气泡混合轻质填料路基的填筑质量测试与评估方法

刘 鑫 ，孙东宁 ，许 欣 ，杜 磊 ，洪宝宁

（1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学江苏省岩土工程技术工程研究中心，江苏 南京 210098；3.河海大学隧道与地下工程研究所，江苏 南京 210098；4.河海大学岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098；5.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

气泡混合轻质填料是由水泥、水、泡沫群和可选添加材料混合搅拌而成的一种新型岩土材料，具有轻质高强性、强度可调性、流动性、可垂直填筑等特点[1-3]，常应用于软基换填、道路扩宽等特殊路段的路基填筑工程中.气泡混合轻质填料路基在填筑过程中，受施工质量和施工条件影响可能会出现消泡、漏浆等现象，降低路基质量，对路基的力学性能和工程性能造成不同程度的影响.国内外学者对气泡混合轻质填料的施工质量控制和改善展开了相关研究：Hajimohammadi等[4]以黄原胶为泡沫稳定剂，通过改善孔径的分布提高了气泡混合轻质填料的工程性能；Chao等[5]探究了不同种类的发泡剂对气泡混合轻质填料抗压强度、干缩性和抗冻性的影响；Nambiar等[6]探究了不同配合比下气泡混合轻质填料浆体的稳定性和稠度，并提出了一种预测浆体流值的方法；朱俊杰等[7]基于自制仪器，研究了气泡混合轻质填料路基的单次最佳浇筑厚度.然而，工程中验收气泡混合轻质填料路基时，通常以路基表面的抗压强度和是否存在裂缝等缺陷作为验收标准，深层路基的填筑质量仍缺乏有效的检测和评估方法.若不能准确获取路基的填筑质量，将带来较大的工程隐患，因此，建立一种覆盖深层气泡混合轻质填料路基填筑质量的测试和评估方法显得尤为必要.

超声检测是基于声波透射原理的一种无损检测方法，具有穿透能力强、设备轻便、自动化程度高等优点[8-9]，广泛应用于焊缝、结构物、桩基等的检测，并收录在相应的规范中[10-12].然而，相关规范中并未给出如何对多孔类材料（如气泡混合轻质填料）进行质量检测与评估的方法.从细观角度看，气泡混合轻质填料内部存在大量气泡，超声波在其中的传播方式与常见的密实物体（如混凝土、金属构件）有所不同，而从宏观角度看，气泡混合轻质填料是一种均质材料，超声波在其中的传播方式应具有规律性.

因此，本文基于声波透射原理，依托具体气泡混合轻质填料路基填筑工程，建立路基填筑质量的现场测试方法，并基于现场试验结果构建路基填筑质量的评估方法.

1 路基现场测试的预试验

在气泡混合轻质填料路基现场测试前，需确定现场测试仪器的布置方式，然后通过室内预试验获取气泡混合轻质填料质量和声参量的对应关系，为现场试验提供参考依据.

1.1 室内超声检测方法

超声检测设备采用ZBL-U510型非金属超声检测仪，并配置2个平面换能器和2个径向换能器.室内超声检测时，采用平面换能器，只需在换能器与试块接触面涂抹耦合剂便可进行检测，如图1所示.

图1 室内超声检测示意Fig.1 Schematic diagram of indoor ultrasonic testing

1.2 声参量的选取

为探究超声检测结果与气泡混合轻质填料质量的对应关系，进行了室内预试验：根据施工配合比S1又设计了8种配合比（S2～S9）进行试验，如表1.每种配合比分别制备 4 组 100 mm × 100 mm × 100 mm的标准尺寸立方体试块，每组3个试块，共108个试块.其中，前 3 组试块分别在龄期为3、7、28 d 时进行超声检测和抗压强度试验；第4组试块每隔7 d进行一次超声检测，并计算与上一次检测结果相比声参量的增长率，待检测结果稳定后进行抗压强度试验.

表1 气泡混合轻质填料施工配合比Tab.1 Mix ratio of foamed mixture lightweight soil

通过超声检测设备可获取首波波速v、首波波幅A和主频F共3种声参量，如图2.

由图2可以看出：35 d时，3种声参量的增长量均小于1%，可认为超声检测结果趋于稳定，即第4组试块在35 d时进行抗压强度试验.

图2 声参量增长率与龄期关系Fig.2 Relationship between acoustic parameter growth rates and ages

由试验结果可知：不同龄期试块的波速与强度f呈正相关（如图3所示）；而波幅、主频与强度无明显的相关性，波幅在98.83～105.78 dB内波动，主频在 45.78～48.22 kHz内波动.

图3 强度与波速关系（不同龄期）Fig.3 Relationship between compressive strength and wave velocity (different ages)

由于超声波在传播过程中遇到裂缝、空洞等缺陷时会发生绕射、折射等现象，造成超声波的传播路径变长且能量发生耗散，因此超声检测结果中波速和波幅会减小.遇到裂缝时，高频率的声波被吸收，超声检测设备接收到的声波主要是低频声波，因而主频降低.进行抗压试验后，56个试块内部产生裂缝，对产生裂缝的试块再次进行超声检测，检测结果汇总后如表2所示.

表2 出现裂缝前后超声检测结果对比Tab.2 Comparison of ultrasonic test results before and after cracks appear %

由预试验结果可知，波速可用于判断气泡混合轻质填料强度，波幅、主频可用于判断填料内部是否存在裂缝等缺陷.

2 现场试验

2.1 依托工程概况

南京市内某道路工程采用气泡混合轻质填料作为路基填筑材料，设计强度 ≥ 1.2 MPa，路基填筑高度为1.2 m.气泡混合轻质填料路基单次填筑面积为20.0 m × 16.0 m，单次填筑高度为0.4 m，路基分下、中、上3层浇筑.气泡混合轻质填料的施工配合比如表1中S1所示.

2.2 现场超声检测设备布设

现场对气泡混合轻质填料路基进行超声检测时，由于检测条件限制，需在路基中竖向埋设声测管，向声测管中注满清水后采用径向换能器进行检测，现场超声检测设备的布置方法如图4所示.

图4 现场超声检测Fig.4 Schematic diagram of on-site ultrasonic testing

为确保声测管外壁与气泡混合轻质填料紧密贴合，采用预埋的方式布置声测管.路基浇筑前，在相应位置固定声测管，声测管之间的不平行度控制在1‰以内，且声测管底部需密封处理.本文试验中声测管采用直径50 mm的白色PVC管.

为探究现场气泡混合轻质填料路基的超声检测结果与检测距离的关系，在施工桩号为K3+640～K3+700 的路基中埋设间距为0.4～1.0、1.2、1.5、2.0 m的声测管，设置3组平行试验，分别编号为A、B、C 组.图5（a）为试验路段平面布置图，图5（b）为B组试验中测距为0.4～1.0 m的声测管.

图5 声测管现场布置Fig.5 Field layout of acoustic tubes

由于依托工程的气泡混合轻质填料路基分下、中、上3层浇筑，选取每层路基的中间位置即路基高度为0.2、0.6、1.0 m处进行超声检测，采用5次超声检测结果的平均值作为该层路基的超声检测结果.

根据检测过程中超声检测设备接收到超声波信号的稳定程度可知：测距L为0.4～0.8 m时，可接收到稳定的超声波信号；测距为0.9～1.2 m时，超声波信号出现不稳定现象，具体表现为超声检测设备测得的部分声参量（如波速、波幅等）出现波动，数值波动范围较小；测距为1.5 m时，超声波信号的不稳定现象加剧，部分测点无法获取声参量；测距为2.0 m时，所有测点均无法获取声参量.

当测距大于1.2 m时，气泡混合轻质填料路基的超声检测的效果较差，本文仅给出测距为0.4～1.2 m的超声检测结果，如图6所示，其中“A-0.2 m”代表A组声测管在路基高度为0.2 m处的超声检测结果，其余类推.

由图6（a）可以看出：v与超声检测距离和路基高度均无明显相关性，在1.306～1.407 km/s内波动，平均值为1.358 km/s；波速最小值 1.306 km/s出现在测距为1.0 m、路基高度为1.0 m的B组试验中；波速最大值 1.407 km/s出现在测距为0.5 m、路基高度为0.6 m的A组试验中.

由图6（b）可以看出：波幅A和路基高度无明显相关性，且与超声检测距离呈负相关.

由图6（c）可以看出：主频与超声检测距离和路基高度均无明显相关性，在24.41～28.89 kHz内波动，平均值为26.48 kHz；主频最小值 24.41 kHz出现在测距为0.8 m、路基高度为0.2 m的B组试验中；主频最大值出现在测距为0.4 m、路基高度为1.0 m的A组试验中.

图6 声参量随测距变化关系Fig.6 Relationship between acoustic parameters and testing distance

现场路基超声检测结果中的主频明显低于室内超声检测的主频，是由现场超声检测方法与室内超声检测方法不同导致的：现场超声检测路基时，采用的是径向换能器，检测时需在声测管中灌满清水；超声波的传播路径为“水—声测管—气泡混合轻质填料—声测管—水”，3种介质的声抗阻率不同；超声波经过在不同介质的交界处时，高频声波被吸收，因此超声检测设备接收到的超声波信号的主频降低.

超声检测范围越大，检测结果越具有代表性.由上述试验结果可知，当检测距离大于0.8 m时，超声检测设备接收到的超声波信号出现不稳定现象，测得的声参量出现波动，为保证超声检测结果兼具稳定性和代表性，选择声测管布设间距为0.8 m进行后续试验.

2.3 现场试验方案

2.3.1 检测点布置与数据采集

在依托工程中选取桩号为K3+800～K4+000作为试验段，分10个浇筑段，编号为1～10.每个浇筑段设置5个检测剖面并埋设声测管，声测管的布设间距为0.8 m.每个检测剖面设置3个检测点，分别为路基高度的 0.2、0.6、1.0 m 处.路基龄期为28 d时进行超声检测，获取检测数据.

2.3.2 试验段上层路基填筑质量测试

根据工程中气泡混合轻质填料路基的验收方法，建立测试步骤如下：在每个浇筑段的路基表面获取 5 个 100 mm × 100 mm × 100 mm 的标准尺寸立方体试块，共50个试块，进行抗压强度试验以获取试验段上层路基的抗压强度；通过对试验段路基表面取样所留下的取样槽进行观测，判断试验段上层路基内部是否存在裂缝、空洞等缺陷.

2.3.3 试验段中、下层路基填筑质量评估

根据试验段上层路基的填筑质量和超声检测结果的对应关系，建立路基填筑质量综合评估方法，对试验段中、下层路基的填筑质量进行评估.

3 试验结果分析

3.1 试验段上层路基测试结果

龄期为28 d时，每个检测段的路基表面获取5个标准尺寸试块，共获取50个试块，进行抗压强度试验，抗压强度 ≥ 1.2 MPa 则合格.根据试验结果：26个试块的抗压强度在1.20～1.30 MPa之间；21个试块的抗压强度在1.30～1.40 MPa之间；3个试块的抗压强度在 1.40～1.50 MPa 之间.50 个试块的抗压强度均合格，即试验段上层路基的抗压强度合格.

对试验段路基表面和和取样留下的取样槽进行观测，观测结果表明，仅部分浇筑段的路基表面存在少量微小的收缩裂缝，即试验段上层路基内部无裂缝、空洞等缺陷.

综上，该试验段上层路基的填筑质量合格.

3.2 试验段上层路基超声检测结果

试验段上层路基的超声检测结果如图7所示.根据K-S正态检验结果，v、A和F均服从正态分布，且根据正态分布定义有：v～N(1.360,0.0232)，A～N(98.23,1.672)，F～N(26.39,1.012).已知上层路基填筑质量合格，即在施工现场的养护条件下，龄期为28 d，施工配合比S1的气泡混合轻质填料的在填筑质量合格时，测距为0.8 m 的v在 1.302～1.397 km/s内波动，A在94.28～101.25 dB内波动，F在24.46～28.74 kHz 内波动.

图7 上层路基检测结果Fig.7 Upper subgrade’s test results

4 路基填筑质量评估

4.1 综合评估方法建立

依据工程中气泡混合轻质填料路基的验收方法，将路基填筑质量的综合评估方法分为两级：第1级根据路基的抗压强度和浇筑质量，综合评估路基填筑质量是否合格；第2级在路基填筑质量合格的基础上，根据路基填筑质量的均匀性，进一步评估路基填筑质量是否优良.

4.1.1 路基填筑质量合格评估

为便于对气泡混合轻质填料路基填筑质量是否合格进行评估，定义某一数值为声参量低限值.

由预实验结果可知，气泡混合轻质填料的强度与波速呈正相关，根据现场气泡混合轻质填料路基取样的试验结果，路基的无侧限抗压强度为1.20～1.50 MPa 时，其波速在 1.302～1.397 km/s内波动，即路基的无侧限抗压强度强度大于1.20 MPa时，波速应不小于为1.302 km/s，取波速最小值为1.302 km/s.由于路基的超声检测结果具有一定的离散性，由图7（a）可知：同一个浇筑段的超声检测结果中波速最多可存在5.28%的误差，为便于计算与工程应用将误差5.28%向下取整为5%，即允许存在5%的误差；当路基的波速小于波速最小值的95%时，认为其强度小于1.20 MPa，即取波速最小值的95%作为低限值，波速低限值为1.237 km/s；当波速不小于低限值时，可认为路基的抗压强度高于1.20 MPa.

当气泡混合轻质填料试块内部出现裂缝时，波幅平均会出现22.38%的衰减，主频平均会出现14.87%的衰减.若路基内部出现裂缝，其裂缝尺寸（宽度、长度和深度）一般大于试块的裂缝尺寸，且路基超声检测时受到的扰动因素多于试块检测，其波幅和主频的衰减量应不小于试块内部出现裂缝时的衰减量.因此，为便于计算与工程应用，将波幅的平均衰减量22.38%向下取整为20%.当衰减量大于20%时，可认为路基内部存在裂缝，即采用路基的波幅平均值的80%作为低限值，波幅低限值为78.58 dB.同理，将主频的平均衰减量14.87%向下取整，若取为10%，由于10%这一数值过小，可能造成裂缝的误判.为避免出现误判，本文取14%，当主频的衰减量大于14%时，可认为路基内部存在裂缝，即采用主频平均值的86%作为低限值，主频低限值为22.70 kHz.当波幅和主频均不小于低限值时，可认为路基内部无裂缝、空洞等缺陷存在.

综上，当气泡混合轻质填料路基的填筑质量合格时，其声参量应均高于低限值.

4.1.2 路基填筑质量优良评估

超声检测气泡混合轻质填料路基时，路基填筑质量的均匀性越好，声参量的离散性应越小.经过比选，采用权重模型对路基填筑质量的均匀性进行评估，评估指标为波速、波幅和主频.

权重可反映声参量与路基填筑质量均匀性的相关性强弱，常用的权重确定方法有主观赋权法和客观赋权法.主观赋权法侧重于专家的经验，而关于气泡混合轻质填料路基质量评估方面可参考的资料较少，通过主观方法确定的权重可能存在较大误差.因此采用客观赋权法中的熵权法确定声参量的权重系数[13-15].建立路基填筑质量均匀性评估的步骤如下：

步骤1声参量的标准化处理

根据声参量的分布规律，声参量的标准化处理公式为

式中：xkji为第k个浇筑段的第j个检测剖面的第i种声参量的值（k=1,2,···,10；i=1,2,3，代表3种声参量，其中x1为波速、x2为波幅，x3为主频；j=1,2,···,5）；xB,kji为xkji标准化处理后的值；xi为第i种声参量总样本数据的均值；σi为第i种声参量总样本数据的标准差.

步骤2声参量的信息熵计算

某种声参量的离散性越大，在路基填筑质量均匀性评估中其提供的信息越多，根据信息熵定义，第i种声参量的信息熵为

式中：m为评估指标的总数，即m=3；为使lnG有意义，

步骤3权重计算

第i种声参量的权重为

根据上述步骤，将上层路基超声检测结果中的3种声参量值代入式（1），计算结果依次代入式（2）、式（3），可得表3所示结果.

声参量的权重越大，其检测数据的离散程度越大，在路基填筑质量的均匀性评估中该声参量提供的信息量越多.

步骤4均匀性评估得分计算

第k个气泡混合轻质填料路基填筑质量的均匀性评估得分为

步骤5填筑质量优良评价

由于每个浇筑段有5个检测剖面，因此路基填筑质量均匀性评估的总分为5分.为便于分析并简化计算，将路基填筑质量按均匀性评估得分等间距分为4个等级：优秀、良好、中等和合格，如表4所示.

表4 路基填筑质量优良性分级Tab.4 Grading of subgrade filling quality

4.2 上层路基填筑质量评估

根据本文建立的路基填筑质量的综合评估方法，上层路基填筑质量的评估结果如表5所示，可以看出：上层路基10个浇筑段的抗压强度和浇筑质量均合格，即路基填筑质量合格；其中浇筑段10的填筑质量等级为中等，其它浇筑段的填筑质量等级均为良好.

表5 上层路基填筑质量评估Tab.5 Filling quality evaluation of upper subgrade

根据综合评估方法的评估结果，试验段上层气泡混合轻质填料路基的填筑质量合格，且10个浇筑段的填筑质量趋于一致，与现场路基质量测试的结果相符，表明该综合评估方法具有较好的适用性.

4.3 中、下层路基填筑质量评估

根据路基填筑质量的综合评估方法，中、下层路基填筑质量的评估结果如表6所示.

表6 中、下层路基填筑质量评估Tab.6 Filling quality evaluation of middle and lower subgrade

由表6可知：中层路基10个浇筑段的抗压强度和浇筑质量均合格，即路基填筑质量合格；在此基础上，根据均匀性评估得分，中层路基10个浇筑段的填筑质量等级均为良好.下层路基10个浇筑段的抗压强度和浇筑质量均合格，即路基填筑质量合格；其中浇筑段7的填筑质量等级为中等，其它浇筑段的填筑质量等级均为良好.

综上，该试验段路基的填筑质量合格，且30个填筑质量等级中有28个为良好，具有较好的一致性，表明该试验段路基浇筑质量较为稳定.

5 结 论

1）超声检测气泡混合轻质填料时，若测距大于0.8 m，超声检测仪接收到的超声波信号出现不稳定现象，测得的声参量出现波动，为使超声检测结果兼具稳定性和代表性，建议测距为0.8 m；

2）可采用填筑质量合格的路基在测距为0.8 m时的波速最小值的95%为波速低限值，波幅平均值的80%为波幅低限值，主频平均值的86%为主频低限值，对路基填筑质量进行合格评估；

3）在路基填筑质量合格的基础上，以波速、波幅、主频为评估指标，根据填筑质量的均匀性，对路基填筑质量进行优良评估；

4）根据本文建立的气泡混合轻质填料路基填筑质量现场测试和评估方法，该试验段路基的填筑质量合格，填筑质量等级为良好.