潘龍江

(哈大鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110002)

隨著高速鐵路投產(chǎn)運(yùn)營時(shí)間的延長，無砟軌道底座板鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了裂紋、粉化、掉塊等問題。特別是哈大高速鐵路(哈大客運(yùn)專線)地處高寒地區(qū)，四季溫差和晝夜溫差比較大，無砟軌道底座板在環(huán)境溫度應(yīng)力、反復(fù)凍融和列車高頻振動應(yīng)力耦合作用下，個(gè)別地段襟邊表面出現(xiàn)粉化現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為面層混凝土出現(xiàn)脫皮、露砂、掉塊、缺損、露石甚至露筋等。

無砟軌道底座板位于隱蔽部位，同時(shí)又是直接承受軌道板荷載的部位，因此其傷損情況引人關(guān)注。李化建等[1]針對哈大客運(yùn)專線底座板混凝土傷損進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在底座板出現(xiàn)不同程度粉化的情況下，底座板混凝土抗壓強(qiáng)度有不同程度的降低，抗凍性嚴(yán)重不足，已不滿足相關(guān)規(guī)范的要求[2]。冬季降溫過程以及列車荷載作用可能引起底座板裂紋超限，嚴(yán)寒地區(qū)大溫差環(huán)境將降低其使用耐久性。因此，提出一種底座板混凝土劣化檢測手段顯得尤為重要。

本文引入了彈性波CT法對哈大客運(yùn)專線底座板混凝土劣化情況進(jìn)行檢測、追蹤和監(jiān)測。彈性波CT法克服了鉆孔取芯檢測對結(jié)構(gòu)的損傷程度大、代表性差、無法監(jiān)測混凝土劣化發(fā)展過程的缺點(diǎn)。2種方法的檢測精度基本一致。近年來國內(nèi)外做了大量研究，不斷將這種方法應(yīng)用到混凝土質(zhì)量監(jiān)測中[3-9]。因此，在高速鐵路運(yùn)營線路上推廣彈性波CT法檢測無砟軌道底座板混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量意義重大。

1 彈性波CT法基本原理

彈性波層析掃描(Computerized Tomography)，簡稱彈性波CT法，是一種能夠簡單、迅速檢測結(jié)構(gòu)內(nèi)部混凝土強(qiáng)度的無損檢測技術(shù)。彈性波CT法的根本原理是投影成像。若結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)損傷，材料性質(zhì)發(fā)生變化，彈性波經(jīng)過損傷區(qū)域時(shí)傳播時(shí)間增加，波速降低。分析采集的彈性波數(shù)據(jù)，利用代數(shù)重建法(ART)及最小二乘QR分解法(LSQR)等算法進(jìn)行反演，確定結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彈性波速分布情況，從而實(shí)現(xiàn)對混凝土質(zhì)量和結(jié)構(gòu)內(nèi)部傷損的檢測評估。

1.1 試驗(yàn)測試

采用彈性波CT法檢測無砟軌道底座板結(jié)構(gòu)時(shí)，選取底座板兩側(cè)對立面布置測點(diǎn)，在一側(cè)布置激振點(diǎn)(激振源)，在結(jié)構(gòu)相對的另一側(cè)布置受信點(diǎn)(高靈敏度加速度傳感器)，如圖1所示。

圖1 內(nèi)部測試示意

對于彈性波CT法其測線的布置可采用交叉布置和平行布置2種形式。交叉布置測線較多，測試精度和分辨率較高，但該布線方式測試效率相對較低；平行布線由于測線較少，測試精度和分辨率較低，但是該測試方法效率很高。因此，實(shí)際測試中，既要考慮精度和分辨率，也需考慮測試效率。本次測試采用交叉布線方式(見圖2)。

彈性波CT法測試得到的彈性波波速與混凝土材料特性之間的關(guān)系式為[10]

圖2 交叉布線

式中:Vp3為三維空間中的彈性波波速；Ed為混凝土動彈性模量；ρ為混凝土密度；μ為混凝土的動泊松比。

1.2 彈性波CT反演

彈性波CT法利用彈性波速度的分布來評價(jià)混凝土的質(zhì)量和判斷混凝土內(nèi)部可能存在的缺陷。由于動彈性模量反映動荷載作用下混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，能夠有效地反映混凝土結(jié)構(gòu)損傷，因此采用動彈性模量作為彈性波反演指標(biāo)之一。其結(jié)果分析處理分3個(gè)階段進(jìn)行:①通過彈性波速度的分布反演結(jié)構(gòu)的動彈性模量；②利用動靜彈性模量的關(guān)系得到靜彈性模量；③靜彈性模量與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度成正相關(guān)，以此來評價(jià)混凝土質(zhì)量。

通過檢測已知彈性波CT的三維空間內(nèi)的波速，可得到混凝土的動彈性模量Ed。計(jì)算式為

式中:ρ可取 2 400 kg/m3；μ取 0.2。

利用動靜彈性模量的關(guān)系，將計(jì)算得到的混凝土動彈性模量轉(zhuǎn)換為靜彈性模量Ec。計(jì)算式為

將混凝土靜彈性模量換算成立方體抗壓強(qiáng)度[11]，并與鉆芯試驗(yàn)所測混凝土立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比。換算式為

式中:fcu.k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度值；σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。

2 工程實(shí)例分析

2017年7月7—10日對哈大客運(yùn)專線K331(遼陽站附近)無砟軌道底座板質(zhì)量采用了彈性波CT法進(jìn)行了檢測，共檢測底座板內(nèi)部的質(zhì)量及損傷狀況15處。

2.1 底座板的選定

為便于判定并統(tǒng)一判定標(biāo)準(zhǔn)，本次標(biāo)定波速測試及混凝土質(zhì)量檢測對象指定在K331附近進(jìn)行選取。步驟如下:

1)首先采取透過法，對外觀狀況分別為好、露筋、兩側(cè)粉化3種工況的5塊底座板進(jìn)行彈性波波速標(biāo)定，為減小誤差，選取2塊外觀狀況為好的底座板，每一塊板標(biāo)定2次。波速標(biāo)定用板具體情況見表1。

表1 波速標(biāo)定用板

2)然后采取交叉布線法，對外觀狀況分別為好、較好、一般、兩側(cè)粉化4種工況的15塊底座板進(jìn)行彈性波CT法檢測。另外，根據(jù)現(xiàn)場情況選擇一塊修補(bǔ)后的底座板進(jìn)行了對比檢測。為減小誤差，對該板檢測2次。檢測板情況見表2。

表2 K331附近檢測板情況

2.2 標(biāo)定波速測試及缺陷波速定義

彈性波波速標(biāo)定結(jié)果見表3。

表3 波速標(biāo)定結(jié)果

根據(jù)波速標(biāo)定情況，擬將低于完好底座板標(biāo)定波速90%即波速低于3.947 km/s判定為明顯缺陷，低于標(biāo)定波速95%即波速低于4.166 km/s判定為疑似缺陷。定義缺陷指數(shù)為

式中:Ipk為平均缺陷指數(shù)；N為每個(gè)測區(qū)網(wǎng)格布線總數(shù)；Ii為每條測線所測混凝土缺陷指數(shù)。如果混凝土疑似損傷，缺陷指數(shù)取0.5；如果混凝土明顯損傷，缺陷指數(shù)取1；如果混凝土無損傷，缺陷指數(shù)取為0。

2.3 底座板內(nèi)部檢測結(jié)果云圖

各底座板具體檢測云圖見圖3，圖的左側(cè)均為哈爾濱方向。

圖3 K331附近底座板檢測結(jié)果

2.4 彈性波CT法與鉆芯法結(jié)果對比

利用上述方法分析各無砟軌道底座板測點(diǎn)數(shù)據(jù)，具體結(jié)果如表4所示。

表4 底座板CT法測試結(jié)果

表5、圖4是2種方法測得的抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值的對比?？梢姡啾扔谕庥^一般底座板，當(dāng)?shù)鬃寤炷练刍瘒?yán)重時(shí)，彈性波CT法檢測結(jié)果與鉆孔取芯結(jié)果更接近，而且兩者呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，說明兩種方法的試驗(yàn)結(jié)果在統(tǒng)計(jì)意義上是基本一致的。

表5 抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值的對比 MPa

圖4 抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)值對比

3 結(jié)論

通過利用彈性波CT法檢測評估哈大線路無砟軌道底座板混凝土結(jié)構(gòu)病害，系統(tǒng)分析對比了其與鉆孔取芯法實(shí)測結(jié)果。主要結(jié)論如下:

1)無砟軌道混凝土底座板外觀與內(nèi)部混凝土強(qiáng)度有較高的相關(guān)關(guān)系。大多數(shù)情況下，當(dāng)外觀有粉化現(xiàn)象時(shí)，內(nèi)部混凝土也有不同程度的損傷。

2)彈性波CT法與鉆孔試驗(yàn)結(jié)果對比表明，前者所測混凝土抗壓強(qiáng)度總體上最大值偏大，最小值偏小，粉化時(shí)平均值相近，總體呈明顯正相關(guān)，兩者的試驗(yàn)結(jié)果在統(tǒng)計(jì)意義上是基本一致的。

3)彈性波CT法作為一種無損檢測技術(shù)，能夠簡單迅速檢測到隱蔽在軌道板下的底座板混凝土內(nèi)部的質(zhì)量缺陷，結(jié)合檢測云圖基本能夠判定出內(nèi)部混凝土缺陷的位置。

4)彈性波CT法能夠針對典型底座板位置進(jìn)行連續(xù)性的檢測，從而把握內(nèi)部混凝土劣化的發(fā)展速度。是高速鐵路無砟軌道底座板混凝土結(jié)構(gòu)服役期進(jìn)行狀態(tài)檢測的重要手段，值得推廣應(yīng)用。