采用沖擊回波法檢測CRTS Ⅲ型板式無砟軌道離縫的研究

劉 亮，孫 坤，李邦旭

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國在借鑒CRTSⅠ型、Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的新型板式軌道結(jié)構(gòu)[1]。該軌道結(jié)構(gòu)主要采用C40自密實(shí)混凝土代替CRTSⅠ型、Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)中使用的水泥乳化瀝青砂漿，使其與下部的鋼筋混凝土支撐層連接性更好，目前已在高速鐵路工程中得到廣泛應(yīng)用。隨著高速鐵路運(yùn)營時(shí)間的增長，線路結(jié)構(gòu)病害日益突出，其中位于無砟軌道板底的填充層離縫是無砟軌道結(jié)構(gòu)病害的主要形式之一，嚴(yán)重影響著高速鐵路的運(yùn)營安全[2-4]。

目前板式無砟軌道離縫傷損的現(xiàn)場檢測方法主要為人工目測、鋼尺插入法量測和現(xiàn)場揭板試驗(yàn)。該類方法存在效率低、主觀性強(qiáng)、以點(diǎn)概面、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的弊端，不利于離縫缺陷的快速檢測。同時(shí)由于CRTSⅢ型板式無砟軌道屬于多層密集鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，對電磁波具有較強(qiáng)的屏蔽作用，且離縫傷損厚度較小，對檢測方法的精度要求較高，所以常規(guī)的無損檢測手段較難奏效。板式無砟軌道離縫檢測已引起眾多學(xué)者關(guān)注。李軍[5]采用地質(zhì)雷達(dá)法對高速鐵路無砟軌道支承層底部脫空離縫進(jìn)行檢測，認(rèn)為地質(zhì)雷達(dá)能夠有效檢測無砟軌道支承層底部與基床表層脫空、離縫；朱先鋒[6]分別采用地質(zhì)雷達(dá)、沖擊彈性波、瞬態(tài)面波、沖擊回波、板沖擊瞬態(tài)脈沖響應(yīng)檢測方法對路基基床進(jìn)行檢測研究，指出沖擊彈性波、沖擊回波、板沖擊瞬態(tài)脈沖響應(yīng)檢測方法能夠適用于無砟軌道支承層與基床表層接觸狀態(tài)的檢測；姜子清等[7]對無砟軌道砂漿層離縫檢測方法進(jìn)行試驗(yàn)，認(rèn)為基于超聲波的離縫檢測方法效果不明顯，地質(zhì)雷達(dá)檢測方法對軌道板與砂漿層離縫無水充填工況下的檢測效果不明顯，基于沖擊彈性波和振動法的檢測方法能夠滿足現(xiàn)場離縫檢測需求，并建議砂漿層離縫養(yǎng)護(hù)維修分別按1.5，2.0，2.5 mm 的3級標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

以上研究中，地質(zhì)雷達(dá)法主要針對無砟軌道支承層底部脫空檢測，尚未涉及軌道板底部的填充層離縫檢測，而沖擊彈性波、沖擊回波、板沖擊瞬態(tài)脈沖響應(yīng)檢測方法也處于初步驗(yàn)證階段，尚缺乏系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究?；诖?，本文設(shè)計(jì)了等比例CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)模型，對基于沖擊回波法的CRTSⅢ型無砟軌道板底離縫檢測進(jìn)行研究。

1 沖擊回波法

1.1 測試原理

沖擊回波法基本原理是利用瞬時(shí)沖擊力激勵結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生應(yīng)力波，當(dāng)應(yīng)力波傳播至結(jié)構(gòu)表面或離縫、脫空、不密實(shí)等缺陷處，介質(zhì)聲阻抗發(fā)生變化，應(yīng)力波被反射而形成特殊模態(tài)，被激振點(diǎn)附近的檢波器接收，再通過快速傅里葉變換將時(shí)域信號轉(zhuǎn)化為頻域信號，最后通過主頻、模態(tài)等變化綜合分析評定結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷情況。圖1為沖擊回波法測試原理示意。

1.2 應(yīng)力波響應(yīng)特征

在激振點(diǎn)附近，結(jié)構(gòu)表面的振動主要由P波引起[8]。應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)底面、缺陷表面發(fā)生反射而被檢波器拾取到，通過頻譜分析而定位到板厚卓越頻率。計(jì)算板厚或者缺陷深度的公式為[9-11]

(1)

式中：T為卓越頻率對應(yīng)的深度；β為幾何形狀系數(shù)，對于無砟軌道板取0.96；CP為P波波速；f為卓越頻率。

沖擊應(yīng)力波在混凝土結(jié)構(gòu)中的反射與結(jié)構(gòu)分層介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。當(dāng)沖擊應(yīng)力波從介質(zhì)1向介質(zhì)2垂直傳播時(shí)，則介質(zhì)1,2界面的反射系數(shù)可按下式計(jì)算。

(2)

式中：R為界面反射系數(shù)；Z1為介質(zhì)1的聲阻抗；Z2為介質(zhì)2的聲阻抗。

對于無砟軌道板底離縫檢測來說，典型的介質(zhì)界面為3層夾心結(jié)構(gòu)[12]，即無砟軌道層、離縫缺陷層、自密實(shí)混凝土層。應(yīng)力波在該結(jié)構(gòu)的無砟軌道層與離縫缺陷層界面和離縫缺陷層與自密實(shí)混凝土層界面均會發(fā)生反射和透射。該結(jié)構(gòu)應(yīng)力波振幅透過率和反射率可用下列公式計(jì)算。

(3)

K2=ω/V2

(4)

(5)

式中：T′為應(yīng)力波振幅透過率；R′為應(yīng)力波振幅反射率；K2為介質(zhì)2波數(shù)；L為介質(zhì)2長度；ω為角頻率；V2為彈性波在介質(zhì)2中的波速。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

等比例CRTSⅢ型板式無砟軌道模型結(jié)構(gòu)從下到上依次為支承層、隔離層、自密實(shí)混凝土層、離縫缺陷層和CRTSⅢ型無砟軌道板，如圖2所示。

根據(jù)離縫位置分布，無砟軌道板底離縫缺陷主要有板端離縫、板中離縫和板角離縫3種類型[13]。參照文獻(xiàn)[14]中離縫大小對軌道結(jié)構(gòu)的影響及按照離縫大小劃分的離縫維修級別，同時(shí)綜合考慮文獻(xiàn)[7]建議的離縫維修級別，將離縫缺陷厚度設(shè)置為1，2，3 mm，缺陷位置及尺寸見圖3，離縫缺陷設(shè)置材料為聚丙烯短纖針刺非織造土工布，以模擬混凝土與空氣界面聲阻抗的差異。

圖3 離縫缺陷位置及尺寸(單位：mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 自密實(shí)混凝土初凝前試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 自密實(shí)混凝土初凝前沖擊回波頻率-振幅譜

圖5 自密實(shí)混凝土初凝前沖擊回波卓越頻率強(qiáng)度反射圖

自密實(shí)混凝土初凝前，沖擊回波頻率-振幅譜呈單峰現(xiàn)象，見圖4(圖中振幅為歸一化后的無量綱量)，其卓越頻率即為板厚頻率，由式(1)計(jì)算所得深度即為無砟軌道板厚度。同時(shí)，自密實(shí)混凝土初凝前沖擊回波卓越頻率強(qiáng)度反射分布較為集中、均勻，主要在深度200 mm位置處，呈直線分布，如圖5所示。這是由于自密實(shí)混凝土初凝前強(qiáng)度較低，當(dāng)應(yīng)力波從無砟軌道板傳播至自密實(shí)混凝土層時(shí)，介質(zhì)聲阻抗發(fā)生較大變化，從而沖擊回波反射系數(shù)大、反射信號強(qiáng)烈，導(dǎo)致無法判斷離縫缺陷。由此可知，混凝土強(qiáng)度對沖擊回波法離縫檢測影響較大，初凝前不適合無砟軌道板底離縫的現(xiàn)場檢測。

3.2 自密實(shí)混凝土終凝后試驗(yàn)結(jié)果分析

未設(shè)置離縫缺陷的密貼工況下，沖擊回波頻率-振幅譜出現(xiàn)雙重共振頻率fa,fb，見圖6。當(dāng)應(yīng)力波從無砟軌道板底傳播至自密實(shí)混凝土層時(shí)，介質(zhì)聲阻抗發(fā)生變化，部分應(yīng)力波發(fā)生反射，出現(xiàn)共振頻率fb。其余應(yīng)力波沿模型結(jié)構(gòu)繼續(xù)向下傳播至隔離層，在自密實(shí)混凝土與隔離層界面，應(yīng)力波發(fā)生全反射而表現(xiàn)出較強(qiáng)的共振峰，即共振頻率fa。

圖6 無離縫缺陷區(qū)域沖擊回波頻率-振幅譜

設(shè)置離縫缺陷的離縫工況下，沖擊回波頻率-振幅譜與密貼工況一樣均出現(xiàn)雙重共振頻率fc,fd，見圖7。當(dāng)應(yīng)力波從無砟軌道板底傳播至離縫缺陷區(qū)域時(shí)，介質(zhì)聲阻抗差異巨大，類似混凝土與空氣界面，大部分應(yīng)力波發(fā)生反射而出現(xiàn)強(qiáng)烈的共振峰，即共振頻率fd。由式(1)計(jì)算所得深度即為離縫缺陷層位置。部分應(yīng)力波發(fā)生繞射，繼續(xù)向下傳播至隔離層，介質(zhì)聲阻抗差異巨大從而導(dǎo)致應(yīng)力波全反射，即共振頻率fc。由式(1)計(jì)算所得深度即為隔離層位置。對離縫缺陷1#～9#的共振頻率fd進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)各離縫缺陷共振頻率fd的振幅差異不明顯，較難辨識不同厚度離縫的差異。

圖7 離縫缺陷區(qū)域沖擊回波頻率-振幅譜

自密實(shí)混凝土終凝后沖擊回波卓越頻率強(qiáng)度反射圖見圖8。主要在無砟軌道板底與自密實(shí)混凝土界面和自密實(shí)混凝土與隔離層界面2個(gè)位置處出現(xiàn)明顯反射，與初凝前變化較大。與沖擊回波頻率-振幅譜類似，密貼工況下，卓越頻率強(qiáng)度反射圖在隔離層深度位置發(fā)生強(qiáng)反射，軌道板底反射較弱；離縫工況下，卓越頻率強(qiáng)度反射圖在無砟軌道板底-離縫缺陷處發(fā)生強(qiáng)反射，而隔離層反射相對較弱。

圖8 自密實(shí)混凝土終凝后沖擊回波卓越頻率強(qiáng)度反射圖

綜上所述，由于模型結(jié)構(gòu)各層介質(zhì)聲阻抗的差異，自密實(shí)混凝土終凝后，密貼工況和離縫工況的沖擊回波頻率-振幅譜均出現(xiàn)雙重共振頻率，聲阻抗差異越大，共振峰值越大。離縫缺陷處介質(zhì)差異類似混凝土與空氣界面，應(yīng)力波幾乎全反射，導(dǎo)致頻率-振幅譜出現(xiàn)極強(qiáng)的共振峰值。而沖擊回波卓越頻率強(qiáng)度反射圖的強(qiáng)反射位置也位于介質(zhì)聲阻抗的最大差異處，因此可以通過沖擊回波頻率-振幅譜的共振頻率和卓越頻率強(qiáng)度反射圖綜合辨識離縫缺陷，但無法辨識不同厚度(1～3 mm)離縫缺陷的差異。

4 結(jié)論

本文采用沖擊回波法對CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行離縫檢測研究，分析了沖擊回波法離縫無損檢測的條件、離縫缺陷的識別方法，驗(yàn)證了沖擊回波法對無砟軌道板底與自密實(shí)混凝土界面離縫檢測的可行性，總結(jié)如下：

1)沖擊回波法檢測CRTSⅢ型板式無砟軌道板底離縫，沖擊回波頻率-振幅譜、卓越頻率強(qiáng)度反射圖均在離縫缺陷位置表現(xiàn)出較強(qiáng)的反射特征，利于離縫缺陷的辨識，沖擊回波法對CRTSⅢ型板式無砟軌道離縫檢測具有較強(qiáng)的可行性。

2)混凝土強(qiáng)度對沖擊回波法離縫檢測影響較大，自密實(shí)混凝土初凝前，無砟軌道板與自密實(shí)混凝土界面聲阻抗差異巨大，沖擊回波法不適合無砟軌道板底離縫的現(xiàn)場檢測，其最佳檢測時(shí)間在自密實(shí)混凝土終凝后。

3)對于厚度1～3 mm的離縫缺陷，沖擊回波法無法辨識各缺陷的具體差異。

[1]趙國堂.高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)[M].北京：中國鐵道出版社,2006.

[2]曾志平,羅俊,劉斌,等.界面離縫對CRTSⅢ型板式軌道動力特性的影響[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2016,33(3):34-38.

[3]劉少飛.CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫原因分析[J].鐵道建筑，2017,57(4):106-109.

[4]梅俊.CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層離縫預(yù)防與控制[J].鐵道建筑，2016,56(4):123-126.

[5]李軍.地質(zhì)雷達(dá)檢測高鐵無砟軌道支承層底部脫空離縫[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(18):224-225.

[6]朱先鋒.運(yùn)營高速鐵路路基基床檢測研究[J].鐵道建筑技術(shù),2016(12):59-63.

[7]姜子清,施成,趙坪銳.CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫檢查及傷損限值研究[J].鐵道建筑,2016，56(1):53-58.

[8]CARINO N J,SANSALONE M,HSU N N.Flaw Detection in Concrete by Frequency Spectrum Analysis of Impact-echo Waveforms[J].International Advances in Nondestructive Testing,1986,12(1):117-146.

[9]ASTM. C1383-15 Standard Test Method for Measuring the P-Wave Speed and the Thickness of Concrete Plates Using the Impact-Echo Method[S].West Conshohocken:ASTM International,2015.

[10]王偉,水中和,王桂明,等.沖擊回波法檢測波紋管灌漿質(zhì)量的研究及工程實(shí)踐[J].混凝土,2010(5):134-137.

[11]萬里,韓曉健,汪博,等.沖擊回波法識別混凝土缺陷試驗(yàn)研究[J].混凝土,2012(2):8-10.

[12]馬昆林,龍廣成,謝友均.CRTS Ⅲ型板式無砟軌道充填層自密實(shí)混凝土碳化及力學(xué)性能演變的研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,9(6):42-47.

[13]盧煒.嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型無砟軌道板四角離縫成因研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2014,31(7):53-56.

[14]何川.CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿離縫的影響及維修指標(biāo)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2013.