Page 72 - 《应用声学）》2023年第5期

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状无砟轨道结构进行高精度成像，并通过反射波能
0 引言
量特征，提出定量的缺陷检测方法，用于评估无砟轨
层状钢筋混凝土是工程建筑中常见的一种结 道结构层间离缝状态。
构，各层结构内部损伤以及层间离缝脱空直接影响
到整体结构性能。高铁无砟轨道是一种典型的层状 1 层状结构常见损伤特征与检测方法
结构，主要由上层的轨道板、下层的支承层以及层
1.1 层状结构常见损伤特征
间的砂浆层构成。无砟轨道直接承载着高速列车通
层状混凝土结构在服役过程中产生的常见损
行，其质量好坏、病害与否直接关系到列车运营安
伤主要有各层状结构内部裂缝、断裂损伤以及层间
全。作为一种露天放置、反复承受列车荷载的层状
离缝、脱空等。这些结构损伤具有隐蔽性强和尺度
结构，无砟轨道在长期服役过程中，在列车荷载、温
小的特点，肉眼难以发现。部分损伤如表面的裂缝
度变化、基础变形以及混凝土自身收缩变形的影响
可直接观察，但是其发育的深度无法直接测量。
下容易产生裂缝、离缝、脱空等缺陷。
以运营高铁无砟轨道为列，从上到下依次为
目前我国运营高铁里程超过 4 × 10 km。国内
4
针对高铁无砟轨道无损检测的研究较多，常见物探 轨道板 (厚 25 cm)、砂浆层 (厚 3 cm)、支承层 (厚约
方法主要有：地质雷达法、冲击回波法等。地质雷 30 cm)。运营过程中产生的层间离缝、脱空等缺陷
达探测方法以其高效、无损的特点被广泛用于高铁 尺度极小，通常只有数毫米，少数达到厘米级，且
轨道缺陷探测。廖建红等 [1] 通过数值模拟的方法 外部难以发现，而轨道板与支承层内裂缝尺度更
给出了砂浆层缺陷的雷达图像特征；张邦 [2] 使用 小，往往不到 1 mm。另外，混凝土结构内部成分
地质雷达探测沪杭高铁无砟轨道沉降及并结合注 复杂，钢筋密布，给缺陷的高精度检测带来了较大
浆前后雷达资料评价治理效果，然而使用地质雷达 的挑战。
方法受到高铁无砟轨道混凝土结构内部钢筋网的 针对层状无砟轨道砂浆层不密实、脱空、离缝
干扰屏蔽作用，导致缺陷检测的精细程度不高。冲 等缺陷，建立无砟轨道层间损伤数值模型 (图1)，利
击弹性波响应方法主要用于查明轨道板以及支承 用弹性波方程有限差分法进行数值模拟。
层间病害，汤政 [3] 、武思思 [4] 、钟鹏飞等 [5] 对高铁
无砟轨道线下不同层间病害建立物理实验模型进
行理论分析，通过弹性波动力学响应及时频特性
判断轨道缺陷，该类方法根据缺陷部位对弹性波
的振动响应差异来判识轨道线下结构病害，只能做
到定性判识缺陷位置，无法定量评估缺陷的深度及
大小。
超声波方法用于混凝土结构的检测较多。严 (a) ௄ᆘᢾ᥋
武平等 [6] 对使用单点超声波法检测高铁轨道板层 0 ᢾ᥋౜ 3000
0.1
间缺陷，利用频谱特征定性地分析层间离缝。张邦 0.2 ᨂ኏ 2500
ᆋฺࡏ
等 [7] 结合超声波方法和地质雷达方法联合检测轨 0.3 Ⴡࠏӝ ᤴए/(mSs -1 )
0.4
道板沉降缺陷，取得了一致的效果。杨春 [8] 研究 ງए/m 0.5 ஃ੾ࡏ 2000
了分层物体的超声检测方法，使用合成孔径方法 0.6
0.7 ۳ࣾ᛫ࡏ 1500
采集的小孔径数据，利用延迟叠加的方法合成大 0.8
孔径以提高成像精度，但是使用小孔径采集模式 0.9 1000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
无法得到混凝土结构的超声波速度，不利于精确 ᡰሏ/m
成像。 (b) ࡏᫎჁࠏ஝ϙവی
本文使用超声波半矩阵 -全聚焦方法 (Total fo- 图 1 无砟轨道与层间病害数值模型
cusing method, TFM)结合线性旅行时插值(Linear Fig. 1 Ballastless track and numerical model of
travel time interpolation, LTI)射线追踪算法，对层 interlaminar damages