基于聲發(fā)射技術(shù)的無砟軌道混凝土開裂演化規(guī)律分析

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，在長期服役中，受列車動荷載、溫度、水等多場耦合荷載影響，混凝土為主體的無砟軌道結(jié)構(gòu)會不可避免地產(chǎn)生局部開裂破壞，如軌道板開裂、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砟軌道結(jié)構(gòu)動力損傷行為及裂縫演變過程，是診斷軌道病害發(fā)展規(guī)律，評估軌道服役狀態(tài)，指導(dǎo)開展無砟軌道科學(xué)運(yùn)維的關(guān)鍵。

針對無砟軌道的動力損傷問題，相關(guān)學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究：王平等[1]通過車輛-軌道-路基耦合模型，分析了軌道板開裂對軌道結(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，通過模型試驗(yàn)研究了道床板混凝土開裂特性。朱勝陽等[3]通過車輛-軌道耦合動力模型，分析了經(jīng)過變溫作用產(chǎn)生開裂的道床板在列車荷載作用下的損傷演變規(guī)律。朱勝陽等[4]通過建立無砟軌道結(jié)構(gòu)裂紋動態(tài)行為模型，研究了列車動荷載對軌道支撐層橫向貫通裂縫開裂特性的影響。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。上述研究主要通過數(shù)值仿真，重點(diǎn)關(guān)注了無砟軌道的宏觀開裂特性，而較少研究無砟軌道內(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，特別是難以動態(tài)跟蹤試件內(nèi)部傷損的發(fā)生與發(fā)展過程。相比之下，聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)因其能夠?qū)崟r監(jiān)測、對缺陷敏感以及能夠評價整個構(gòu)件中缺陷等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。針對聲發(fā)射技術(shù)在混凝土傷損檢測方面的應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，BURUD N B等[9]通過聲發(fā)射能量定義了用于評估素混凝土損傷的相關(guān)參數(shù)。李升濤等[10]通過該技術(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]通過監(jiān)測撞擊計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)及能量計(jì)數(shù)等聲發(fā)射參數(shù)，探究了含水率對混凝土開裂形態(tài)的影響。BIAN C等[12]通過聲發(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]通過聲發(fā)射技術(shù)，研究了加載速率、骨料粒徑及水灰比對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)與鋼筋銹蝕的對應(yīng)關(guān)系并建立了腐蝕損傷分布模型。WANG Y等[15]通過聲發(fā)射技術(shù)，研究了在單軸受拉條件下應(yīng)變率對混凝土損傷演化機(jī)理的影響。WANG S R等[16]通過聲發(fā)射技術(shù)，研究了單軸壓縮條件下輕質(zhì)頁巖陶?；炷恋膿p傷演化過程并建立了相應(yīng)的損傷演化方程。目前，針對聲發(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，鮮有對無砟軌道內(nèi)部損傷發(fā)展規(guī)律研究的報(bào)道。

無砟軌道因列車荷載頻率高、幅值大、隨機(jī)性強(qiáng)等特性，動力損傷特性與普通混凝土結(jié)構(gòu)有明顯不同。針對上述問題，開展混凝土梁彎曲試驗(yàn)，并通過聲發(fā)射無損監(jiān)測技術(shù)研究無砟軌道混凝土動力損傷行為，通過采集振鈴計(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)一步揭示無砟軌道動力傷損規(guī)律提供基礎(chǔ)理論支持。

1 無砟軌道混凝土棱柱體試件彎曲試驗(yàn)

1.1 試件準(zhǔn)備

因無砟軌道混凝土受拉、壓特性的差異性，現(xiàn)場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裂特性，現(xiàn)場澆筑帶預(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，同時制作標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，確保混凝土強(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兩個試驗(yàn)組，分別模擬列車動荷載與準(zhǔn)靜態(tài)荷載的情況，為減小試驗(yàn)誤差，每個試驗(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)組采用量級為10-4的應(yīng)變率[18]模擬列車動荷載作用，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)射檢測儀，為保證能夠接收加載過程中試件內(nèi)部裂點(diǎn)的所有聲發(fā)射信號，在試件前后兩個面，以預(yù)裂縫為中心，左右各50 mm交叉布置4個聲發(fā)射探頭，如圖2所示(圖中實(shí)心圓點(diǎn)表示測點(diǎn)在正面，空心圓點(diǎn)表示測點(diǎn)在背面)。

圖2 聲發(fā)射測點(diǎn)布置示意(單位：mm)

2 混凝土開裂損傷行為分析

混凝土開裂過程中裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)的差異，會影響振鈴計(jì)數(shù)、能量等聲發(fā)射參數(shù)的特征。其中振鈴計(jì)數(shù)是反映加載過程中試件內(nèi)部聲發(fā)射活動活躍程度的重要指標(biāo)，而能量是反映試件內(nèi)部開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裂過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裂過程裂縫演化發(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)生開裂時聲發(fā)射信號出現(xiàn)突變。監(jiān)測結(jié)果與混凝土梁開裂的特征基本吻合。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)測方法，可用于深入研究列車荷載作用下無砟軌道混凝土的內(nèi)部裂縫分布及演化規(guī)律。

圖3表明，列車動荷載作用下，混凝土開裂過程表現(xiàn)出明顯的3個特征階段[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的過渡段，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)了突變，表明這一時期試件內(nèi)部微裂縫開始萌生，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)展過程中有瞬時釋放現(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，說明該階段試件內(nèi)部裂縫急劇擴(kuò)展，并且短時間內(nèi)伴隨著能量的快速釋放。

階段Ⅲ(77.5～145 s)：第三個突變點(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，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)生脆性開裂，試件開始完全破壞。

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

試驗(yàn)表明，無砟軌道混凝土在列車動荷載作用下的開裂過程，會呈現(xiàn)階段性的破壞特征；隨著損傷量的不斷累積，每個階段內(nèi)裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)都會表現(xiàn)出不同的特性。進(jìn)一步說明，運(yùn)營后期的無砟軌道裂縫發(fā)展速度更快，且裂紋數(shù)量也較前期更多。因此，現(xiàn)場宜對運(yùn)營期內(nèi)的無砟軌道進(jìn)行長期的分階段監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)及預(yù)判無砟軌道傷損大量產(chǎn)生的關(guān)鍵時期，以便開展相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修工作，防止惡性事故發(fā)生。

3 動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關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖4所示，各階段的裂點(diǎn)對比如圖5所示。

圖4 A組與B組試驗(yàn)結(jié)果對比

圖5 各階段累積裂點(diǎn)分布(單位：個)

結(jié)果表明，在動、靜荷載的作用下，混凝土試件的損傷在3個階段表現(xiàn)為不同的發(fā)展特性。且B組傷損發(fā)展明顯晚于A組，說明動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)，見圖5(a)、圖5(d)。因此，在列車動荷載和準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用的初期，無砟軌道混凝土屬于彈性工作階段，列車動荷載易引發(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組試件存在一個累計(jì)曲線陡增的過渡段，而B組試件尚無明顯的過渡階段，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渡段后裂點(diǎn)數(shù)量增長顯著，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線陡增，在進(jìn)入階段Ⅱ時相較于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)，表明列車動荷載作用下無砟軌道混凝土中微裂紋開始發(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)過前期累計(jì)能量的集中釋放后會進(jìn)入一個新的平緩期，見圖5(b)。準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下的無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)并無顯著區(qū)別，見圖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渡段，這一過渡段與前一過渡段相比，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之前并沒有出現(xiàn)過渡段，而是在階段Ⅱ結(jié)束時產(chǎn)生了一個突變點(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)開始大面積產(chǎn)生，且裂點(diǎn)基本是聚集在開裂面的周圍，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，大部分都在開裂面附近，且裂點(diǎn)數(shù)量相對較少，而B組試件雖能判斷出開裂面的位置，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 混凝土開裂面位置

綜上所述，動、靜荷載作用下混凝土裂縫發(fā)展在各階段的時間占比相近，但在不同階段的裂縫發(fā)展規(guī)律差異較大，列車動荷載作用下的開裂破壞時間遠(yuǎn)低于準(zhǔn)靜態(tài)荷載?？梢哉J(rèn)為，列車動荷載作用下的無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)展只是從一個階段平緩的進(jìn)入下一階段。因此，在無砟軌道的設(shè)計(jì)與運(yùn)維時，應(yīng)通過動力系數(shù)等適當(dāng)考慮列車荷載動力作用對無砟道床的破壞。

4 結(jié)論

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

(1)在動、靜態(tài)荷載作用下，無砟軌道混凝土的裂損過程呈現(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；列車動荷載作用下，相鄰兩個發(fā)展階段之間存在突變點(diǎn)和過渡段。

(2)列車動荷載作用下，無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，說明動荷載有助于加快無砟軌道混凝土傷損的發(fā)展。

(3)在列車動荷載作用下，由于無砟軌道混凝土傷損發(fā)展存在能量快速釋放的過渡段，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，但總體傷損發(fā)展均較平緩。在無砟軌道混凝土傷損進(jìn)入快速發(fā)展的第三階段時，準(zhǔn)靜態(tài)荷載產(chǎn)生的裂點(diǎn)明顯多于動荷載，且靜載下累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)在該階段相較于動載增大約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)列車動荷載更容易引起無砟軌道混凝土傷損，且考慮到動荷載下混凝土傷損發(fā)展存在突變，在無砟軌道的設(shè)計(jì)與運(yùn)維時，應(yīng)適當(dāng)考慮列車荷載動力作用對無砟道床的破壞。