楊萃娜 凌海東 趙磊 韓洪興 陳凡 陳霆 劉濤

1.新鄉(xiāng)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督管理局上海監(jiān)督站，上海 200071；3.中國(guó)鐵路昆明局集團(tuán)有限公司滇南鐵路建設(shè)指揮部，云南 玉溪 653100；4.四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，成都 610045

我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道線路主要分為板式和雙塊式兩種。其中，CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道在京津、京滬、滬杭甬線、滬昆、石武等高速鐵路上得到應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)里程達(dá)數(shù)千公里。

CRTSⅡ型軌道板一般采用縱連結(jié)構(gòu)體系，每?jī)蓧K軌道板間通過(guò)現(xiàn)澆混凝土連接，其連接部位即為后澆帶。在季節(jié)變換時(shí)期氣溫晝夜溫差加大，軌道板內(nèi)溫度應(yīng)力驟然變化，導(dǎo)致軌道板內(nèi)應(yīng)力極度不均，從而造成后澆帶受反復(fù)拉壓作用而破損。此外，后澆帶質(zhì)量不達(dá)標(biāo)或者接縫張拉鎖件安設(shè)不標(biāo)準(zhǔn)同樣會(huì)加劇接縫處的擠壓破碎現(xiàn)象。一旦后澆帶出現(xiàn)破損，軌道板會(huì)處于偏心受壓狀態(tài)，引起軌道板上拱，導(dǎo)致線路不平順，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及行車(chē)安全［1］。

目前常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法包括超聲波法、雷達(dá)法以及沖擊彈性波法。前兩種方法因受鋼軌及軌道板中鋼筋的影響很難進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)精度也較差，基本無(wú)法檢測(cè)出軌道板的后澆帶是否存在損傷。相對(duì)而言，沖擊彈性波的頻率雖低，但其受鋼筋的影響較小，且沖擊彈性波能量較大，彈性波（P波）波速與混凝土的強(qiáng)度、彈性模量具有較好的相關(guān)關(guān)系［1］，適用于檢測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本文主要介紹基于沖擊彈性波法的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在無(wú)砟軌道板后澆帶損傷檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 后澆帶結(jié)構(gòu)及檢測(cè)難點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)及損傷特性

CRTSⅡ型軌道板后澆帶（圖1）采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，下表面與底座板相接，左右兩側(cè)與軌道板相連，主要起到連接和固定軌道板的作用，防止軌道板產(chǎn)生錯(cuò)位、偏移。

圖1 CRTSⅡ型軌道板結(jié)構(gòu)后澆帶（單位：mm）

從后澆帶的布局結(jié)構(gòu)可知，由于受到車(chē)輛行駛的壓力、晝夜溫差、雨水等外界因素的影響，容易導(dǎo)致后澆帶損傷的情況主要有：①后澆帶本身出現(xiàn)粉化、破損；②后澆帶與軌道板結(jié)合處出現(xiàn)脫空。

后澆帶與軌道板間的脫空非常常見(jiàn)。如有雨水浸入，在列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)水會(huì)被拍打而產(chǎn)生急劇的壓力變化。該壓力變化作為循環(huán)荷載，會(huì)加劇后澆帶混凝土的老化和損傷，而達(dá)到一定程度后又會(huì)降低混凝土對(duì)連接精軋螺紋鋼的保護(hù)作用，進(jìn)而加劇螺紋鋼銹蝕、降低縱連效果。

對(duì)后澆帶混凝土的損傷和老化特性的檢測(cè)和評(píng)估，有助于把握其對(duì)精軋螺紋鋼的保護(hù)能力，對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道健全性的整體評(píng)估有重要意義。

1.2 常見(jiàn)缺陷類(lèi)型及分析

后澆帶混凝土及沖擊彈性波反射歸納為四種情況：①健全狀態(tài)。激發(fā)的沖擊彈性波僅在后澆帶下方的砂漿層發(fā)生反射，與軌道板下方砂漿層的反射基本相同。②后澆帶與軌道板之間產(chǎn)生脫空。激發(fā)的沖擊彈性波在兩者之間的脫空面發(fā)生反射。在混凝土強(qiáng)度未降低時(shí)，底部脫空面的反射時(shí)間要短于底部砂漿層的反射時(shí)間。③后澆帶與軌道板之間未產(chǎn)生脫空，但其混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重降低。激發(fā)的沖擊彈性波在砂漿層發(fā)生反射，且其反射時(shí)間要長(zhǎng)于軌道板在砂漿層的反射時(shí)間。④后澆帶與軌道板之間產(chǎn)生脫空，且其混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重降低。激發(fā)的沖擊彈性波在兩者之間的脫空面發(fā)生反射。但是，底部脫空面的反射時(shí)間不一定短于底部砂漿層的反射時(shí)間，因而難以判定。此時(shí)，應(yīng)采用基于沖擊彈性波的沖擊回波法（Impact Echo，IE 法）或多測(cè)線波速分離的方法來(lái)檢測(cè)混凝土的狀態(tài)。

1.3 檢測(cè)難點(diǎn)

由于CRTSⅡ型軌道板后澆帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在檢測(cè)過(guò)程中存在的測(cè)試難點(diǎn)有：①受內(nèi)部鋼筋影響，超聲波法測(cè)試誤差大，無(wú)法定量評(píng)估；②有損傷的后澆帶表面不平整，不適合使用回彈法進(jìn)行測(cè)試；③沖擊彈性波（傳播法）受兩側(cè)軌道板的折射影響。

后澆帶與軌道板密切接觸時(shí)，由于軌道板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度高于后澆帶，且軌道板的傷損一般更輕微，使得在軌道板中傳播的彈性波波速要快于后澆帶。在一定條件下會(huì)形成折射，測(cè)試得到的表觀波速大于實(shí)際波速，從而低估后澆帶的傷損和老化程度，造成較大的偏差。

2 基于沖擊彈性波的后澆帶傷損檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法

沖擊彈性波法作為一種有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手段，在水利、鐵路、公路等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，并有多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［2］。

針對(duì)后澆帶損傷位置及缺陷類(lèi)型，采用彈性波的P 波傳播法測(cè)試后澆帶損傷及強(qiáng)度。測(cè)試流程為：得到表觀P波波速→分離出在后澆帶中的P波成分并得到波速→根據(jù)三維理論得到混凝土動(dòng)彈性模量Ed→計(jì)算混凝土強(qiáng)度及老化指數(shù)。

通過(guò)多測(cè)線信息消除折射信號(hào)的影響，測(cè)線布置如圖2所示。其中，Vd為底座板邊緣部位波速，為實(shí)測(cè)值；Vh為后澆帶中彈性波波速；H為后澆帶寬度的1∕2，為已知值。

圖2 后澆帶測(cè)試示意

2.1 后澆帶中傳播信號(hào)的分離及波速計(jì)算

后澆帶中彈性波波速的測(cè)試步驟為：①布置好S1、S2、S3 傳感器，使其穩(wěn)固安裝在后澆帶及左右底座板上；②用S1、S2、S3 傳感器同步采集震源1 激振的信號(hào)；③如果傳感器S2、S3 得到的信號(hào)幅值遠(yuǎn)小于S1 得到的信號(hào)幅值，則說(shuō)明軌道板、底座板與后澆帶存在脫空，此時(shí)傳感器S1直達(dá)波線所獲取的波速與后澆帶實(shí)際狀態(tài)吻合，可直接采用Vh對(duì)后澆帶質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)；④如果傳感器S1、S2、S3 得到的信號(hào)幅值相差不大，此時(shí)應(yīng)在震源2、震源3處進(jìn)行激發(fā)，分別測(cè)得軌道板上的波速Vd：⑤如果獲取的波速存在Vh≥Vd，則直接采用Vh對(duì)后澆帶質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)（這種情形很少）；若Vh＜Vd應(yīng)當(dāng)按照折線路徑的綜合波速分離出Vh，計(jì)算式為

式中：T0為震源1 到S1 的傳播時(shí)間，為測(cè)試值；G為后澆帶長(zhǎng)度，為已知值；sinθ=Vh∕Vd。

通過(guò)計(jì)算得出Vh，進(jìn)而考慮鋼筋加以修正即可推算混凝土的性能。

2.2 基于動(dòng)彈性模量的后澆帶損傷評(píng)估方法

后澆帶損傷的評(píng)估指標(biāo)有很多，但最重要的指標(biāo)是其軸心抗壓強(qiáng)度Sc和彈性模量Ec。Sc一般采用立方體標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)得，試件的測(cè)試方法較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用最為廣泛。但對(duì)于實(shí)體結(jié)構(gòu)，難以直接測(cè)試其強(qiáng)度。為此，在上述彈性波波速的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，通過(guò)推算混凝土的動(dòng)彈性模量以及抗壓強(qiáng)度，可以對(duì)后澆帶的損傷情況加以評(píng)估。

動(dòng)彈性模量Ed是混凝土材料重要的耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)?？啥x損傷指數(shù)Dc為

式中：Dc為混凝土損傷指數(shù)；Ed為現(xiàn)場(chǎng)損傷（疲勞）狀態(tài)下后澆帶混凝土的動(dòng)彈性模量；Ed0為健全部位后澆帶混凝土的動(dòng)彈性模量，即無(wú)損傷狀態(tài)的基準(zhǔn)值。

當(dāng)后澆帶混凝土健全時(shí)，損傷指數(shù)Dc=0，Dc值越大表明損傷程度越嚴(yán)重。

Ed可通過(guò)三維彈性波P 波的傳播理論，由波速計(jì)算得到，計(jì)算式為

式中：ρ為混凝土的密度，取2 400 kg∕m3；μd為混凝土的動(dòng)泊松比，取0.25。

Ed0則可通過(guò)對(duì)無(wú)損傷后澆帶的測(cè)試得到。當(dāng)后澆帶混凝土的強(qiáng)度等級(jí)與底座板相同時(shí)，也可采用底座板波速Vd推算的Ed值來(lái)代替。

研究證明，基于沖擊彈性波的混凝土動(dòng)彈性模量測(cè)試具有較高的精度［3］，因此，采用本方法從理論上可有效地評(píng)估后澆帶的傷損狀況。

2.3 后澆帶混凝土強(qiáng)度的測(cè)試方法

由于彈性模量與抗壓強(qiáng)度均屬于混凝土本身的力學(xué)特性指標(biāo)，二者具有良好的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，混凝土彈性模量與抗壓強(qiáng)度等級(jí)的關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 混凝土強(qiáng)度等級(jí)與其彈性模量的關(guān)系

表1 中為彈性模量而非動(dòng)彈性模量，無(wú)法直接用于沖擊彈性波檢測(cè)。為此，姜勇等［4］提出基于Sigmoid曲線的fcu?Ed模型，即

式中：fcu為混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；fc0為混凝土最小抗壓強(qiáng)度，fc0= 5 MPa；δfc為最大混凝土強(qiáng)度與最小抗壓強(qiáng)度的差值，取80 MPa；EA為Sigmoid 曲線中點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)彈性模量，GPa；λ為形狀決定系數(shù)，一般可取5.5。

根據(jù)式（4）計(jì)算得到混凝土動(dòng)彈性模量，進(jìn)一步計(jì)算后澆帶混凝土強(qiáng)度及老化指數(shù)，從而對(duì)后澆帶混凝土的損傷情況進(jìn)行評(píng)估。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)一高速鐵路線路的CRTSⅡ型軌道板后澆帶進(jìn)行損傷及質(zhì)量檢測(cè)，共檢測(cè)后澆帶74 處。從外觀來(lái)看，測(cè)試的后澆帶混凝土傷損狀態(tài)較為嚴(yán)重，部分后澆帶出現(xiàn)粉化現(xiàn)象。

測(cè)試采用前端球體直徑50 mm 的激振錘激振［5-6］，在上行線右側(cè)或者下行線左側(cè)布置三個(gè)傳感器同時(shí)接受信號(hào)，S1傳感器布置在后澆帶中間，S2、S3傳感器布置在底座板上，距離后澆帶兩側(cè)邊緣10 cm，激振點(diǎn)與接收傳感器位置一一對(duì)應(yīng)。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)如圖3所示。

圖3 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)

該區(qū)段的后澆帶均存在不同程度的傷損，只能通過(guò)測(cè)試底座板的彈性模量作為評(píng)定基準(zhǔn)。通過(guò)計(jì)算得知，底座板的動(dòng)彈性模量為46.46 GPa，視作參照基準(zhǔn)值。

隨機(jī)抽取本次檢測(cè)的一部分測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，部分測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明該方法可靠。

表2 部分測(cè)試結(jié)果

將本次測(cè)試結(jié)果的推算強(qiáng)度劃分為五類(lèi)，以方便統(tǒng)計(jì)低強(qiáng)度混凝土后澆帶的數(shù)量，見(jiàn)表3。按照后澆帶混凝土老化指數(shù)的集中情況，對(duì)該測(cè)試區(qū)段的后澆帶老化及損傷情況進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 低強(qiáng)度混凝土后澆帶統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 后澆帶混凝土老化指數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表4可知：①測(cè)試后澆帶的傷損較為嚴(yán)重，從抗壓強(qiáng)度來(lái)看，約77%的測(cè)試后澆帶混凝土的推算抗壓強(qiáng)度在20 MPa以下，還有45%左右的抗壓強(qiáng)度推算值在10 MPa 以下，已接近破碎。②從老化指數(shù)來(lái)看，約57%的測(cè)試后澆帶的老化指數(shù)在0.4以上。③大多數(shù)傷損后澆帶與周?chē)壍腊搴偷鬃逡殉霈F(xiàn)脫空。

上述測(cè)試結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況基本一致。

4 結(jié)論

1）對(duì)無(wú)砟軌道板后澆帶損傷進(jìn)行檢測(cè)是必要且可行的。常規(guī)檢測(cè)方法超聲法和雷達(dá)法因受鋼軌及軌道板中鋼筋等的影響，無(wú)法滿(mǎn)足測(cè)試要求。

2）文中提出的多測(cè)線波速分離的方法，較好地解決了彈性波P 波信號(hào)分離的難題，使得基于沖擊彈性波法的CRTSⅡ型無(wú)砟軌道后澆帶損傷檢測(cè)技術(shù)是可行的，基于損傷指數(shù)和抗壓強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)也是合理的。

3）由于運(yùn)營(yíng)鐵路的檢測(cè)天窗很短，對(duì)檢測(cè)效率有更高的要求。采用本方法檢測(cè)時(shí)，需要采用多通道、多測(cè)線進(jìn)行測(cè)試從而影響了檢測(cè)效率。

4）從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，大多數(shù)出現(xiàn)傷損的后澆帶都與周?chē)能壍腊逡约暗鬃瀹a(chǎn)生了脫空。文中提及的檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)脫空情況的簡(jiǎn)便判定，可大幅簡(jiǎn)化后澆帶的測(cè)試作業(yè)（僅測(cè)試S1測(cè)線即可），還可保障測(cè)試精度。