曹瑞恒,肖杰靈,陳 醉,郭 恒,楊榮山,劉學(xué)毅

(1.西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610031； 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

引言

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)具有高平順性、高穩(wěn)定性和少維修的特點(diǎn)，是最主要的高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)類型。實(shí)踐表明，在長(zhǎng)期服役中，受列車動(dòng)荷載、溫度、水等多場(chǎng)耦合荷載影響，混凝土為主體的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)會(huì)不可避免地產(chǎn)生局部開(kāi)裂破壞，如軌道板開(kāi)裂、寬窄接縫傷損等，在列車荷載作用下裂縫將進(jìn)一步擴(kuò)展，最終引發(fā)結(jié)構(gòu)的破壞，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命和行車舒適性、安全性。因此，研究列車荷載作用下的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)力損傷行為及裂縫演變過(guò)程，是診斷軌道病害發(fā)展規(guī)律，評(píng)估軌道服役狀態(tài)，指導(dǎo)開(kāi)展無(wú)砟軌道科學(xué)運(yùn)維的關(guān)鍵。

針對(duì)無(wú)砟軌道的動(dòng)力損傷問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究：王平等[1]通過(guò)車輛-軌道-路基耦合模型，分析了軌道板開(kāi)裂對(duì)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及行車性能的影響。劉學(xué)毅等[2]基于截面等效單元方法，通過(guò)模型試驗(yàn)研究了道床板混凝土開(kāi)裂特性。朱勝陽(yáng)等[3]通過(guò)車輛-軌道耦合動(dòng)力模型，分析了經(jīng)過(guò)變溫作用產(chǎn)生開(kāi)裂的道床板在列車荷載作用下的損傷演變規(guī)律。朱勝陽(yáng)等[4]通過(guò)建立無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)裂紋動(dòng)態(tài)行為模型，研究了列車動(dòng)荷載對(duì)軌道支撐層橫向貫通裂縫開(kāi)裂特性的影響。韋有信等[5]基于鋼筋混凝土裂縫黏結(jié)滑移理論，建立了假縫間距與裂縫寬度和鋼筋應(yīng)力之間的合理分布關(guān)系。上述研究主要通過(guò)數(shù)值仿真，重點(diǎn)關(guān)注了無(wú)砟軌道的宏觀開(kāi)裂特性，而較少研究無(wú)砟軌道內(nèi)部傷損發(fā)展規(guī)律。

為研究混凝土的內(nèi)部傷損行為，學(xué)者們嘗試了多種理論仿真及試驗(yàn)技術(shù)，其中CT掃描和聲發(fā)射技術(shù)是應(yīng)用較多的兩種試驗(yàn)技術(shù)。如韓燕華等[6-8]通過(guò)CT掃描技術(shù)獲取混凝土內(nèi)部三維數(shù)字圖像的方法進(jìn)行混凝土內(nèi)部損傷的識(shí)別，但該方法精度較低，難以全面掌握混凝土內(nèi)部的初始裂隙分布形態(tài)與損傷演化規(guī)律，特別是難以動(dòng)態(tài)跟蹤試件內(nèi)部傷損的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程。相比之下，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)因其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)缺陷敏感以及能夠評(píng)價(jià)整個(gè)構(gòu)件中缺陷等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。針對(duì)聲發(fā)射技術(shù)在混凝土傷損檢測(cè)方面的應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，BURUD N B等[9]通過(guò)聲發(fā)射能量定義了用于評(píng)估素混凝土損傷的相關(guān)參數(shù)。李升濤等[10]通過(guò)該技術(shù)研究了不同密度泡沫混凝土單軸壓縮破壞特征。劉恒杰等[11]通過(guò)監(jiān)測(cè)撞擊計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)及能量計(jì)數(shù)等聲發(fā)射參數(shù)，探究了含水率對(duì)混凝土開(kāi)裂形態(tài)的影響。BIAN C等[12]通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)，研究了超高性能纖維增強(qiáng)混凝土在拉伸荷載作用下不同階段損傷機(jī)理。MEN J J等[13]通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)，研究了加載速率、骨料粒徑及水灰比對(duì)再生骨料混凝土壓縮破壞特性的影響并提出了階段累計(jì)比例分析方法。YU A P等[14]通過(guò)鋼筋混凝土腐蝕試驗(yàn)，建立了聲發(fā)射參數(shù)與鋼筋銹蝕的對(duì)應(yīng)關(guān)系并建立了腐蝕損傷分布模型。WANG Y等[15]通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)，研究了在單軸受拉條件下應(yīng)變率對(duì)混凝土損傷演化機(jī)理的影響。WANG S R等[16]通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)，研究了單軸壓縮條件下輕質(zhì)頁(yè)巖陶?；炷恋膿p傷演化過(guò)程并建立了相應(yīng)的損傷演化方程。目前，針對(duì)聲發(fā)射技術(shù)用于混凝土傷損分析方面的研究，大多集中于不同類型混凝土材料的損傷特性及混凝土結(jié)構(gòu)的損傷機(jī)理，鮮有對(duì)無(wú)砟軌道內(nèi)部損傷發(fā)展規(guī)律研究的報(bào)道。

無(wú)砟軌道因列車荷載頻率高、幅值大、隨機(jī)性強(qiáng)等特性，動(dòng)力損傷特性與普通混凝土結(jié)構(gòu)有明顯不同。針對(duì)上述問(wèn)題，開(kāi)展混凝土梁彎曲試驗(yàn)，并通過(guò)聲發(fā)射無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)研究無(wú)砟軌道混凝土動(dòng)力損傷行為，通過(guò)采集振鈴計(jì)數(shù)、能量等聲發(fā)射參數(shù)，研究混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)，為進(jìn)一步揭示無(wú)砟軌道動(dòng)力傷損規(guī)律提供基礎(chǔ)理論支持。

1 無(wú)砟軌道混凝土棱柱體試件彎曲試驗(yàn)

1.1 試件準(zhǔn)備

因無(wú)砟軌道混凝土受拉、壓特性的差異性，現(xiàn)場(chǎng)軌道板的損傷多表現(xiàn)為由板底發(fā)展的受拉裂縫，且存在大量的帶裂工作狀態(tài)。由于無(wú)砟軌道軌道板受力符合彈性薄板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[17]，因此為研究初始損傷條件下軌道板的開(kāi)裂特性，現(xiàn)場(chǎng)澆筑帶預(yù)裂縫的100 mm×100 mm×400 mm三點(diǎn)彎曲梁混凝土試件，并重點(diǎn)關(guān)注預(yù)裂縫尖端處的裂紋發(fā)展情況，同時(shí)制作標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，確?；炷翉?qiáng)度滿足要求。預(yù)裂縫深度為10 mm，裂縫寬度為1 mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40，試件澆筑完成24 h后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后開(kāi)始相關(guān)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)分為A、B兩個(gè)試驗(yàn)組，分別模擬列車動(dòng)荷載與準(zhǔn)靜態(tài)荷載的情況，為減小試驗(yàn)誤差，每個(gè)試驗(yàn)組各做3組試驗(yàn)。加載速率采用位移控制加載，A試驗(yàn)組采用量級(jí)為10-4的應(yīng)變率[18]模擬列車動(dòng)荷載作用，試件梁高度為100 mm，因此相應(yīng)的位移加載速率為0.6 mm/min，B試驗(yàn)組采用準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下軌道板混凝土應(yīng)變率10-5考慮，試件梁高度為100 mm，因此相應(yīng)的位移加載速率為0.06 mm/min，試驗(yàn)加載如圖1所示。

圖1 加載裝置

聲發(fā)射儀器采用SAEU3H四通道聲發(fā)射檢測(cè)儀，為保證能夠接收加載過(guò)程中試件內(nèi)部裂點(diǎn)的所有聲發(fā)射信號(hào)，在試件前后兩個(gè)面，以預(yù)裂縫為中心，左右各50 mm交叉布置4個(gè)聲發(fā)射探頭，如圖2所示(圖中實(shí)心圓點(diǎn)表示測(cè)點(diǎn)在正面，空心圓點(diǎn)表示測(cè)點(diǎn)在背面)。

圖2 聲發(fā)射測(cè)點(diǎn)布置示意(單位：mm)

2 混凝土開(kāi)裂損傷行為分析

混凝土開(kāi)裂過(guò)程中裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)的差異，會(huì)影響振鈴計(jì)數(shù)、能量等聲發(fā)射參數(shù)的特征。其中振鈴計(jì)數(shù)是反映加載過(guò)程中試件內(nèi)部聲發(fā)射活動(dòng)活躍程度的重要指標(biāo)，而能量是反映試件內(nèi)部開(kāi)裂破壞劇烈程度的重要指標(biāo)。該分析方法是進(jìn)行聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基本方法，可以清晰地判斷出混凝土開(kāi)裂過(guò)程中裂紋萌生的活躍程度及裂縫擴(kuò)展的階段性特征。故可通過(guò)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)撞擊數(shù)和累計(jì)能量聲發(fā)射特征參數(shù)，分析列車荷載作用下混凝土開(kāi)裂過(guò)程裂縫演化發(fā)展規(guī)律，以A試驗(yàn)組結(jié)果為例，聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 A組累計(jì)撞擊數(shù)、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)能量曲線

結(jié)果表明，在預(yù)裂縫開(kāi)裂破壞之前振鈴計(jì)數(shù)、撞擊計(jì)數(shù)以及能量變化較為平緩，受混凝土脆性材料的影響，當(dāng)預(yù)裂縫發(fā)生開(kāi)裂時(shí)聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)突變。監(jiān)測(cè)結(jié)果與混凝土梁開(kāi)裂的特征基本吻合。經(jīng)驗(yàn)證，基于聲發(fā)射技術(shù)的混凝土內(nèi)部裂縫監(jiān)測(cè)方法，可用于深入研究列車荷載作用下無(wú)砟軌道混凝土的內(nèi)部裂縫分布及演化規(guī)律。

圖3表明，列車動(dòng)荷載作用下，混凝土開(kāi)裂過(guò)程表現(xiàn)出明顯的3個(gè)特征階段[19-20]。

階段Ⅰ(0～52.5 s)：在初始加載階段，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)很少，累計(jì)能量曲線發(fā)展較平緩，表明該階段尚無(wú)較大的能量釋放，混凝土的初始傷損很小，屬于穩(wěn)定的彈性變形階段。在52.5～60.0 s范圍內(nèi)屬于階段I的過(guò)渡段，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)了突變，表明這一時(shí)期試件內(nèi)部微裂縫開(kāi)始萌生，且累計(jì)能量曲線亦出現(xiàn)陡增，表明試件內(nèi)部部分能量在裂隙發(fā)展過(guò)程中有瞬時(shí)釋放現(xiàn)象。

階段Ⅱ(60.0～67.5 s)：該階段累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)能量曲線發(fā)展平穩(wěn)，說(shuō)明進(jìn)入了裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段。在67.5 s附近，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線斜率陡增，在67.5～77.5 s范圍內(nèi)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線快速上升，并且累計(jì)能量曲線在該階段出現(xiàn)了多次大幅度突變，說(shuō)明該階段試件內(nèi)部裂縫急劇擴(kuò)展，并且短時(shí)間內(nèi)伴隨著能量的快速釋放。

階段Ⅲ(77.5～145 s)：第三個(gè)突變點(diǎn)出現(xiàn)在145 s附近，在77.5～145 s范圍內(nèi)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線持續(xù)保持快速上升，并且累計(jì)能量曲線在該階段內(nèi)呈階梯狀持續(xù)發(fā)生突變。說(shuō)明該階段屬于裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展階段，積聚的能量在該階段被大量釋放，而在145 s附近時(shí)，累計(jì)能量曲線突然發(fā)生劇烈突變，宏觀上表現(xiàn)為混凝土梁突然發(fā)生脆性開(kāi)裂，試件開(kāi)始完全破壞。

階段Ⅳ(145 s后)：試件破壞階段，此時(shí)再無(wú)累積振鈴、能量、撞擊數(shù)的增長(zhǎng)。

試驗(yàn)表明，無(wú)砟軌道混凝土在列車動(dòng)荷載作用下的開(kāi)裂過(guò)程，會(huì)呈現(xiàn)階段性的破壞特征；隨著損傷量的不斷累積，每個(gè)階段內(nèi)裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)都會(huì)表現(xiàn)出不同的特性。進(jìn)一步說(shuō)明，運(yùn)營(yíng)后期的無(wú)砟軌道裂縫發(fā)展速度更快，且裂紋數(shù)量也較前期更多。因此，現(xiàn)場(chǎng)宜對(duì)運(yùn)營(yíng)期內(nèi)的無(wú)砟軌道進(jìn)行長(zhǎng)期的分階段監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)及預(yù)判無(wú)砟軌道傷損大量產(chǎn)生的關(guān)鍵時(shí)期，以便開(kāi)展相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修工作，防止惡性事故發(fā)生。

3 動(dòng)靜荷載下的混凝土損傷演變規(guī)律

將A、B兩種荷載條件下混凝土損傷檢測(cè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示，各階段的裂點(diǎn)對(duì)比如圖5所示。

圖4 A組與B組試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5 各階段累積裂點(diǎn)分布(單位：個(gè))

結(jié)果表明，在動(dòng)、靜荷載的作用下，混凝土試件的損傷在3個(gè)階段表現(xiàn)為不同的發(fā)展特性。且B組傷損發(fā)展明顯晚于A組，說(shuō)明動(dòng)荷載加快了傷損的發(fā)展。

在彈性變形階段，A、B組的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、累計(jì)撞擊數(shù)和累計(jì)能量曲線發(fā)展較平緩，該階段兩組工況下試件產(chǎn)生的裂點(diǎn)均較少，A組試件的裂點(diǎn)多于B組，且裂點(diǎn)分布較為分散、隨機(jī)，見(jiàn)圖5(a)、圖5(d)。因此，在列車動(dòng)荷載和準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用的初期，無(wú)砟軌道混凝土屬于彈性工作階段，列車動(dòng)荷載易引發(fā)混凝土內(nèi)部既有缺陷的隨機(jī)性擴(kuò)展。

在進(jìn)入裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段前，A組試件存在一個(gè)累計(jì)曲線陡增的過(guò)渡段，而B組試件尚無(wú)明顯的過(guò)渡階段，B組工況下第二階段裂點(diǎn)數(shù)量相較于第一階段差別較小。A組在經(jīng)歷能量短暫集中釋放的過(guò)渡段后裂點(diǎn)數(shù)量增長(zhǎng)顯著，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線陡增，在進(jìn)入階段Ⅱ時(shí)相較于B組增大了約2.6%，之后便進(jìn)入裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展的平緩期，且裂點(diǎn)分布離散性仍較強(qiáng)，表明列車動(dòng)荷載作用下無(wú)砟軌道混凝土中微裂紋開(kāi)始發(fā)展，且隨機(jī)性較強(qiáng)，但是此階段引發(fā)軌道結(jié)構(gòu)裂縫貫穿的可能性較小，且該階段在經(jīng)過(guò)前期累計(jì)能量的集中釋放后會(huì)進(jìn)入一個(gè)新的平緩期，見(jiàn)圖5(b)。準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下的無(wú)砟軌道混凝土在該階段由于變形速度緩慢，依然處于彈性工作狀態(tài)，與階段Ⅰ相比混凝土內(nèi)裂點(diǎn)并無(wú)顯著區(qū)別，見(jiàn)圖5(e)。

在進(jìn)入裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展階段前，A組試件依然存在能量快速釋放的過(guò)渡段，這一過(guò)渡段與前一過(guò)渡段相比，裂點(diǎn)的產(chǎn)生、能量的釋放更為明顯，且累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線陡增，在進(jìn)入階段Ⅲ時(shí)相較于B組增大了174.8%，而后累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線增長(zhǎng)速率持續(xù)增大，累計(jì)能量呈階梯狀不斷發(fā)生突變。B組試件在該階段與A組試件特性相似，但B組在進(jìn)入階段Ⅲ之前并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)渡段，而是在階段Ⅱ結(jié)束時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)突變點(diǎn)后直接進(jìn)入裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展階段。圖5(c)、圖5(f)表明，在該階段兩組試件內(nèi)部裂點(diǎn)開(kāi)始大面積產(chǎn)生，且裂點(diǎn)基本是聚集在開(kāi)裂面的周圍，由此判斷裂點(diǎn)已形成貫穿的破裂面，其大致方位為跨中并略微傾斜向上，這與圖6所示的實(shí)際斷裂位置相互吻合。但是從圖5(c)中可以看出，A組試件內(nèi)部裂點(diǎn)位置較為集中，大部分都在開(kāi)裂面附近，且裂點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少，而B組試件雖能判斷出開(kāi)裂面的位置，但是相較于A組，裂點(diǎn)產(chǎn)生的范圍較廣且裂點(diǎn)數(shù)量明顯比A組多(圖5(f))，且累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線在該階段相較于A組增大約67.1%。這表明在列車動(dòng)荷載作用下，因混凝土經(jīng)裂縫發(fā)展階段積聚的能量在后期的大量釋放，造成混凝土內(nèi)受荷較大的部位開(kāi)始集中成片的產(chǎn)生微裂縫，這些微裂縫不斷交匯貫通最后形成貫通裂縫。因準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下的混凝土變形速度緩慢，裂縫能夠得到較充分的發(fā)展，因此產(chǎn)生的裂點(diǎn)數(shù)量多于列車動(dòng)荷載作用下，且裂點(diǎn)在混凝土受力較大區(qū)域的分布范圍也更廣泛。

圖6 混凝土開(kāi)裂面位置

綜上所述，動(dòng)、靜荷載作用下混凝土裂縫發(fā)展在各階段的時(shí)間占比相近，但在不同階段的裂縫發(fā)展規(guī)律差異較大，列車動(dòng)荷載作用下的開(kāi)裂破壞時(shí)間遠(yuǎn)低于準(zhǔn)靜態(tài)荷載?？梢哉J(rèn)為，列車動(dòng)荷載作用下的無(wú)砟軌道混凝土裂縫發(fā)展迅速，且各發(fā)展階段之間存在有裂點(diǎn)快速產(chǎn)生的過(guò)渡段，而準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下的混凝土裂縫發(fā)展平緩，由于變形速度緩慢，裂縫發(fā)展只是從一個(gè)階段平緩的進(jìn)入下一階段。因此，在無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)與運(yùn)維時(shí)，應(yīng)通過(guò)動(dòng)力系數(shù)等適當(dāng)考慮列車荷載動(dòng)力作用對(duì)無(wú)砟道床的破壞。

4 結(jié)論

基于列車荷載特性及無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)抽象的四點(diǎn)彎曲混凝土梁試件，開(kāi)展了動(dòng)荷載及準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下的混凝土梁開(kāi)裂試驗(yàn)，并利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)試件傷損過(guò)程進(jìn)行了跟蹤，主要結(jié)論如下。

(1)在動(dòng)、靜態(tài)荷載作用下，無(wú)砟軌道混凝土的裂損過(guò)程呈現(xiàn)三階段，分別是彈性變形階段、穩(wěn)定擴(kuò)展階段及失穩(wěn)擴(kuò)展階段；列車動(dòng)荷載作用下，相鄰兩個(gè)發(fā)展階段之間存在突變點(diǎn)和過(guò)渡段。

(2)列車動(dòng)荷載作用下，無(wú)砟軌道混凝土傷損發(fā)展階段性更明顯，且各階段持續(xù)時(shí)間更短，混凝土傷損發(fā)展明顯快于準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下，說(shuō)明動(dòng)荷載有助于加快無(wú)砟軌道混凝土傷損的發(fā)展。

(3)在列車動(dòng)荷載作用下，由于無(wú)砟軌道混凝土傷損發(fā)展存在能量快速釋放的過(guò)渡段，因此在傷損發(fā)展初期，混凝土內(nèi)部裂點(diǎn)數(shù)量較準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下有明顯增長(zhǎng)，但總體傷損發(fā)展均較平緩。在無(wú)砟軌道混凝土傷損進(jìn)入快速發(fā)展的第三階段時(shí)，準(zhǔn)靜態(tài)荷載產(chǎn)生的裂點(diǎn)明顯多于動(dòng)荷載，且靜載下累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在該階段相較于動(dòng)載增大約67.1%，這應(yīng)與靜態(tài)條件下試件內(nèi)裂縫得到充分釋放有關(guān)。

(4)列車動(dòng)荷載更容易引起無(wú)砟軌道混凝土傷損，且考慮到動(dòng)荷載下混凝土傷損發(fā)展存在突變，在無(wú)砟軌道的設(shè)計(jì)與運(yùn)維時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮列車荷載動(dòng)力作用對(duì)無(wú)砟道床的破壞。