基于聲發射技術的無砟軌道混凝土開裂演化規律分析

曹瑞恒,肖杰靈,陳 醉,郭 恒,楊榮山,劉學毅

(1.西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

引言

無砟軌道結構具有高平順性、高穩定性和少維修的特點，是最主要的高速鐵路軌道結構類型。實踐表明，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構會不可避免地產生局部開裂破壞，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一步擴展，最終引發結構的破壞，影響結構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構動力損傷行為及裂縫演變過程，是診斷軌道病害發展規律，評估軌道服役狀態，指導開展無砟軌道科學運維的關鍵。

針對無砟軌道的動力損傷問題，相關學者都進行了大量的研究：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構力學性能及行車性能的影響。劉學毅等[2]基于截面等效單元方法，通過模型試驗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，分析了經過變溫作用產生開裂的道床板在列車荷載作用下的損傷演變規律。朱勝陽等[4]通過建立無砟軌道結構裂紋動態行為模型，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滑移理論，建立了假縫間距與裂縫寬度和鋼筋應力之間的合理分布關系。上述研究主要通過數值仿真，重點關注了無砟軌道的宏觀開裂特性，而較少研究無砟軌道內部傷損發展規律。

為研究混凝土的內部傷損行為，學者們嘗試了多種理論仿真及試驗技術，其中CT掃描和聲發射技術是應用較多的兩種試驗技術。如韓燕華等[6-8]通過CT掃描技術獲取混凝土內部三維數字圖像的方法進行混凝土內部損傷的識別，但該方法精度較低，難以全面掌握混凝土內部的初始裂隙分布形態與損傷演化規律，特別是難以動態跟蹤試件內部傷損的發生與發展過程。相比之下，聲發射監測技術因其能夠實時監測、對缺陷敏感以及能夠評價整個構件中缺陷等優點，目前廣泛應用于無損檢測領域。針對聲發射技術在混凝土傷損檢測方面的應用，相關學者進行了大量研究，BURUD N B等[9]通過聲發射能量定義了用于評估素混凝土損傷的相關參數。李升濤等[10]通過該技術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]通過監測撞擊計數、振鈴計數及能量計數等聲發射參數，探究了含水率對混凝土開裂形態的影響。BIAN C等[12]通過聲發射技術，研究了超高性能纖維增強混凝土在拉伸荷載作用下不同階段損傷機理。MEN J J等[13]通過聲發射技術，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比例分析方法。YU A P等[14]通過鋼筋混凝土腐蝕試驗，建立了聲發射參數與鋼筋銹蝕的對應關系并建立了腐蝕損傷分布模型。WANG Y等[15]通過聲發射技術，研究了在單軸受拉條件下應變率對混凝土損傷演化機理的影響。WANG S R等[16]通過聲發射技術，研究了單軸壓縮條件下輕質頁巖陶粒混凝土的損傷演化過程并建立了相應的損傷演化方程。目前，針對聲發射技術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構的損傷機理，鮮有對無砟軌道內部損傷發展規律研究的報道。

無砟軌道因列車荷載頻率高、幅值大、隨機性強等特性，動力損傷特性與普通混凝土結構有明顯不同。針對上述問題，開展混凝土梁彎曲試驗，并通過聲發射無損監測技術研究無砟軌道混凝土動力損傷行為，通過采集振鈴計數、能量等聲發射參數，研究混凝土內部裂縫發展狀態，為進一步揭示無砟軌道動力傷損規律提供基礎理論支持。

1 無砟軌道混凝土棱柱體試件彎曲試驗

1.1 試件準備

因無砟軌道混凝土受拉、壓特性的差異性，現場軌道板的損傷多表現為由板底發展的受拉裂縫，且存在大量的帶裂工作狀態。由于無砟軌道軌道板受力符合彈性薄板結構特點[17]，因此為研究初始損傷條件下軌道板的開裂特性，現場澆筑帶預裂縫的100 mm×100 mm×400 mm三點彎曲梁混凝土試件，并重點關注預裂縫尖端處的裂紋發展情況，同時制作標準立方體試件，確保混凝土強度滿足要求。預裂縫深度為10 mm，裂縫寬度為1 mm。混凝土強度等級為C40，試件澆筑完成24 h后脫模，標準養護28 d后開始相關試驗。

1.2 試驗設計與方法

試驗分為A、B兩個試驗組，分別模擬列車動荷載與準靜態荷載的情況，為減小試驗誤差，每個試驗組各做3組試驗。加載速率采用位移控制加載，A試驗組采用量級為10-4的應變率[18]模擬列車動荷載作用，試件梁高度為100 mm，因此相應的位移加載速率為0.6 mm/min，B試驗組采用準靜態荷載作用下軌道板混凝土應變率10-5考慮，試件梁高度為100 mm，因此相應的位移加載速率為0.06 mm/min，試驗加載如圖1所示。

圖1 加載裝置

聲發射儀器采用SAEU3H四通道聲發射檢測儀，為保證能夠接收加載過程中試件內部裂點的所有聲發射信號，在試件前后兩個面，以預裂縫為中心，左右各50 mm交叉布置4個聲發射探頭，如圖2所示(圖中實心圓點表示測點在正面，空心圓點表示測點在背面)。

圖2 聲發射測點布置示意(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展狀態的差異，會影響振鈴計數、能量等聲發射參數的特征。其中振鈴計數是反映加載過程中試件內部聲發射活動活躍程度的重要指標，而能量是反映試件內部開裂破壞劇烈程度的重要指標。該分析方法是進行聲發射實驗數據分析的基本方法，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展的階段性特征。故可通過累計振鈴計數、累計撞擊數和累計能量聲發射特征參數，分析列車荷載作用下混凝土開裂過程裂縫演化發展規律，以A試驗組結果為例，聲發射試驗結果如圖3所示。

圖3 A組累計撞擊數、累計振鈴計數、累計能量曲線

結果表明，在預裂縫開裂破壞之前振鈴計數、撞擊計數以及能量變化較為平緩，受混凝土脆性材料的影響，當預裂縫發生開裂時聲發射信號出現突變。監測結果與混凝土梁開裂的特征基本吻合。經驗證，基于聲發射技術的混凝土內部裂縫監測方法，可用于深入研究列車荷載作用下無砟軌道混凝土的內部裂縫分布及演化規律。

圖3表明，列車動荷載作用下，混凝土開裂過程表現出明顯的3個特征階段[19-20]。

階段Ⅰ(0～52.5 s)：在初始加載階段，累計振鈴計數很少，累計能量曲線發展較平緩，表明該階段尚無較大的能量釋放，混凝土的初始傷損很小，屬于穩定的彈性變形階段。在52.5～60.0 s范圍內屬于階段I的過渡段，累計振鈴計數出現了突變，表明這一時期試件內部微裂縫開始萌生，且累計能量曲線亦出現陡增，表明試件內部部分能量在裂隙發展過程中有瞬時釋放現象。

階段Ⅱ(60.0～67.5 s)：該階段累計振鈴計數、累計能量曲線發展平穩，說明進入了裂縫穩定擴展階段。在67.5 s附近，累計振鈴計數曲線斜率陡增，在67.5～77.5 s范圍內累計振鈴計數曲線快速上升，并且累計能量曲線在該階段出現了多次大幅度突變，說明該階段試件內部裂縫急劇擴展，并且短時間內伴隨著能量的快速釋放。

階段Ⅲ(77.5～145 s)：第三個突變點出現在145 s附近，在77.5～145 s范圍內，累計振鈴計數曲線持續保持快速上升，并且累計能量曲線在該階段內呈階梯狀持續發生突變。說明該階段屬于裂縫失穩擴展階段，積聚的能量在該階段被大量釋放，而在145 s附近時，累計能量曲線突然發生劇烈突變，宏觀上表現為混凝土梁突然發生脆性開裂，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、撞擊數的增長。

試驗表明，無砟軌道混凝土在列車動荷載作用下的開裂過程，會呈現階段性的破壞特征；隨著損傷量的不斷累積，每個階段內裂縫發展狀態都會表現出不同的特性。進一步說明，運營后期的無砟軌道裂縫發展速度更快，且裂紋數量也較前期更多。因此，現場宜對運營期內的無砟軌道進行長期的分階段監測，發現及預判無砟軌道傷損大量產生的關鍵時期，以便開展相應的養護維修工作，防止惡性事故發生。

3 動靜荷載下的混凝土損傷演變規律

將A、B兩種荷載條件下混凝土損傷檢測關鍵參數進行對比分析，結果如圖4所示，各階段的裂點對比如圖5所示。

圖4 A組與B組試驗結果對比

圖5 各階段累積裂點分布(單位：個)

結果表明，在動、靜荷載的作用下，混凝土試件的損傷在3個階段表現為不同的發展特性。且B組傷損發展明顯晚于A組，說明動荷載加快了傷損的發展。

在彈性變形階段，A、B組的累計振鈴計數、累計撞擊數和累計能量曲線發展較平緩，該階段兩組工況下試件產生的裂點均較少，A組試件的裂點多于B組，且裂點分布較為分散、隨機，見圖5(a)、圖5(d)。因此，在列車動荷載和準靜態荷載作用的初期，無砟軌道混凝土屬于彈性工作階段，列車動荷載易引發混凝土內部既有缺陷的隨機性擴展。

在進入裂縫穩定擴展階段前，A組試件存在一個累計曲線陡增的過渡段，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數量相較于第一階段差別較小。A組在經歷能量短暫集中釋放的過渡段后裂點數量增長顯著，累計振鈴計數曲線陡增，在進入階段Ⅱ時相較于B組增大了約2.6%，之后便進入裂縫穩定擴展的平緩期，且裂點分布離散性仍較強，表明列車動荷載作用下無砟軌道混凝土中微裂紋開始發展，且隨機性較強，但是此階段引發軌道結構裂縫貫穿的可能性較小，且該階段在經過前期累計能量的集中釋放后會進入一個新的平緩期，見圖5(b)。準靜態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，與階段Ⅰ相比混凝土內裂點并無顯著區別，見圖5(e)。

在進入裂縫失穩擴展階段前，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，裂點的產生、能量的釋放更為明顯，且累計振鈴計數曲線陡增，在進入階段Ⅲ時相較于B組增大了174.8%，而后累計振鈴計數曲線增長速率持續增大，累計能量呈階梯狀不斷發生突變。B組試件在該階段與A組試件特性相似，但B組在進入階段Ⅲ之前并沒有出現過渡段，而是在階段Ⅱ結束時產生了一個突變點后直接進入裂縫失穩擴展階段。圖5(c)、圖5(f)表明，在該階段兩組試件內部裂點開始大面積產生，且裂點基本是聚集在開裂面的周圍，由此判斷裂點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組試件內部裂點位置較為集中，大部分都在開裂面附近，且裂點數量相對較少，而B組試件雖能判斷出開裂面的位置，但是相較于A組，裂點產生的范圍較廣且裂點數量明顯比A組多(圖5(f))，且累計振鈴計數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，因混凝土經裂縫發展階段積聚的能量在后期的大量釋放，造成混凝土內受荷較大的部位開始集中成片的產生微裂縫，這些微裂縫不斷交匯貫通最后形成貫通裂縫。因準靜態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展，因此產生的裂點數量多于列車動荷載作用下，且裂點在混凝土受力較大區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展在各階段的時間占比相近，但在不同階段的裂縫發展規律差異較大，列車動荷載作用下的開裂破壞時間遠低于準靜態荷載。可以認為，列車動荷載作用下的無砟軌道混凝土裂縫發展迅速，且各發展階段之間存在有裂點快速產生的過渡段，而準靜態荷載作用下的混凝土裂縫發展平緩，由于變形速度緩慢，裂縫發展只是從一個階段平緩的進入下一階段。因此，在無砟軌道的設計與運維時，應通過動力系數等適當考慮列車荷載動力作用對無砟道床的破壞。

4 結論

基于列車荷載特性及無砟軌道結構特征，通過抽象的四點彎曲混凝土梁試件，開展了動荷載及準靜態荷載作用下的混凝土梁開裂試驗，并利用聲發射技術對試件傷損過程進行了跟蹤，主要結論如下。

(1)在動、靜態荷載作用下，無砟軌道混凝土的裂損過程呈現三階段，分別是彈性變形階段、穩定擴展階段及失穩擴展階段；列車動荷載作用下，相鄰兩個發展階段之間存在突變點和過渡段。

(2)列車動荷載作用下，無砟軌道混凝土傷損發展階段性更明顯，且各階段持續時間更短，混凝土傷損發展明顯快于準靜態荷載作用下，說明動荷載有助于加快無砟軌道混凝土傷損的發展。

(3)在列車動荷載作用下，由于無砟軌道混凝土傷損發展存在能量快速釋放的過渡段，因此在傷損發展初期，混凝土內部裂點數量較準靜態荷載作用下有明顯增長，但總體傷損發展均較平緩。在無砟軌道混凝土傷損進入快速發展的第三階段時，準靜態荷載產生的裂點明顯多于動荷載，且靜載下累計振鈴計數在該階段相較于動載增大約67.1%，這應與靜態條件下試件內裂縫得到充分釋放有關。

(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展存在突變，在無砟軌道的設計與運維時，應適當考慮列車荷載動力作用對無砟道床的破壞。