鐘鵬飛, 車愛(ài)蘭, 馮少孔， 張騰瑜

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院, 上海 200240)

高速鐵路線下結(jié)構(gòu)典型病害分析及快速無(wú)損檢測(cè)方法研究

鐘鵬飛, 車愛(ài)蘭, 馮少孔， 張騰瑜

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院, 上海 200240)

隨著我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)和運(yùn)營(yíng)里程的加大，高鐵線下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了貫穿裂縫、層間離隙、脫空汲水等病害現(xiàn)象。其中CA砂漿層由于施工工藝、高速荷載及負(fù)壓等影響出現(xiàn)了較普遍的層間離隙現(xiàn)象，局部還存在離縫及破損等病害，此類病害有可能引起列車振動(dòng)的增大、噪音以及高速行駛時(shí)的安全隱患。針對(duì)高鐵線下結(jié)構(gòu)CA砂漿層病害的特點(diǎn)，基于彈性波在多層介質(zhì)中的傳播特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可操作性以及檢測(cè)速度的要求，提出了一種基于彈性波的檢波器陣列式組合的快速檢測(cè)方法。通過(guò)三維有限元數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)該方法的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)精度以及檢測(cè)效率進(jìn)行了研究。結(jié)果表明該方法可有效檢測(cè)CA砂漿層層間離隙的空間分布，具有數(shù)據(jù)采集方便、檢測(cè)速度快、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)。

高速鐵路； CA砂漿層； 層間離隙； 彈性波； 快速檢測(cè)方法

高速鐵路(高鐵)的速度快、運(yùn)力強(qiáng)和安全準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)使其成為我國(guó)大力發(fā)展的公共交通方式之一。至2015年年底，中國(guó)將會(huì)建成42條高鐵客運(yùn)專線，總里程將超過(guò)20 000 km[1]。然而近年來(lái)，受到施工工藝、施工經(jīng)驗(yàn)、雨雪的侵蝕、環(huán)境溫度變化以及隨著高鐵速度的提高、貨運(yùn)量的加大，高鐵線下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了越來(lái)越多的病害問(wèn)題，包括線下結(jié)構(gòu)層離隙、貫穿裂縫以及CA砂漿層脫空等病害[2]。高鐵軌道及線下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和平順性是保證高鐵快速和安全運(yùn)營(yíng)的前提條件，線下工程質(zhì)量的好壞、病害發(fā)生與否將直接關(guān)系到列車的正常運(yùn)營(yíng)和乘客的人身安全[3-4]。因此，開展高鐵線下結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)、識(shí)別具有十分重要的意義。

高鐵無(wú)砟軌道線下結(jié)構(gòu)由軌道板、CA砂漿層、支承層和基床構(gòu)成。其中的CA砂漿層位于軌道板和支承層之間，是板式軌道的關(guān)鍵彈性調(diào)整層，承受由鋼軌與軌道板向下傳遞的載荷和振動(dòng)，并起到緩沖高速列車動(dòng)荷載達(dá)到減振的效果[5]。它的性能的好壞對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性有著極其重要的影響。目前針對(duì)CA砂漿層病害主要的檢測(cè)方式有動(dòng)檢車檢測(cè)[6]、車載雷達(dá)檢測(cè)[7]以及釬探、量尺等傳統(tǒng)手段。動(dòng)檢車檢測(cè)是通過(guò)動(dòng)檢車輛振動(dòng)響應(yīng)的放大評(píng)價(jià)路段的狀態(tài)，只能定性的判斷軌道板的振動(dòng)大小，很難判斷病害分布、病害的類型等。車載雷達(dá)是將雷達(dá)天線安裝在軌檢車上，在列車以一定的時(shí)速運(yùn)行過(guò)程中發(fā)射并接收高頻脈沖電磁波信號(hào)，以追蹤和診斷軌道線下結(jié)構(gòu)分界面、異常體或病害界限。由于電磁信號(hào)受金屬的干擾很大，高鐵結(jié)構(gòu)存在鋼軌以及扣件等金屬結(jié)構(gòu)，軌道板存在密集的鋼筋網(wǎng)，雷達(dá)檢測(cè)精度收到很大的影響[8]。傳統(tǒng)的釬探、量尺方法，雖然直觀、簡(jiǎn)單，但效率低，探測(cè)范圍有限，很難掌握整段線路的真實(shí)狀況[9]。

本文針對(duì)高鐵線下結(jié)構(gòu)以及CA砂漿層間離隙病害的特點(diǎn)，著眼于彈性波場(chǎng)的傳播特性，開展了彈性波在層狀介質(zhì)中，特別是局部存在離隙缺陷的介質(zhì)中的傳播特性研究。針對(duì)基于彈性波的無(wú)損檢測(cè)方法的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)三維有限元數(shù)值模擬及實(shí)際運(yùn)營(yíng)段現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)，開展了數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)處理方法以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題的研究。提出了一種檢波器陣列式組合的快速檢測(cè)方法。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及評(píng)價(jià)結(jié)果，驗(yàn)證該方法的有效性及可行性。

1 CA砂漿層病害調(diào)查及分析

高鐵無(wú)砟軌道類型，主要有CRTS I型、CRTS II型和CRTS Ⅲ型。三種類型均采用了CA砂漿層作為軌道結(jié)構(gòu)彈性調(diào)整層。CA砂漿層主要由水泥、乳化瀝青、膠凝材料、細(xì)骨料(砂)、水和多種外加劑等拌和而成的水泥瀝青材料。作為無(wú)砟軌道的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)性材料，CA砂漿填充在軌道板和支撐層之間的厚度約為50 mm。其主要作用是支撐軌道板、緩沖列車高速運(yùn)行時(shí)對(duì)下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)荷載、減少振動(dòng)。因此要求CA砂漿必須具有足夠的強(qiáng)度、良好的彈性以及優(yōu)異的穩(wěn)定性耐久性，其性能的好壞直接影響著無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、使用的舒適性等[10]。

通過(guò)對(duì)多條運(yùn)營(yíng)中高鐵線路的CRTSI、CRTSII型無(wú)砟軌道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，目前CA砂漿層主要存在以下幾種病害：砂漿充填層與軌道板、底座板或支撐層的層間界面出現(xiàn)層間離隙現(xiàn)象(圖1(a))；砂漿充填層部分碎裂、擠出；砂漿充填層出現(xiàn)垂直于混凝土底座板或支撐層的豎向裂縫和剝落(圖1(b))；以及砂漿充填層表面被水沖蝕，出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象(圖1(c))。

(a) 層間離隙

(b) 縱向開裂

(c) 翻漿

通過(guò)對(duì)CA砂漿層的施工工藝以及運(yùn)營(yíng)環(huán)境等進(jìn)行分析，可以認(rèn)為無(wú)砟軌道中CA砂漿層病害的產(chǎn)生，主要有以下兩部分原因。其一為施工過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷問(wèn)題。如圖2所示，CA砂漿在拌制以及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)大小不一的氣泡，形成一定的不密實(shí)空間，在高速運(yùn)營(yíng)條件下，由于沖擊荷載及負(fù)壓等共同作用下，不密實(shí)空間有可能會(huì)逐漸擴(kuò)大，最終發(fā)展為層間離隙或脫空病害。其二為在高速列車荷載的長(zhǎng)期作用下，砂漿性能出現(xiàn)一定程度的退化、強(qiáng)度降低，導(dǎo)致砂漿層與軌道板、支撐板間產(chǎn)生裂縫、砂漿流出、斷裂、掉塊等脫空現(xiàn)象，在降雨及高速列車負(fù)壓環(huán)境下，引發(fā)砂漿層汲水。

圖2 CA砂漿層典型病害成因分析

2 CA砂漿層離隙病害模型中的彈性波場(chǎng)

2.1 彈性波場(chǎng)傳播理論基礎(chǔ)

當(dāng)用沖擊錘擊打介質(zhì)表面時(shí)，作用點(diǎn)將會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)振動(dòng)，作用點(diǎn)產(chǎn)生的振動(dòng)向遠(yuǎn)處傳播就形成了波動(dòng)場(chǎng)。在介質(zhì)中傳播的波動(dòng)中主要有體波和面波。體波可以分為縱波(P)和橫波(S)，橫波又有垂直分量SV波和水平分量SH波，面波分為瑞雷波(R)和勒夫波(L)。彈性波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到兩種不同介質(zhì)的分界面會(huì)改變波原來(lái)的傳播方向，從而發(fā)生反射和透射以及轉(zhuǎn)換波，造成彈性波成分的改變。因而不同介質(zhì)的界面成為波動(dòng)傳輸和變換的中介，其性質(zhì)影響整個(gè)材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)的波動(dòng)宏觀力學(xué)行為[11]。以入射波為縱波(P波)為例，多層介質(zhì)中任意界面以一定的入射角入射時(shí)，介質(zhì)的反射和透射形成縱波(P波)、橫波(SV波)，如圖3所示。圖中，ρ代表介質(zhì)密度，Vs、Vp分別代表介質(zhì)橫波和縱波速度。

圖3 彈性波界面處傳播特性

這里我們考慮表層界面入射波垂直進(jìn)入介質(zhì)的情況，即入射角接近0°，此時(shí)轉(zhuǎn)換波能量近乎為0，分界面上反射波和透射波成分與入射波均相同。因此，根據(jù)分界面兩邊介質(zhì)材料物理力學(xué)參數(shù)，可得縱波(P波)和橫波(S波)的反射系數(shù)，可表示為

(1)

式中，Rpp為P波反射系數(shù)，Rss為S波反射系數(shù)。

由式(1)可知，無(wú)論是縱波還是橫波，反射系數(shù)都由界面兩邊的介質(zhì)的波阻抗(波速與密度的乘積)差決定，相鄰材料的波阻抗相差越大，反射系數(shù)也越大，因而反射波也就越強(qiáng)，由此可以推論，缺陷部位(疏松或脫空)介質(zhì)密度和波速都會(huì)降低，因而形成反射界面，在其正上方激發(fā)和接收彈性波時(shí)，能接收到較強(qiáng)的波動(dòng)能量。

2.2 三維有限元模型

將高鐵線下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為多層層狀結(jié)構(gòu)模型，并在模型中的CA砂漿層設(shè)置層間離隙病害，建立三維有限元數(shù)值模型如圖4所示。自上而下依次為軌道板、CA砂漿層(在平面中心部位設(shè)置一定大小的層間離隙病害)、支承板、基床。三維數(shù)值模型幾何尺寸為300 cm×300 cm×103 cm。其中軌道板厚度為20 cm，CA砂漿層厚度為3 cm，支撐板厚度為30 cm，基床厚度為50 cm。層間離隙病害設(shè)置在砂漿層最上方與軌道板接觸處，位于模型正中，尺寸50 cm×50 cm × 0.5 cm。

模型網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格。綜合考慮有限單元網(wǎng)格大小對(duì)計(jì)算的速度、精度的影響[12]，采用多級(jí)尺寸網(wǎng)格劃分。在CA砂漿層進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格尺寸為2 cm×2 cm×0.5 cm。其他區(qū)域，軌道板、支撐板和路基網(wǎng)格尺寸為2 cm×2 cm×5 cm。模型總單元數(shù)為623 100，總網(wǎng)格數(shù)為654 736。有限元?jiǎng)恿τ?jì)算采用隱式算法，同時(shí)，將高鐵的線下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為半無(wú)限多層介質(zhì)模型，因此計(jì)算中除模型表層，其他邊界均采用無(wú)限元邊界。

(a) 模型幾何尺寸及網(wǎng)格(cm)

(b) 層間離隙病害幾何尺寸及網(wǎng)格(cm)

2.3 模型參數(shù)及荷載

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10621—2014，軌道板及支撐板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，CA砂漿層為水泥乳化瀝青砂漿材料，路基考慮上部基床層(碎石層)。層間離隙設(shè)置為軟淤泥質(zhì)填充。模型材料物理力學(xué)參數(shù)見表1，其中ρ為密度，E為彈性模量，μ為泊松比[13]。

有限元數(shù)值模擬計(jì)算中，采用雷克子波作為激發(fā)震源。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集波形的頻率特征，雷克波的主頻設(shè)定為1 500 Hz?；贑ourant條件，波的采樣間隔應(yīng)滿足Δt/2﹤l/vs,其中l(wèi)為網(wǎng)格尺寸，vs為材料剪切波速度[14]。采樣間隔設(shè)定為2.0×10-5s，持續(xù)時(shí)間0.051 2 s。荷載加載方式為垂直施加集中力，作用于節(jié)點(diǎn)處。

表1 模型材料物理參數(shù)

2.4 病害分布對(duì)響應(yīng)波場(chǎng)的影響

為明確CA砂漿層間離隙病害分布對(duì)彈性波場(chǎng)的影響，按照偏移距0.2 m設(shè)置了不同的激發(fā)及接收工況，如表2所示。

定義響應(yīng)波形速度平均振幅為響應(yīng)波形振幅絕對(duì)值的平均值(亦稱為沖擊響應(yīng)強(qiáng)度)；定義強(qiáng)度放大倍率為與工況一沖擊響應(yīng)強(qiáng)度的比。經(jīng)過(guò)一系列的激發(fā)與接收，不同計(jì)算工況下，各輸出波形的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度放大系數(shù)如圖5所示及表2所示。

可以明顯看到，層間離隙病害的存在對(duì)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度具有放大效應(yīng)，且其放大性依存于激發(fā)方式。當(dāng)激發(fā)在病害直上部時(shí)，強(qiáng)度放大系數(shù)達(dá)到7倍以上。當(dāng)激發(fā)在病害邊界處時(shí)，強(qiáng)度放大系數(shù)只有1.28倍～2.8倍。激發(fā)在無(wú)層間離隙病害處時(shí)，強(qiáng)度放大系數(shù)約1.3倍。

表2 計(jì)算工況及分析結(jié)果

2.5 基于響應(yīng)能量放大特征的層間離隙病害分布評(píng)價(jià)

由于接收波形的沖擊響應(yīng)強(qiáng)度放大性對(duì)激發(fā)方式存在強(qiáng)依存性，實(shí)際檢測(cè)時(shí)檢測(cè)工藝對(duì)檢測(cè)結(jié)果必然存在較大的影響。為評(píng)價(jià)檢測(cè)工藝對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，以及根據(jù)強(qiáng)度放大性確定的層間離隙病害空間分布的精度、誤差等，偏移距設(shè)置為20 cm，檢波器間距為20 cm，以-y方向推進(jìn)的方式，在x-y平面上對(duì)預(yù)設(shè)層間離隙病害進(jìn)行評(píng)價(jià)。激發(fā)、接收方式如圖6所示。

圖5 各計(jì)算工況接收波形響應(yīng)能量放大倍率

圖6 測(cè)線、測(cè)點(diǎn)及接收點(diǎn)布置

將接收點(diǎn)的響應(yīng)能量放大系數(shù)展開在檢測(cè)平面中，按照線性插值的方式繪制響應(yīng)能量放大系數(shù)分布，如圖2～5所示。以計(jì)算工況9(強(qiáng)度放大系數(shù)為2.8)為層間離隙病害存在的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。圖中深色系表示層間離隙病害，淺色系表示完好。由于檢測(cè)結(jié)果依存于激發(fā)方式，評(píng)價(jià)結(jié)果在檢測(cè)測(cè)線推進(jìn)方向會(huì)存在一個(gè)偏移距的誤差，因此在激發(fā)方向(-y)方向上進(jìn)行了20 cm的調(diào)整。與檢測(cè)測(cè)線的直交方向，由于測(cè)點(diǎn)間采用線性插值的方式，存在半個(gè)偏移距(10 cm)的誤差。通過(guò)調(diào)整激發(fā)方式的依存性參數(shù)，評(píng)價(jià)結(jié)果與預(yù)設(shè)層間離隙病害的平面分布基本一致。

3 高鐵運(yùn)營(yíng)線路CA砂漿層病害檢測(cè)

針對(duì)高鐵某運(yùn)營(yíng)線路出現(xiàn)的CA砂漿層離隙以及翻漿汲水等具體病害問(wèn)題，開展了高鐵運(yùn)營(yíng)線段線病害檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)目測(cè)觀測(cè)以及注漿加固后結(jié)果進(jìn)行了比較。針對(duì)運(yùn)營(yíng)線檢測(cè)施工中的檢測(cè)速度快、安全要求高的特點(diǎn)，研發(fā)了拖曳式陣列3維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖7 平均振幅云圖分布等高線圖

3.1 CRTSII型板運(yùn)營(yíng)線現(xiàn)場(chǎng)概況

2014年1月高鐵某運(yùn)營(yíng)線路車站內(nèi)軌道板在定期動(dòng)檢車檢測(cè)中出現(xiàn)了振動(dòng)過(guò)大的現(xiàn)象。針對(duì)該軌道板首先進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)軌道板出現(xiàn)了明顯的CA砂漿層離隙、翻漿、破損等病害，如圖8、10所示。為明確該軌道板內(nèi)部CA砂漿層離隙病害的空間分布，確定修復(fù)方案，采用彈性波檢波器陣列式組合快速檢測(cè)方法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)。

(b) CA砂漿層間離隙

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.2.1 拖曳式陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

根據(jù)對(duì)高速鐵路病害的分析，可見高速鐵路線下結(jié)構(gòu)以及常見病害均為三維結(jié)構(gòu)，而不是半無(wú)限層狀介質(zhì)。由于三維介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，產(chǎn)生的波動(dòng)場(chǎng)就不同，其在介質(zhì)表面的波形亦不同。采用陣列式的傳感器把介質(zhì)表面的波動(dòng)場(chǎng)的大小和方向都記錄下來(lái)，就得到彈性波三維介質(zhì)中的波場(chǎng)分布。

檢測(cè)系統(tǒng)主要由記錄儀、檢波器陣列、激發(fā)裝置以及其他配件組成，如圖8所示。記錄儀采用瞬態(tài)數(shù)字地震記錄儀。采用24個(gè)動(dòng)圈式垂直成分速度型檢波器(由磁路系統(tǒng)及線圈組成的動(dòng)圈式磁電傳感器)組成4×6矩陣，檢波器與軌道板間設(shè)置15 cm×15 cm的鋁板固定，固定裝置間采用無(wú)拉伸的連接帶進(jìn)行連接，保證檢波器與軌道板的耦合。激發(fā)裝置采用50 g小鐵錘作為激發(fā)源，激發(fā)頻率范圍為800～4 000 Hz。設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)見表3。

圖9 拖曳式陣列3維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

設(shè)備名稱主要參數(shù)Geode數(shù)字地震儀記錄通道：24道；模數(shù)轉(zhuǎn)換：24bit；最小采樣間隔：0．02ms；高截頻：1000Hz；低截頻：10Hz。單分量檢波器動(dòng)圈式垂直成分速度型；固有頻率：100Hz。激發(fā)裝置50g小鐵錘作為激發(fā)源。

3.2.2 測(cè)線布設(shè)與數(shù)據(jù)采集

根據(jù)高鐵軌道板的設(shè)計(jì)及軌道板上各線路結(jié)構(gòu)布置情況，檢測(cè)區(qū)域分為中間快速檢測(cè)區(qū)域及兩側(cè)承軌臺(tái)側(cè)單點(diǎn)式檢測(cè)區(qū)域，共布設(shè)12條測(cè)線，如圖10所示。檢波器間距設(shè)置為20 cm，偏移距亦為20 cm。采樣間隔20.833 μs，記錄時(shí)長(zhǎng)為0.171 s，采樣延遲為-0.002 7 s，每一組數(shù)據(jù)記錄8 192個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖10 測(cè)線布置圖

圖11為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集情況，由于夜間作業(yè)考慮運(yùn)營(yíng)線的安全，所有檢測(cè)人員以及設(shè)備均配有反光材料。數(shù)據(jù)采集設(shè)備集成在推車?yán)?。由于使用了陣?維數(shù)據(jù)采集技術(shù)，比傳統(tǒng)的基于彈性波的檢測(cè)方法檢測(cè)效率增加了4倍～5倍，可實(shí)現(xiàn)30 min檢測(cè)一塊軌道板。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集及檢波器陣列

3.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

基于有限元數(shù)值模擬的結(jié)果，CA砂漿層存在層間離隙病害時(shí)，波形響應(yīng)能量會(huì)明顯放大，數(shù)據(jù)分析采用波形分析法。波形分析法主要是按照檢波器的坐標(biāo)排列得到共偏移距波形剖面，根據(jù)波形(振幅大小、持續(xù)時(shí)間、豐度等)的變化來(lái)推斷介質(zhì)的變化。

數(shù)據(jù)分析的具體步驟可以分為預(yù)處理、波形處理、可視化處理、響應(yīng)能量及響應(yīng)能量放大系數(shù)平面分布。

1) 預(yù)處理：首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)提取、格式變換、加入檢波器位置信息，然后通過(guò)濾波、降噪等方法去除由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等原因引起的干擾波。

2) 波形剖面及成像處理：對(duì)同一條測(cè)線的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，把處理結(jié)果按照實(shí)際位置進(jìn)行排列繪制波形剖面。從波形剖面上可以直觀的看出波形形態(tài)及持續(xù)時(shí)間等變化。由于接收到的反射波振幅的大小、頻譜特性、持時(shí)特性取決于界面反射系數(shù)大小，因此通過(guò)響應(yīng)波形振幅大小、頻譜特性、持時(shí)特性的變化就可以推斷模型內(nèi)部介質(zhì)交界面上波阻抗變化，進(jìn)一步判斷內(nèi)部的介質(zhì)差異，是否存在疏松和脫空等缺陷。以同一條測(cè)線距離為橫軸，波形采樣時(shí)間為縱軸，以等高線或者顏色深淺來(lái)表示波形振幅值的大小，繪制成2維成像剖面圖，如圖12所示。通過(guò)可視化的成像剖面，可以直觀觀察到波形豐度、持續(xù)時(shí)間、能量大小等變化特性。L5測(cè)點(diǎn)5.7～6.5 m區(qū)域、L8測(cè)線2.2～3.5 m、5.8～6.5 m區(qū)域明顯持時(shí)長(zhǎng)、能量大，可以認(rèn)為該區(qū)域下部介質(zhì)可能存在疏松、空洞等缺陷。通過(guò)持時(shí)、能量特點(diǎn)，可以快速直觀的推斷下部介質(zhì)的變化情況。

3) 響應(yīng)能量放大系數(shù)分布：為了消除量綱及邊界效應(yīng)的影響，將每個(gè)測(cè)點(diǎn)的沖擊響應(yīng)能量除以同一條測(cè)線的最小沖擊響應(yīng)能量，獲得該測(cè)點(diǎn)的能量放大系數(shù)。將放大系數(shù)加入位置信息并展開在檢測(cè)區(qū)域平面內(nèi)。通過(guò)均值化、插值、平滑等處理后，得到檢測(cè)區(qū)域的響應(yīng)能量放大系數(shù)分布圖。

(a) L5測(cè)線結(jié)果

(b) L8測(cè)線結(jié)果

3.3 CA砂漿層層間離隙病害空間分布評(píng)價(jià)

圖13為檢測(cè)軌道板響應(yīng)能量放大系數(shù)分布圖。根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，以響應(yīng)能量放大倍率2.8為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以看到該軌道板下CA砂漿層存在大面積的層間離隙空間，病害分布區(qū)域達(dá)到了22%，且層間離隙空間分布存在貫通的可能性。檢測(cè)結(jié)果與軌道結(jié)構(gòu)側(cè)面目測(cè)結(jié)果(圖10)也有較好的對(duì)應(yīng)性。層間離隙病害的大面積分布，可能引起該軌道板的振動(dòng)加劇，使得今后高鐵的運(yùn)營(yíng)安全存在隱患。

根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果，對(duì)該軌道板下部層間離隙區(qū)域進(jìn)行整體注漿加固。加固后再次進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖14所示。結(jié)果表明，響應(yīng)波形放大倍率明顯降低，均小于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)2.8以下，說(shuō)明通過(guò)注漿等修復(fù)手段，CA砂漿層的層間離隙病害得到了良好的治理。

圖13 加固前檢測(cè)區(qū)域內(nèi)CA砂漿層間離隙病害空間分布

圖14 加固后檢測(cè)區(qū)域內(nèi)CA砂漿層間離隙病害空間分布

4 結(jié) 論

(1) 受到施工工藝、環(huán)境以及高速行駛等多種原因的影響，運(yùn)營(yíng)線路高鐵線下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了CA砂漿層層間離隙、貫穿裂縫及部分脫空等病害。隨著病害的空間分布的擴(kuò)展，有可能引起該軌道板的振動(dòng)、噪音加劇等問(wèn)題，導(dǎo)致高鐵的運(yùn)營(yíng)安全存在隱患。

(2) 通過(guò)有限元數(shù)值模擬，分析了CA砂漿層存在局部病害區(qū)域時(shí)的彈性波場(chǎng)特性，層間離隙病害的存在對(duì)沖擊響應(yīng)強(qiáng)度具有放大效應(yīng)。且其放大性依存于激發(fā)方式。采用沖擊響應(yīng)能量放大的特性可以準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)CA砂漿層層間離隙層間離隙病害的空間分布。

(3) 針對(duì)運(yùn)營(yíng)線檢測(cè)施工中的檢測(cè)速度快、安全要求高的特點(diǎn)，研發(fā)了拖曳式陣列3維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠達(dá)到30 min內(nèi)檢測(cè)一塊軌道板，并且快速的評(píng)價(jià)砂漿層內(nèi)部的病害分布。

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Typical defects’ analysis and nondestructive detection method for undertrack structures of high speed railways

ZHONG Pengfei, CHE Ailan, FENG Shaokong， ZHANG Tengyu

(School of Naval Architectural, Ocean and Civil Engineering; Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Along with the fast growth of operation time and mileage of China’s high-speed railways, many diseases and defects, such as, through cracks, segregations among layers, voids and so on appear in its underline structures. Due to effects of construction technology, high speed loading and negative pressure, segregations generally appear among CA mortar layers and there are serious cracks and damages locally. These diseases and defects may lead to overlarge vibration and safety problems of running carriages. Aiming at the defects’ characteristics of CA mortar layers in undertrack structures, a rapid detection method was proposed based on a detector array group for elastic wave propagation in multi-layer medium. Using the three-dimensional finite element simulation and field tests, this method’s key technical problems including evaluation standard, detection accuracy and efficiency were studied. The results showed that this method can be used to detect effectively the spatial distribution of segregations among CA mortar layers with advantages of convenient data acquisition, faster detecting speed and a higher accuracy.

high speed railway; CA mortar; segregations; elastic wave; fast detection method

國(guó)家自然科學(xué)基金(11372180)；中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃重大課題(2013G004-A-1)

2015-11-25 修改稿收到日期：2016-03-28

鐘鵬飛 男，碩士生，1988年1月生

車愛(ài)蘭 女，博士，教授，1969年12月生

TH212; TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.11.024