：主頻與超聲檢測距離和路基高度均無明顯相關性，在24.41～28.89 kHz內波動，平均值為26.48 kHz；主頻最小值 24.41 kHz出現在測距為0.8 m、路基高度為0.2 m的B組試驗中；主頻最大值出現在測距為0.4 m、路基高度為1.0 m的A組試驗中.

圖6 聲參量隨測距變化關系Fig.6 Relationship between acoustic parameters and testing distance

現場路基超聲檢測結果中的主頻明顯低于室內超聲檢測的主頻，是由現場超聲檢測方法與室內超聲檢測方法不同導致的：現場超聲檢測路基時，采用的是徑向換能器，檢測時需在聲測管中灌滿清水；超聲波的傳播路徑為“水—聲測管—氣泡混合輕質填料—聲測管—水”，3種介質的聲抗阻率不同；超聲波經過在不同介質的交界處時，高頻聲波被吸收，因此超聲檢測設備接收到的超聲波信號的主頻降低.

超聲檢測范圍越大，檢測結果越具有代表性.由上述試驗結果可知，當檢測距離大于0.8 m時，超聲檢測設備接收到的超聲波信號出現不穩定現象，測得的聲參量出現波動，為保證超聲檢測結果兼具穩定性和代表性，選擇聲測管布設間距為0.8 m進行后續試驗.

2.3 現場試驗方案

2.3.1 檢測點布置與數據采集

在依托工程中選取樁號為K3+800～K4+000作為試驗段，分10個澆筑段，編號為1～10.每個澆筑段設置5個檢測剖面并埋設聲測管，聲測管的布設間距為0.8 m.每個檢測剖面設置3個檢測點，分別為路基高度的 0.2、0.6、1.0 m 處.路基齡期為28 d時進行超聲檢測，獲取檢測數據.

2.3.2 試驗段上層路基填筑質量測試

根據工程中氣泡混合輕質填料路基的驗收方法，建立測試步驟如下：在每個澆筑段的路基表面獲取 5 個 100 mm × 100 mm × 100 mm 的標準尺寸立方體試塊，共50個試塊，進行抗壓強度試驗以獲取試驗段上層路基的抗壓強度；通過對試驗段路基表面取樣所留下的取樣槽進行觀測，判斷試驗段上層路基內部是否存在裂縫、空洞等缺陷.

2.3.3 試驗段中、下層路基填筑質量評估

根據試驗段上層路基的填筑質量和超聲檢測結果的對應關系，建立路基填筑質量綜合評估方法，對試驗段中、下層路基的填筑質量進行評估.

3 試驗結果分析

3.1 試驗段上層路基測試結果

齡期為28 d時，每個檢測段的路基表面獲取5個標準尺寸試塊，共獲取50個試塊，進行抗壓強度試驗，抗壓強度 ≥ 1.2 MPa 則合格.根據試驗結果：26個試塊的抗壓強度在1.20～1.30 MPa之間；21個試塊的抗壓強度在1.30～1.40 MPa之間；3個試塊的抗壓強度在 1.40～1.50 MPa 之間.50 個試塊的抗壓強度均合格，即試驗段上層路基的抗壓強度合格.

對試驗段路基表面和和取樣留下的取樣槽進行觀測，觀測結果表明，僅部分澆筑段的路基表面存在少量微小的收縮裂縫，即試驗段上層路基內部無裂縫、空洞等缺陷.

綜上，該試驗段上層路基的填筑質量合格.

3.2 試驗段上層路基超聲檢測結果

試驗段上層路基的超聲檢測結果如圖7所示.根據K-S正態檢驗結果，v、A和F均服從正態分布，且根據正態分布定義有：v～N(1.360,0.0232)，A～N(98.23,1.672)，F～N(26.39,1.012).已知上層路基填筑質量合格，即在施工現場的養護條件下，齡期為28 d，施工配合比S1的氣泡混合輕質填料的在填筑質量合格時，測距為0.8 m 的v在 1.302～1.397 km/s內波動，A在94.28～101.25 dB內波動，F在24.46～28.74 kHz 內波動.

圖7 上層路基檢測結果Fig.7 Upper subgrade’s test results

4 路基填筑質量評估

4.1 綜合評估方法建立

依據工程中氣泡混合輕質填料路基的驗收方法，將路基填筑質量的綜合評估方法分為兩級：第1級根據路基的抗壓強度和澆筑質量，綜合評估路基填筑質量是否合格；第2級在路基填筑質量合格的基礎上，根據路基填筑質量的均勻性，進一步評估路基填筑質量是否優良.

4.1.1 路基填筑質量合格評估

為便于對氣泡混合輕質填料路基填筑質量是否合格進行評估，定義某一數值為聲參量低限值.

由預實驗結果可知，氣泡混合輕質填料的強度與波速呈正相關，根據現場氣泡混合輕質填料路基取樣的試驗結果，路基的無側限抗壓強度為1.20～1.50 MPa 時，其波速在 1.302～1.397 km/s內波動，即路基的無側限抗壓強度強度大于1.20 MPa時，波速應不小于為1.302 km/s，取波速最小值為1.302 km/s.由于路基的超聲檢測結果具有一定的離散性，由圖7（a）可知：同一個澆筑段的超聲檢測結果中波速最多可存在5.28%的誤差，為便于計算與工程應用將誤差5.28%向下取整為5%，即允許存在5%的誤差；當路基的波速小于波速最小值的95%時，認為其強度小于1.20 MPa，即取波速最小值的95%作為低限值，波速低限值為1.237 km/s；當波速不小于低限值時，可認為路基的抗壓強度高于1.20 MPa.

當氣泡混合輕質填料試塊內部出現裂縫時，波幅平均會出現22.38%的衰減，主頻平均會出現14.87%的衰減.若路基內部出現裂縫，其裂縫尺寸（寬度、長度和深度）一般大于試塊的裂縫尺寸，且路基超聲檢測時受到的擾動因素多于試塊檢測，其波幅和主頻的衰減量應不小于試塊內部出現裂縫時的衰減量.因此，為便于計算與工程應用，將波幅的平均衰減量22.38%向下取整為20%.當衰減量大于20%時，可認為路基內部存在裂縫，即采用路基的波幅平均值的80%作為低限值，波幅低限值為78.58 dB.同理，將主頻的平均衰減量14.87%向下取整，若取為10%，由于10%這一數值過小，可能造成裂縫的誤判.為避免出現誤判，本文取14%，當主頻的衰減量大于14%時，可認為路基內部存在裂縫，即采用主頻平均值的86%作為低限值，主頻低限值為22.70 kHz.當波幅和主頻均不小于低限值時，可認為路基內部無裂縫、空洞等缺陷存在.

綜上，當氣泡混合輕質填料路基的填筑質量合格時，其聲參量應均高于低限值.

4.1.2 路基填筑質量優良評估

超聲檢測氣泡混合輕質填料路基時，路基填筑質量的均勻性越好，聲參量的離散性應越小.經過比選，采用權重模型對路基填筑質量的均勻性進行評估，評估指標為波速、波幅和主頻.

權重可反映聲參量與路基填筑質量均勻性的相關性強弱，常用的權重確定方法有主觀賦權法和客觀賦權法.主觀賦權法側重于專家的經驗，而關于氣泡混合輕質填料路基質量評估方面可參考的資料較少，通過主觀方法確定的權重可能存在較大誤差.因此采用客觀賦權法中的熵權法確定聲參量的權重系數[13-15].建立路基填筑質量均勻性評估的步驟如下：

步驟1聲參量的標準化處理

根據聲參量的分布規律，聲參量的標準化處理公式為

式中：xkji為第k個澆筑段的第j個檢測剖面的第i種聲參量的值（k=1,2,···,10；i=1,2,3，代表3種聲參量，其中x1為波速、x2為波幅，x3為主頻；j=1,2,···,5）；xB,kji為xkji標準化處理后的值；xi為第i種聲參量總樣本數據的均值；σi為第i種聲參量總樣本數據的標準差.

步驟2聲參量的信息熵計算

某種聲參量的離散性越大，在路基填筑質量均勻性評估中其提供的信息越多，根據信息熵定義，第i種聲參量的信息熵為

式中：m為評估指標的總數，即m=3；為使lnG有意義，

步驟3權重計算

第i種聲參量的權重為

根據上述步驟，將上層路基超聲檢測結果中的3種聲參量值代入式（1），計算結果依次代入式（2）、式（3），可得表3所示結果.

聲參量的權重越大，其檢測數據的離散程度越大，在路基填筑質量的均勻性評估中該聲參量提供的信息量越多.

步驟4均勻性評估得分計算

第k個氣泡混合輕質填料路基填筑質量的均勻性評估得分為

步驟5填筑質量優良評價

由于每個澆筑段有5個檢測剖面，因此路基填筑質量均勻性評估的總分為5分.為便于分析并簡化計算，將路基填筑質量按均勻性評估得分等間距分為4個等級：優秀、良好、中等和合格，如表4所示.

表4 路基填筑質量優良性分級Tab.4 Grading of subgrade filling quality

4.2 上層路基填筑質量評估

根據本文建立的路基填筑質量的綜合評估方法，上層路基填筑質量的評估結果如表5所示，可以看出：上層路基10個澆筑段的抗壓強度和澆筑質量均合格，即路基填筑質量合格；其中澆筑段10的填筑質量等級為中等，其它澆筑段的填筑質量等級均為良好.

表5 上層路基填筑質量評估Tab.5 Filling quality evaluation of upper subgrade

根據綜合評估方法的評估結果，試驗段上層氣泡混合輕質填料路基的填筑質量合格，且10個澆筑段的填筑質量趨于一致，與現場路基質量測試的結果相符，表明該綜合評估方法具有較好的適用性.

4.3 中、下層路基填筑質量評估

根據路基填筑質量的綜合評估方法，中、下層路基填筑質量的評估結果如表6所示.

表6 中、下層路基填筑質量評估Tab.6 Filling quality evaluation of middle and lower subgrade

由表6可知：中層路基10個澆筑段的抗壓強度和澆筑質量均合格，即路基填筑質量合格；在此基礎上，根據均勻性評估得分，中層路基10個澆筑段的填筑質量等級均為良好.下層路基10個澆筑段的抗壓強度和澆筑質量均合格，即路基填筑質量合格；其中澆筑段7的填筑質量等級為中等，其它澆筑段的填筑質量等級均為良好.

綜上，該試驗段路基的填筑質量合格，且30個填筑質量等級中有28個為良好，具有較好的一致性，表明該試驗段路基澆筑質量較為穩定.

5 結 論

1）超聲檢測氣泡混合輕質填料時，若測距大于0.8 m，超聲檢測儀接收到的超聲波信號出現不穩定現象，測得的聲參量出現波動，為使超聲檢測結果兼具穩定性和代表性，建議測距為0.8 m；

2）可采用填筑質量合格的路基在測距為0.8 m時的波速最小值的95%為波速低限值，波幅平均值的80%為波幅低限值，主頻平均值的86%為主頻低限值，對路基填筑質量進行合格評估；

3）在路基填筑質量合格的基礎上，以波速、波幅、主頻為評估指標，根據填筑質量的均勻性，對路基填筑質量進行優良評估；

4）根據本文建立的氣泡混合輕質填料路基填筑質量現場測試和評估方法，該試驗段路基的填筑質量合格，填筑質量等級為良好.