基于弹性波CT法的无砟轨道底座板混凝土状态检测技术

潘龙江

(哈大铁路客运专线有限责任公司，辽宁沈阳 110002)

随着高速铁路投产运营时间的延长，无砟轨道底座板钢筋混凝土结构出现了裂纹、粉化、掉块等问题。特别是哈大高速铁路(哈大客运专线)地处高寒地区，四季温差和昼夜温差比较大，无砟轨道底座板在环境温度应力、反复冻融和列车高频振动应力耦合作用下，个别地段襟边表面出现粉化现象，主要表现为面层混凝土出现脱皮、露砂、掉块、缺损、露石甚至露筋等。

无砟轨道底座板位于隐蔽部位，同时又是直接承受轨道板荷载的部位，因此其伤损情况引人关注。李化建等[1]针对哈大客运专线底座板混凝土伤损进行了调研，发现在底座板出现不同程度粉化的情况下，底座板混凝土抗压强度有不同程度的降低，抗冻性严重不足，已不满足相关规范的要求[2]。冬季降温过程以及列车荷载作用可能引起底座板裂纹超限，严寒地区大温差环境将降低其使用耐久性。因此，提出一种底座板混凝土劣化检测手段显得尤为重要。

本文引入了弹性波CT法对哈大客运专线底座板混凝土劣化情况进行检测、追踪和监测。弹性波CT法克服了钻孔取芯检测对结构的损伤程度大、代表性差、无法监测混凝土劣化发展过程的缺点。2种方法的检测精度基本一致。近年来国内外做了大量研究，不断将这种方法应用到混凝土质量监测中[3-9]。因此，在高速铁路运营线路上推广弹性波CT法检测无砟轨道底座板混凝土结构质量意义重大。

1 弹性波CT法基本原理

弹性波层析扫描(Computerized Tomography)，简称弹性波CT法，是一种能够简单、迅速检测结构内部混凝土强度的无损检测技术。弹性波CT法的根本原理是投影成像。若结构内部出现损伤，材料性质发生变化，弹性波经过损伤区域时传播时间增加，波速降低。分析采集的弹性波数据，利用代数重建法(ART)及最小二乘QR分解法(LSQR)等算法进行反演，确定结构内部的弹性波速分布情况，从而实现对混凝土质量和结构内部伤损的检测评估。

1.1 试验测试

采用弹性波CT法检测无砟轨道底座板结构时，选取底座板两侧对立面布置测点，在一侧布置激振点(激振源)，在结构相对的另一侧布置受信点(高灵敏度加速度传感器)，如图1所示。

图1 内部测试示意

对于弹性波CT法其测线的布置可采用交叉布置和平行布置2种形式。交叉布置测线较多，测试精度和分辨率较高，但该布线方式测试效率相对较低；平行布线由于测线较少，测试精度和分辨率较低，但是该测试方法效率很高。因此，实际测试中，既要考虑精度和分辨率，也需考虑测试效率。本次测试采用交叉布线方式(见图2)。

弹性波CT法测试得到的弹性波波速与混凝土材料特性之间的关系式为[10]

图2 交叉布线

式中:Vp3为三维空间中的弹性波波速；Ed为混凝土动弹性模量；ρ为混凝土密度；μ为混凝土的动泊松比。

1.2 弹性波CT反演

弹性波CT法利用弹性波速度的分布来评价混凝土的质量和判断混凝土内部可能存在的缺陷。由于动弹性模量反映动荷载作用下混凝土应力应变关系，能够有效地反映混凝土结构损伤，因此采用动弹性模量作为弹性波反演指标之一。其结果分析处理分3个阶段进行:①通过弹性波速度的分布反演结构的动弹性模量；②利用动静弹性模量的关系得到静弹性模量；③静弹性模量与混凝土立方体抗压强度成正相关，以此来评价混凝土质量。

通过检测已知弹性波CT的三维空间内的波速，可得到混凝土的动弹性模量Ed。计算式为

式中:ρ可取 2 400 kg/m3；μ取 0.2。

利用动静弹性模量的关系，将计算得到的混凝土动弹性模量转换为静弹性模量Ec。计算式为

将混凝土静弹性模量换算成立方体抗压强度[11]，并与钻芯试验所测混凝土立方体抗压强度进行对比。换算式为

式中:fcu.k为混凝土立方体抗压强度标准值；fcu为混凝土立方体抗压强度值；σ为混凝土强度标准差。

2 工程实例分析

2017年7月7—10日对哈大客运专线K331(辽阳站附近)无砟轨道底座板质量采用了弹性波CT法进行了检测，共检测底座板内部的质量及损伤状况15处。

2.1 底座板的选定

为便于判定并统一判定标准，本次标定波速测试及混凝土质量检测对象指定在K331附近进行选取。步骤如下:

1)首先采取透过法，对外观状况分别为好、露筋、两侧粉化3种工况的5块底座板进行弹性波波速标定，为减小误差，选取2块外观状况为好的底座板，每一块板标定2次。波速标定用板具体情况见表1。

表1 波速标定用板

2)然后采取交叉布线法，对外观状况分别为好、较好、一般、两侧粉化4种工况的15块底座板进行弹性波CT法检测。另外，根据现场情况选择一块修补后的底座板进行了对比检测。为减小误差，对该板检测2次。检测板情况见表2。

表2 K331附近检测板情况

2.2 标定波速测试及缺陷波速定义

弹性波波速标定结果见表3。

表3 波速标定结果

根据波速标定情况，拟将低于完好底座板标定波速90%即波速低于3.947 km/s判定为明显缺陷，低于标定波速95%即波速低于4.166 km/s判定为疑似缺陷。定义缺陷指数为

式中:Ipk为平均缺陷指数；N为每个测区网格布线总数；Ii为每条测线所测混凝土缺陷指数。如果混凝土疑似损伤，缺陷指数取0.5；如果混凝土明显损伤，缺陷指数取1；如果混凝土无损伤，缺陷指数取为0。

2.3 底座板内部检测结果云图

各底座板具体检测云图见图3，图的左侧均为哈尔滨方向。

图3 K331附近底座板检测结果

2.4 弹性波CT法与钻芯法结果对比

利用上述方法分析各无砟轨道底座板测点数据，具体结果如表4所示。

表4 底座板CT法测试结果

表5、图4是2种方法测得的抗压强度统计值的对比。可见，相比于外观一般底座板，当底座板混凝土粉化严重时，弹性波CT法检测结果与钻孔取芯结果更接近，而且两者呈现明显的正相关，说明两种方法的试验结果在统计意义上是基本一致的。

表5 抗压强度统计值的对比 MPa

图4 抗压强度统计值对比

3 结论

通过利用弹性波CT法检测评估哈大线路无砟轨道底座板混凝土结构病害，系统分析对比了其与钻孔取芯法实测结果。主要结论如下:

1)无砟轨道混凝土底座板外观与内部混凝土强度有较高的相关关系。大多数情况下，当外观有粉化现象时，内部混凝土也有不同程度的损伤。

2)弹性波CT法与钻孔试验结果对比表明，前者所测混凝土抗压强度总体上最大值偏大，最小值偏小，粉化时平均值相近，总体呈明显正相关，两者的试验结果在统计意义上是基本一致的。

3)弹性波CT法作为一种无损检测技术，能够简单迅速检测到隐蔽在轨道板下的底座板混凝土内部的质量缺陷，结合检测云图基本能够判定出内部混凝土缺陷的位置。

4)弹性波CT法能够针对典型底座板位置进行连续性的检测，从而把握内部混凝土劣化的发展速度。是高速铁路无砟轨道底座板混凝土结构服役期进行状态检测的重要手段，值得推广应用。