采用冲击回波法检测CRTS Ⅲ型板式无砟轨道离缝的研究

刘 亮，孙 坤，李邦旭

(中铁西南科学研究院有限公司，四川 成都 611731)

CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国在借鉴CRTSⅠ型、Ⅱ型板式无砟轨道结构的基础上自主研发的新型板式轨道结构[1]。该轨道结构主要采用C40自密实混凝土代替CRTSⅠ型、Ⅱ型板式无砟轨道结构中使用的水泥乳化沥青砂浆，使其与下部的钢筋混凝土支撑层连接性更好，目前已在高速铁路工程中得到广泛应用。随着高速铁路运营时间的增长，线路结构病害日益突出，其中位于无砟轨道板底的填充层离缝是无砟轨道结构病害的主要形式之一，严重影响着高速铁路的运营安全[2-4]。

目前板式无砟轨道离缝伤损的现场检测方法主要为人工目测、钢尺插入法量测和现场揭板试验。该类方法存在效率低、主观性强、以点概面、费时费力的弊端，不利于离缝缺陷的快速检测。同时由于CRTSⅢ型板式无砟轨道属于多层密集钢筋混凝土结构，对电磁波具有较强的屏蔽作用，且离缝伤损厚度较小，对检测方法的精度要求较高，所以常规的无损检测手段较难奏效。板式无砟轨道离缝检测已引起众多学者关注。李军[5]采用地质雷达法对高速铁路无砟轨道支承层底部脱空离缝进行检测，认为地质雷达能够有效检测无砟轨道支承层底部与基床表层脱空、离缝；朱先锋[6]分别采用地质雷达、冲击弹性波、瞬态面波、冲击回波、板冲击瞬态脉冲响应检测方法对路基基床进行检测研究，指出冲击弹性波、冲击回波、板冲击瞬态脉冲响应检测方法能够适用于无砟轨道支承层与基床表层接触状态的检测；姜子清等[7]对无砟轨道砂浆层离缝检测方法进行试验，认为基于超声波的离缝检测方法效果不明显，地质雷达检测方法对轨道板与砂浆层离缝无水充填工况下的检测效果不明显，基于冲击弹性波和振动法的检测方法能够满足现场离缝检测需求，并建议砂浆层离缝养护维修分别按1.5，2.0，2.5 mm 的3级标准执行。

以上研究中，地质雷达法主要针对无砟轨道支承层底部脱空检测，尚未涉及轨道板底部的填充层离缝检测，而冲击弹性波、冲击回波、板冲击瞬态脉冲响应检测方法也处于初步验证阶段，尚缺乏系统性的试验研究。基于此，本文设计了等比例CRTSⅢ型板式无砟轨道结构模型，对基于冲击回波法的CRTSⅢ型无砟轨道板底离缝检测进行研究。

1 冲击回波法

1.1 测试原理

冲击回波法基本原理是利用瞬时冲击力激励结构表面产生应力波，当应力波传播至结构表面或离缝、脱空、不密实等缺陷处，介质声阻抗发生变化，应力波被反射而形成特殊模态，被激振点附近的检波器接收，再通过快速傅里叶变换将时域信号转化为频域信号，最后通过主频、模态等变化综合分析评定结构内部缺陷情况。图1为冲击回波法测试原理示意。

1.2 应力波响应特征

在激振点附近，结构表面的振动主要由P波引起[8]。应力波在结构底面、缺陷表面发生反射而被检波器拾取到，通过频谱分析而定位到板厚卓越频率。计算板厚或者缺陷深度的公式为[9-11]

(1)

式中：T为卓越频率对应的深度；β为几何形状系数，对于无砟轨道板取0.96；CP为P波波速；f为卓越频率。

冲击应力波在混凝土结构中的反射与结构分层介质的声阻抗密切相关。当冲击应力波从介质1向介质2垂直传播时，则介质1,2界面的反射系数可按下式计算。

(2)

式中：R为界面反射系数；Z1为介质1的声阻抗；Z2为介质2的声阻抗。

对于无砟轨道板底离缝检测来说，典型的介质界面为3层夹心结构[12]，即无砟轨道层、离缝缺陷层、自密实混凝土层。应力波在该结构的无砟轨道层与离缝缺陷层界面和离缝缺陷层与自密实混凝土层界面均会发生反射和透射。该结构应力波振幅透过率和反射率可用下列公式计算。

(3)

K2=ω/V2

(4)

(5)

式中：T′为应力波振幅透过率；R′为应力波振幅反射率；K2为介质2波数；L为介质2长度；ω为角频率；V2为弹性波在介质2中的波速。

2 试验设计

等比例CRTSⅢ型板式无砟轨道模型结构从下到上依次为支承层、隔离层、自密实混凝土层、离缝缺陷层和CRTSⅢ型无砟轨道板，如图2所示。

根据离缝位置分布，无砟轨道板底离缝缺陷主要有板端离缝、板中离缝和板角离缝3种类型[13]。参照文献[14]中离缝大小对轨道结构的影响及按照离缝大小划分的离缝维修级别，同时综合考虑文献[7]建议的离缝维修级别，将离缝缺陷厚度设置为1，2，3 mm，缺陷位置及尺寸见图3，离缝缺陷设置材料为聚丙烯短纤针刺非织造土工布，以模拟混凝土与空气界面声阻抗的差异。

图3 离缝缺陷位置及尺寸(单位：mm)

3 试验结果分析

3.1 自密实混凝土初凝前试验结果分析

图4 自密实混凝土初凝前冲击回波频率-振幅谱

图5 自密实混凝土初凝前冲击回波卓越频率强度反射图

自密实混凝土初凝前，冲击回波频率-振幅谱呈单峰现象，见图4(图中振幅为归一化后的无量纲量)，其卓越频率即为板厚频率，由式(1)计算所得深度即为无砟轨道板厚度。同时，自密实混凝土初凝前冲击回波卓越频率强度反射分布较为集中、均匀，主要在深度200 mm位置处，呈直线分布，如图5所示。这是由于自密实混凝土初凝前强度较低，当应力波从无砟轨道板传播至自密实混凝土层时，介质声阻抗发生较大变化，从而冲击回波反射系数大、反射信号强烈，导致无法判断离缝缺陷。由此可知，混凝土强度对冲击回波法离缝检测影响较大，初凝前不适合无砟轨道板底离缝的现场检测。

3.2 自密实混凝土终凝后试验结果分析

未设置离缝缺陷的密贴工况下，冲击回波频率-振幅谱出现双重共振频率fa,fb，见图6。当应力波从无砟轨道板底传播至自密实混凝土层时，介质声阻抗发生变化，部分应力波发生反射，出现共振频率fb。其余应力波沿模型结构继续向下传播至隔离层，在自密实混凝土与隔离层界面，应力波发生全反射而表现出较强的共振峰，即共振频率fa。

图6 无离缝缺陷区域冲击回波频率-振幅谱

设置离缝缺陷的离缝工况下，冲击回波频率-振幅谱与密贴工况一样均出现双重共振频率fc,fd，见图7。当应力波从无砟轨道板底传播至离缝缺陷区域时，介质声阻抗差异巨大，类似混凝土与空气界面，大部分应力波发生反射而出现强烈的共振峰，即共振频率fd。由式(1)计算所得深度即为离缝缺陷层位置。部分应力波发生绕射，继续向下传播至隔离层，介质声阻抗差异巨大从而导致应力波全反射，即共振频率fc。由式(1)计算所得深度即为隔离层位置。对离缝缺陷1#～9#的共振频率fd进行对比，发现各离缝缺陷共振频率fd的振幅差异不明显，较难辨识不同厚度离缝的差异。

图7 离缝缺陷区域冲击回波频率-振幅谱

自密实混凝土终凝后冲击回波卓越频率强度反射图见图8。主要在无砟轨道板底与自密实混凝土界面和自密实混凝土与隔离层界面2个位置处出现明显反射，与初凝前变化较大。与冲击回波频率-振幅谱类似，密贴工况下，卓越频率强度反射图在隔离层深度位置发生强反射，轨道板底反射较弱；离缝工况下，卓越频率强度反射图在无砟轨道板底-离缝缺陷处发生强反射，而隔离层反射相对较弱。

图8 自密实混凝土终凝后冲击回波卓越频率强度反射图

综上所述，由于模型结构各层介质声阻抗的差异，自密实混凝土终凝后，密贴工况和离缝工况的冲击回波频率-振幅谱均出现双重共振频率，声阻抗差异越大，共振峰值越大。离缝缺陷处介质差异类似混凝土与空气界面，应力波几乎全反射，导致频率-振幅谱出现极强的共振峰值。而冲击回波卓越频率强度反射图的强反射位置也位于介质声阻抗的最大差异处，因此可以通过冲击回波频率-振幅谱的共振频率和卓越频率强度反射图综合辨识离缝缺陷，但无法辨识不同厚度(1～3 mm)离缝缺陷的差异。

4 结论

本文采用冲击回波法对CRTSⅢ型板式无砟轨道结构模型进行离缝检测研究，分析了冲击回波法离缝无损检测的条件、离缝缺陷的识别方法，验证了冲击回波法对无砟轨道板底与自密实混凝土界面离缝检测的可行性，总结如下：

1)冲击回波法检测CRTSⅢ型板式无砟轨道板底离缝，冲击回波频率-振幅谱、卓越频率强度反射图均在离缝缺陷位置表现出较强的反射特征，利于离缝缺陷的辨识，冲击回波法对CRTSⅢ型板式无砟轨道离缝检测具有较强的可行性。

2)混凝土强度对冲击回波法离缝检测影响较大，自密实混凝土初凝前，无砟轨道板与自密实混凝土界面声阻抗差异巨大，冲击回波法不适合无砟轨道板底离缝的现场检测，其最佳检测时间在自密实混凝土终凝后。

3)对于厚度1～3 mm的离缝缺陷，冲击回波法无法辨识各缺陷的具体差异。

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