唐小冬, 羅技明, 陳宇朋

( 四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司， 四川 自貢 643000)

引 言

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道總體結(jié)構(gòu)方案為帶擋肩的新型單元板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，主要由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、配筋的自密實(shí)混凝土(自流平混凝土調(diào)整層)、限位擋臺(tái)、中間隔離層(土工布)和鋼筋混凝土底座等部分組成[1]。

CRTSⅢ型板在施工過(guò)程中預(yù)制軌道板與調(diào)整層間的結(jié)合程度是施工中主要控制指標(biāo)之一。然而，在施工過(guò)程中，自密實(shí)混凝土與上面的軌道板之間容易出現(xiàn)大氣泡、疏松等問(wèn)題。而在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于溫度應(yīng)力、施工不良等原因，自密實(shí)混凝土與軌道板之間則容易產(chǎn)生脫空等問(wèn)題，導(dǎo)致列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)存在安全隱患[2]。因此，用一種可靠且高效的檢測(cè)手段檢測(cè)軌道板與調(diào)整層之間是否存在脫空是非常重要且必要的。

然而CRTSⅢ型軌道板應(yīng)用是2010年底才正式定型，目前國(guó)內(nèi)軌道板脫空檢測(cè)相關(guān)研究為數(shù)不多。2011年，魏祥龍[3]等通過(guò)探地雷達(dá)選擇900 M天線檢測(cè)出了道床板與支承間脫空和道床板的混凝土缺陷。2015年，李軍[4]使用探地雷達(dá)法對(duì)無(wú)砟軌道支承層底部存在的缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，并在缺陷處理后對(duì)缺陷處理效果進(jìn)行了檢測(cè)。2015年，楊鴻凱[5]等利用彈性波法，通過(guò)分析波形能量比、卓越頻譜比的變化，評(píng)價(jià)了預(yù)設(shè)軌道板與支承層、支承層與路基間的脫空病害。2015年，張春毅[6]等通過(guò)瞬態(tài)機(jī)械阻抗法，從導(dǎo)納頻譜曲線變化、平均導(dǎo)納值分析識(shí)別出軌道板底支撐情況，可以對(duì)脫空的存在進(jìn)行檢測(cè)。2016年，廖紅建[7]等通過(guò)探地雷達(dá)正演模擬和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試，很好的識(shí)別了CA砂漿填充狀態(tài)。2017年，楊勇[8]通過(guò)探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，建立了鋼筋下部空洞病害回波模型，討論了電磁波波速特征和目標(biāo)回波方向性特征提取算法，提出了基于方向?yàn)V波器的CA砂漿層空洞病害檢測(cè)識(shí)別體系。2018年，武思思[9]通過(guò)分析沖擊荷載作用下的無(wú)砟軌道板振動(dòng)響應(yīng)特征，用支持向量機(jī)建立了脫空類(lèi)別損傷檢測(cè)辨識(shí)模型，實(shí)現(xiàn)了脫空類(lèi)別的辨識(shí)。

盡管高鐵軌道板病害相關(guān)研究開(kāi)展了多年，但是還缺乏一種較成熟的Ⅲ型板脫空檢測(cè)技術(shù)?，F(xiàn)有軌道板脫空檢測(cè)技術(shù)大多基于探地雷達(dá)技術(shù)，由于Ⅲ型板鋼筋分布密集，探地雷達(dá)測(cè)試信號(hào)受鋼筋影響大，信號(hào)分析難度大，在Ⅲ型板脫空檢測(cè)中應(yīng)用少。基于沖擊彈性波的軌道板脫空檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)應(yīng)用相對(duì)較多，工程實(shí)踐也表明沖擊彈性波是一種針對(duì)Ⅲ型板脫空或離縫檢測(cè)較為理想的媒介[10]。

基于沖擊彈性波的軌道板脫空檢測(cè)方法沖擊回波法[11](IE)，該方法對(duì)材料的力學(xué)性能敏感，受混凝土內(nèi)鋼筋的影響較小，能準(zhǔn)確的反映出出軌道板有無(wú)脫空以及脫空的位置。由于沖擊回波法是單點(diǎn)式采集數(shù)據(jù)且要求傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)物良好接觸，因此其測(cè)試效率受到了限制。為了提高效率以及精確性，對(duì)信號(hào)采集端進(jìn)行了研究，提出沖擊回波聲頻法(Impact Acoustic Echo method，IAE)這一新技術(shù)，彌補(bǔ)了沖擊回波法的不足，能有效提高軌道板脫空檢測(cè)的測(cè)試效率，通過(guò)前期實(shí)際應(yīng)用和驗(yàn)證，證明沖擊回波聲頻法在CRTSⅢ型軌道板脫空檢測(cè)中具有高效率和高可靠性。

1 沖擊回波聲頻法原理及測(cè)試方法

1.1 沖擊回波聲頻法原理

沖擊回波法以沖擊彈性波為媒介，利用彈性波在被測(cè)結(jié)構(gòu)物中多次反射特性，通過(guò)頻譜分析方法來(lái)確定被測(cè)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)、厚度及缺陷。

沖擊回波聲頻法是在彈性波沖擊回波法和打聲法[12]基礎(chǔ)上研發(fā)的，基于聲頻的非接觸、移動(dòng)式的工程無(wú)損檢測(cè)方法。該方法是對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的測(cè)試部位激振并誘發(fā)振動(dòng)以及聲響，通過(guò)廣頻域、高指向拾音裝置拾取該聲音信號(hào)，并通過(guò)差分處理計(jì)算空氣柱[13]的加速度。

空氣柱基本方程：

(1)

其中，ρ(x,t)、v(x,t)分別為該當(dāng)位置、時(shí)間的密度和流速。

由于氣體的流速很小，可以表示為靜止氣體密度ρ0和變化量ρ′(x,t)之和：

ρ(x,t)=ρ0+ρ′(x,t)

(2)

據(jù)此，式(1)可以簡(jiǎn)化為：

(3)

由于氣體的密度變化會(huì)導(dǎo)致壓力P和體積V的變化，因此引入壓縮率κ來(lái)表述：

(4)

κ的倒數(shù)即為空氣的壓縮模量。同樣，壓力的變化也可以表示為靜止氣體壓力與變化量之和：

P(x,t)=P0+P′(x,t)

(5)

據(jù)此，可得：

ρ′(x,t)=κρ0P′(x,t)

(6)

忽略2次項(xiàng)后，空氣柱的加速度a由下式確定：

(7)

由于該加速度與被測(cè)結(jié)構(gòu)表面的加速度有密切的相關(guān)性，因此分析該加速度信號(hào)即可達(dá)到快速、準(zhǔn)確了解測(cè)試結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況的目的。

1.2 沖擊回波聲頻法測(cè)試方法

沖擊回波聲頻法與沖擊回波法測(cè)試方法相同，均是利用軌道板、調(diào)整層本身材質(zhì)的特性以及機(jī)械阻抗的差異，用傳感器及激振裝置在軌道板表層進(jìn)行信號(hào)的激發(fā)和接收。

圖1 軌道板脫空檢測(cè)示意圖

圖2 彈性波在介質(zhì)面的透過(guò)與反射

通過(guò)機(jī)械阻抗差異，可計(jì)算反射率R：

(8)

當(dāng)軌道板與調(diào)整層間有脫空或泡沫層時(shí)，相當(dāng)于存在一個(gè)空氣夾層，軌道板與空氣的阻抗差異較大，故大部分彈性波信號(hào)會(huì)在該脫空或泡沫層區(qū)域發(fā)生反射；當(dāng)軌道板與調(diào)整層結(jié)合程度很好時(shí)，Ⅲ型軌道板為C60混凝土，彈性模量36 GPa，自密實(shí)混凝土為C40混凝土，彈性模量30 GPa左右，兩者阻抗差異較小，大部分信號(hào)將穿過(guò)調(diào)整層繼續(xù)沿底座板向下傳播，而少部分彈性波信號(hào)則在軌道板與調(diào)整層界面發(fā)生反射，但反射的彈性波信號(hào)成分較少。

將測(cè)試信號(hào)使用高分辨率頻譜處理方法MEM[14](最大熵值法)進(jìn)行分析處理，提取出反射信號(hào)[15]，再通過(guò)信息成像技術(shù)根據(jù)反射信號(hào)的位置及強(qiáng)弱，輸出直觀的彩色平面結(jié)果圖，結(jié)果圖中的暖色調(diào)區(qū)域表示該區(qū)域軌道板存在脫空，冷色調(diào)區(qū)域表示軌道板無(wú)脫空。

圖3 軌道板脫空檢測(cè)結(jié)果示意圖

(9)

根據(jù)Li和分位點(diǎn)α，即作為脫空與否的參考判定基準(zhǔn)。

跟沖擊回波法相比較，沖擊回波聲頻法不同之處在于采用音頻傳感器。沖擊回波法采用傳統(tǒng)的加速度傳感器，需要將傳感器固定在被測(cè)結(jié)構(gòu)物表面，測(cè)試時(shí)受測(cè)試表面的狀態(tài)(有浮漿、灰塵、砂礫等)影響，同時(shí)沖擊回波法是單點(diǎn)式采集，其效率相對(duì)較低。而沖擊回波聲頻法采用音頻傳感器，不必接觸被測(cè)結(jié)構(gòu)物表面，還可以移動(dòng)式連續(xù)采集數(shù)據(jù)[16]。

2 沖擊回波聲頻法相比沖擊回波法優(yōu)勢(shì)理論分析

沖擊回波聲頻法檢測(cè)與沖擊回波法檢測(cè)的對(duì)象均遵循介質(zhì)中彈性波的傳播規(guī)律，測(cè)試的也是表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)特性。不同之處在于傳感器耦合方式，以及系統(tǒng)的共振特性。

2.1 非接觸式耦合

沖擊回波法是通過(guò)拾振傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)物直接接觸或者耦合劑耦合接觸等方式接收測(cè)試信號(hào)，不同的耦合方式對(duì)固有頻率[17]有明顯的影響。

圖4 不同耦合接觸方式對(duì)固有頻率的影響

圖5 聲頻拾取裝置示意圖

拾音器到結(jié)構(gòu)面這段空氣柱的第k階固有頻率fk計(jì)算如下：

(10)

式中ρ0為靜止氣體密度；L為氣柱長(zhǎng)度；κ為壓縮率。

沖擊回波聲頻法不再沿用傳統(tǒng)的信號(hào)接收方式，改用非接觸式測(cè)試。因此其固有頻譜特性不會(huì)改變，這不僅避免了接觸式測(cè)試產(chǎn)生的誤差，而且可用于移動(dòng)測(cè)試，有利于提高測(cè)試精度及效率。

2.2 無(wú)系統(tǒng)共振

常用的加速度傳感器如圖4所示，有明顯的固有頻率峰值，而拾音器的頻譜上一般沒(méi)有明顯的共振峰值(圖6)，這減少了傳感器固有頻率對(duì)數(shù)據(jù)處理頻譜分析時(shí)的干擾。

圖6 麥克風(fēng)頻譜曲線

2.3 PPR材料測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)

對(duì)室內(nèi)PPR材料進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，如圖7所示。本次測(cè)試分別采用S31SC傳感器及聲頻裝置進(jìn)行測(cè)試，對(duì)其頻譜圖進(jìn)行了對(duì)比。

圖7 PPR材料被測(cè)對(duì)象

分別采用傳統(tǒng)加速度傳感器與音頻傳感器對(duì)PPR材料進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，聲頻測(cè)試方法對(duì)PPR測(cè)試頻譜分析時(shí)，傳感器固有頻率干擾小，且能較清晰識(shí)別底部反射信號(hào)；接觸式耦合的加速度傳感器測(cè)試頻譜分析時(shí)，傳感器固有頻率干擾很大，幾乎掩蓋了底部反射信號(hào)。

可見(jiàn)，在此條件下，IAE法的分析品質(zhì)優(yōu)于IE法。

表1PPR材料測(cè)試頻譜分析結(jié)果對(duì)比表

3 沖擊回波聲頻法在Ⅲ型軌道板脫空檢測(cè)中的應(yīng)用研究

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)對(duì)象

本次測(cè)試對(duì)象是在建的鄭阜高鐵CRTSⅢ型板，如圖8所示。軌道板和調(diào)整層已施工完成但還未鋪軌，板的尺寸為4.96(或者5.60) m×2.5 m×0.2 m(長(zhǎng)×寬×高)。在不同的里程段共隨機(jī)測(cè)試了274塊板，主要測(cè)試自密實(shí)混凝土與軌道板的結(jié)合情況，并對(duì)測(cè)試結(jié)果中部分脫空占比較高的板進(jìn)行了揭板驗(yàn)證。

圖8 測(cè)試對(duì)象照片

圖9 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.2 兩種方法檢測(cè)效率對(duì)比

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)兩種方法進(jìn)行了對(duì)比，聲頻檢測(cè)裝置有輪式和支撐式，本次測(cè)試采用支撐式。測(cè)點(diǎn)布置及檢測(cè)裝置分別如圖9、10所示。

圖10 兩種IAE檢測(cè)裝置示意圖

表2 檢測(cè)效率對(duì)比結(jié)果

同一組檢測(cè)人員檢測(cè)相同數(shù)量的測(cè)點(diǎn)，使用沖擊回波法檢測(cè)耗時(shí)大概20分鐘，采用沖擊回波聲頻法檢測(cè)耗時(shí)大概10分鐘，后者由于音頻傳感器是非接觸式耦合，不受測(cè)點(diǎn)表面平整度影響，可連續(xù)采集，因此更省時(shí)間，測(cè)試效率更高。

3.3 兩種方法檢測(cè)結(jié)果可靠性對(duì)比及揭板驗(yàn)證

檢測(cè)結(jié)果的平面成像及現(xiàn)場(chǎng)揭板驗(yàn)證如圖11～14所示：

圖11 203#-右4板沖擊回波法測(cè)試結(jié)果圖

圖12 203#-右4板沖擊回波聲頻法測(cè)試結(jié)果圖

從圖12中可以看出，相同閾值參數(shù)下，沖擊回波聲頻法對(duì)軌道板脫空區(qū)域反射的能量更強(qiáng)，顏色更暖，表明對(duì)軌道板脫空更加敏感。

平面結(jié)果圖11～13中黑色標(biāo)記框內(nèi)為鑿開(kāi)區(qū)域，紅色標(biāo)記圈內(nèi)為驗(yàn)證區(qū)域。

圖13 203#-右4板測(cè)試結(jié)果缺陷區(qū)域圖

圖14 203#-右4板揭板驗(yàn)證照片

3.4 檢測(cè)結(jié)果分析

在檢測(cè)結(jié)果分析時(shí)，根據(jù)已建立的判定基準(zhǔn)來(lái)判斷被測(cè)對(duì)象是否存在脫空。此次共檢測(cè)了274塊板，其中明顯脫空面積占整板面積比例在2%以下(小于2%)的174塊板，2%～5%的有67塊板，5%～10%的有23塊板，10%以上(大于等于10%)的有10塊板，如圖15所示。

圖15 檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)柱狀圖

對(duì)部分脫空面積超過(guò)2%的板進(jìn)行了揭板驗(yàn)證。揭板結(jié)果表明，自密實(shí)混凝土與軌道板結(jié)合面上，和圖13中對(duì)應(yīng)的地方，紅色區(qū)域因存在離縫脫空，沖擊彈性波絕大部分在分界面反射回來(lái)而呈現(xiàn)紅色；藍(lán)色區(qū)域?qū)娱g結(jié)合較好無(wú)脫空，只有部分工藝性小氣孔，沖擊彈性波絕大部分在分界面透射過(guò)去而呈現(xiàn)藍(lán)色；綠色(淺黃色)區(qū)域存在泡沫層或氣孔較多，沖擊彈性波大部分在分界面透射過(guò)去，少部分反射回來(lái)而呈現(xiàn)綠色(淺黃色)。

通過(guò)兩種方法測(cè)試對(duì)比及揭板驗(yàn)證，沖擊回波聲頻法提高了檢測(cè)效率，同時(shí)檢測(cè)結(jié)果更趨于實(shí)際，可靠性也有相應(yīng)提升。

4 結(jié) 論

(1)軌道板脫空是無(wú)砟軌道CRTSⅢ型板目前普遍存在的一種病害，嚴(yán)重時(shí)危及行車(chē)安全。而基于沖擊回波聲頻法的軌道板脫空無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該方法能直觀、高效、準(zhǔn)確地檢測(cè)出軌道板與調(diào)整層之間的有無(wú)脫空以及脫空位置。

(2)沖擊回波聲頻法在Ⅲ型板脫空檢測(cè)中應(yīng)用時(shí)，用拾音器替換了加速度傳感器，采用非接觸式耦合方式，與已有的沖擊回波法相比較，不但避免了傳感器固有頻率對(duì)測(cè)試結(jié)果頻譜分析時(shí)的干擾，對(duì)脫空也更加敏感，在測(cè)試精度和測(cè)試效率上都有提高。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用及驗(yàn)證表明，沖擊回波聲頻法有利于CRTSⅢ型軌道板與調(diào)整層間結(jié)合質(zhì)量的提高，保障行車(chē)安全，同時(shí)，也有利于推進(jìn)高速鐵路中Ⅲ型板脫空無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的完善。