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(zhì)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(zhì)高強性、強度可調(diào)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(zhì)填料路基在填筑過程中，受施工質(zhì)量和施工條件影響可能會出現(xiàn)消泡、漏漿等現(xiàn)象，降低路基質(zhì)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(nèi)外學者對氣泡混合輕質(zhì)填料的施工質(zhì)量控制和改善展開了相關研究：Hajimohammadi等[4]以黃原膠為泡沫穩(wěn)定劑，通過改善孔徑的分布提高了氣泡混合輕質(zhì)填料的工程性能；Chao等[5]探究了不同種類的發(fā)泡劑對氣泡混合輕質(zhì)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(zhì)填料漿體的穩(wěn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)填料路基填筑質(zhì)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(yōu)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(guī)范中[10-12].然而，相關規(guī)范中并未給出如何對多孔類材料（如氣泡混合輕質(zhì)填料）進行質(zhì)量檢測與評估的方法.從細觀角度看，氣泡混合輕質(zhì)填料內(nèi)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(zhì)填料是一種均質(zhì)材料，超聲波在其中的傳播方式應具有規(guī)律性.

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

1 路基現(xiàn)場測試的預試驗

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

1.1 室內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhì)填料質(zhì)量的對應關系，進行了室內(nèi)預試驗：根據(jù)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(wěn)定后進行抗壓強度試驗.

表1 氣泡混合輕質(zhì)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(wěn)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(nèi)波動，主頻在 45.78～48.22 kHz內(nèi)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(fā)生繞射、折射等現(xiàn)象，造成超聲波的傳播路徑變長且能量發(fā)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(nèi)部產(chǎn)生裂縫，對產(chǎn)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(xiàn)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(zhì)填料強度，波幅、主頻可用于判斷填料內(nèi)部是否存在裂縫等缺陷.

2 現(xiàn)場試驗

2.1 依托工程概況

南京市內(nèi)某道路工程采用氣泡混合輕質(zhì)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(zhì)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(zhì)填料的施工配合比如表1中S1所示.

2.2 現(xiàn)場超聲檢測設備布設

現(xiàn)場對氣泡混合輕質(zhì)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(xiàn)場超聲檢測設備的布置方法如圖4所示.

圖4 現(xiàn)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(zhì)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(nèi)，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(xiàn)場氣泡混合輕質(zhì)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(xiàn)場布置Fig.5 Field layout of acoustic tubes

由于依托工程的氣泡混合輕質(zhì)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(jù)檢測過程中超聲檢測設備接收到超聲波信號的穩(wěn)定程度可知：測距L為0.4～0.8 m時，可接收到穩(wěn)定的超聲波信號；測距為0.9～1.2 m時，超聲波信號出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為超聲檢測設備測得的部分聲參量（如波速、波幅等）出現(xiàn)波動，數(shù)值波動范圍較??；測距為1.5 m時，超聲波信號的不穩(wěn)定現(xiàn)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(zhì)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(nèi)波動，平均值為1.358 km/s；波速最小值 1.306 km/s出現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)波動，平均值為26.48 kHz；主頻最小值 24.41 kHz出現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)場路基超聲檢測結果中的主頻明顯低于室內(nèi)超聲檢測的主頻，是由現(xiàn)場超聲檢測方法與室內(nèi)超聲檢測方法不同導致的：現(xiàn)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(zhì)填料—聲測管—水”，3種介質(zhì)的聲抗阻率不同；超聲波經(jīng)過在不同介質(zhì)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(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，測得的聲參量出現(xiàn)波動，為保證超聲檢測結果兼具穩(wěn)定性和代表性，選擇聲測管布設間距為0.8 m進行后續(xù)試驗.

2.3 現(xiàn)場試驗方案

2.3.1 檢測點布置與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù).

2.3.2 試驗段上層路基填筑質(zhì)量測試

根據(jù)工程中氣泡混合輕質(zhì)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(nèi)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(zhì)量評估

根據(jù)試驗段上層路基的填筑質(zhì)量和超聲檢測結果的對應關系，建立路基填筑質(zhì)量綜合評估方法，對試驗段中、下層路基的填筑質(zhì)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(jù)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(nèi)部無裂縫、空洞等缺陷.

綜上，該試驗段上層路基的填筑質(zhì)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(jù)K-S正態(tài)檢驗結果，v、A和F均服從正態(tài)分布，且根據(jù)正態(tài)分布定義有：v～N(1.360,0.0232)，A～N(98.23,1.672)，F(xiàn)～N(26.39,1.012).已知上層路基填筑質(zhì)量合格，即在施工現(xiàn)場的養(yǎng)護條件下，齡期為28 d，施工配合比S1的氣泡混合輕質(zhì)填料的在填筑質(zhì)量合格時，測距為0.8 m 的v在 1.302～1.397 km/s內(nèi)波動，A在94.28～101.25 dB內(nèi)波動，F(xiàn)在24.46～28.74 kHz 內(nèi)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(zhì)量評估

4.1 綜合評估方法建立

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

4.1.1 路基填筑質(zhì)量合格評估

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

由預實驗結果可知，氣泡混合輕質(zhì)填料的強度與波速呈正相關，根據(jù)現(xiàn)場氣泡混合輕質(zhì)填料路基取樣的試驗結果，路基的無側(cè)限抗壓強度為1.20～1.50 MPa 時，其波速在 1.302～1.397 km/s內(nèi)波動，即路基的無側(cè)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(zhì)填料試塊內(nèi)部出現(xiàn)裂縫時，波幅平均會出現(xiàn)22.38%的衰減，主頻平均會出現(xiàn)14.87%的衰減.若路基內(nèi)部出現(xiàn)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(nèi)部出現(xiàn)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(nèi)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(shù)值過小，可能造成裂縫的誤判.為避免出現(xiàn)誤判，本文取14%，當主頻的衰減量大于14%時，可認為路基內(nèi)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(nèi)部無裂縫、空洞等缺陷存在.

綜上，當氣泡混合輕質(zhì)填料路基的填筑質(zhì)量合格時，其聲參量應均高于低限值.

4.1.2 路基填筑質(zhì)量優(yōu)良評估

超聲檢測氣泡混合輕質(zhì)填料路基時，路基填筑質(zhì)量的均勻性越好，聲參量的離散性應越小.經(jīng)過比選，采用權重模型對路基填筑質(zhì)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(zhì)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(cè)重于專家的經(jīng)驗，而關于氣泡混合輕質(zhì)填料路基質(zhì)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(shù)[13-15].建立路基填筑質(zhì)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(jù)聲參量的分布規(guī)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(shù)據(jù)的均值；σi為第i種聲參量總樣本數(shù)據(jù)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(zhì)量均勻性評估中其提供的信息越多，根據(jù)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(shù)，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(jù)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(shù)據(jù)的離散程度越大，在路基填筑質(zhì)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(zhì)填料路基填筑質(zhì)量的均勻性評估得分為

步驟5填筑質(zhì)量優(yōu)良評價

由于每個澆筑段有5個檢測剖面，因此路基填筑質(zhì)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(zhì)量按均勻性評估得分等間距分為4個等級：優(yōu)秀、良好、中等和合格，如表4所示.

表4 路基填筑質(zhì)量優(yōu)良性分級Tab.4 Grading of subgrade filling quality

4.2 上層路基填筑質(zhì)量評估

根據(jù)本文建立的路基填筑質(zhì)量的綜合評估方法，上層路基填筑質(zhì)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(zhì)量均合格，即路基填筑質(zhì)量合格；其中澆筑段10的填筑質(zhì)量等級為中等，其它澆筑段的填筑質(zhì)量等級均為良好.

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

根據(jù)綜合評估方法的評估結果，試驗段上層氣泡混合輕質(zhì)填料路基的填筑質(zhì)量合格，且10個澆筑段的填筑質(zhì)量趨于一致，與現(xiàn)場路基質(zhì)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(zhì)量評估

根據(jù)路基填筑質(zhì)量的綜合評估方法，中、下層路基填筑質(zhì)量的評估結果如表6所示.

表6 中、下層路基填筑質(zhì)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(zhì)量均合格，即路基填筑質(zhì)量合格；在此基礎上，根據(jù)均勻性評估得分，中層路基10個澆筑段的填筑質(zhì)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(zhì)量均合格，即路基填筑質(zhì)量合格；其中澆筑段7的填筑質(zhì)量等級為中等，其它澆筑段的填筑質(zhì)量等級均為良好.

綜上，該試驗段路基的填筑質(zhì)量合格，且30個填筑質(zhì)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(zhì)量較為穩(wěn)定.

5 結 論

1）超聲檢測氣泡混合輕質(zhì)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(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，測得的聲參量出現(xiàn)波動，為使超聲檢測結果兼具穩(wěn)定性和代表性，建議測距為0.8 m；

2）可采用填筑質(zhì)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(zhì)量進行合格評估；

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

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