曹瑞恒,肖杰灵,陈 醉,郭 恒,杨荣山,刘学毅

(1.西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

引言

无砟轨道结构具有高平顺性、高稳定性和少维修的特点，是最主要的高速铁路轨道结构类型。实践表明，在长期服役中，受列车动荷载、温度、水等多场耦合荷载影响，混凝土为主体的无砟轨道结构会不可避免地产生局部开裂破坏，如轨道板开裂、宽窄接缝伤损等，在列车荷载作用下裂缝将进一步扩展，最终引发结构的破坏，影响结构的使用寿命和行车舒适性、安全性。因此，研究列车荷载作用下的无砟轨道结构动力损伤行为及裂缝演变过程，是诊断轨道病害发展规律，评估轨道服役状态，指导开展无砟轨道科学运维的关键。

针对无砟轨道的动力损伤问题，相关学者都进行了大量的研究：王平等[1]通过车辆-轨道-路基耦合模型，分析了轨道板开裂对轨道结构力学性能及行车性能的影响。刘学毅等[2]基于截面等效单元方法，通过模型试验研究了道床板混凝土开裂特性。朱胜阳等[3]通过车辆-轨道耦合动力模型，分析了经过变温作用产生开裂的道床板在列车荷载作用下的损伤演变规律。朱胜阳等[4]通过建立无砟轨道结构裂纹动态行为模型，研究了列车动荷载对轨道支撑层横向贯通裂缝开裂特性的影响。韦有信等[5]基于钢筋混凝土裂缝黏结滑移理论，建立了假缝间距与裂缝宽度和钢筋应力之间的合理分布关系。上述研究主要通过数值仿真，重点关注了无砟轨道的宏观开裂特性，而较少研究无砟轨道内部伤损发展规律。

为研究混凝土的内部伤损行为，学者们尝试了多种理论仿真及试验技术，其中CT扫描和声发射技术是应用较多的两种试验技术。如韩燕华等[6-8]通过CT扫描技术获取混凝土内部三维数字图像的方法进行混凝土内部损伤的识别，但该方法精度较低，难以全面掌握混凝土内部的初始裂隙分布形态与损伤演化规律，特别是难以动态跟踪试件内部伤损的发生与发展过程。相比之下，声发射监测技术因其能够实时监测、对缺陷敏感以及能够评价整个构件中缺陷等优点，目前广泛应用于无损检测领域。针对声发射技术在混凝土伤损检测方面的应用，相关学者进行了大量研究，BURUD N B等[9]通过声发射能量定义了用于评估素混凝土损伤的相关参数。李升涛等[10]通过该技术研究了不同密度泡沫混凝土单轴压缩破坏特征。刘恒杰等[11]通过监测撞击计数、振铃计数及能量计数等声发射参数，探究了含水率对混凝土开裂形态的影响。BIAN C等[12]通过声发射技术，研究了超高性能纤维增强混凝土在拉伸荷载作用下不同阶段损伤机理。MEN J J等[13]通过声发射技术，研究了加载速率、骨料粒径及水灰比对再生骨料混凝土压缩破坏特性的影响并提出了阶段累计比例分析方法。YU A P等[14]通过钢筋混凝土腐蚀试验，建立了声发射参数与钢筋锈蚀的对应关系并建立了腐蚀损伤分布模型。WANG Y等[15]通过声发射技术，研究了在单轴受拉条件下应变率对混凝土损伤演化机理的影响。WANG S R等[16]通过声发射技术，研究了单轴压缩条件下轻质页岩陶粒混凝土的损伤演化过程并建立了相应的损伤演化方程。目前，针对声发射技术用于混凝土伤损分析方面的研究，大多集中于不同类型混凝土材料的损伤特性及混凝土结构的损伤机理，鲜有对无砟轨道内部损伤发展规律研究的报道。

无砟轨道因列车荷载频率高、幅值大、随机性强等特性，动力损伤特性与普通混凝土结构有明显不同。针对上述问题，开展混凝土梁弯曲试验，并通过声发射无损监测技术研究无砟轨道混凝土动力损伤行为，通过采集振铃计数、能量等声发射参数，研究混凝土内部裂缝发展状态，为进一步揭示无砟轨道动力伤损规律提供基础理论支持。

1 无砟轨道混凝土棱柱体试件弯曲试验

1.1 试件准备

因无砟轨道混凝土受拉、压特性的差异性，现场轨道板的损伤多表现为由板底发展的受拉裂缝，且存在大量的带裂工作状态。由于无砟轨道轨道板受力符合弹性薄板结构特点[17]，因此为研究初始损伤条件下轨道板的开裂特性，现场浇筑带预裂缝的100 mm×100 mm×400 mm三点弯曲梁混凝土试件，并重点关注预裂缝尖端处的裂纹发展情况，同时制作标准立方体试件，确保混凝土强度满足要求。预裂缝深度为10 mm，裂缝宽度为1 mm。混凝土强度等级为C40，试件浇筑完成24 h后脱模，标准养护28 d后开始相关试验。

1.2 试验设计与方法

试验分为A、B两个试验组，分别模拟列车动荷载与准静态荷载的情况，为减小试验误差，每个试验组各做3组试验。加载速率采用位移控制加载，A试验组采用量级为10-4的应变率[18]模拟列车动荷载作用，试件梁高度为100 mm，因此相应的位移加载速率为0.6 mm/min，B试验组采用准静态荷载作用下轨道板混凝土应变率10-5考虑，试件梁高度为100 mm，因此相应的位移加载速率为0.06 mm/min，试验加载如图1所示。

图1 加载装置

声发射仪器采用SAEU3H四通道声发射检测仪，为保证能够接收加载过程中试件内部裂点的所有声发射信号，在试件前后两个面，以预裂缝为中心，左右各50 mm交叉布置4个声发射探头，如图2所示(图中实心圆点表示测点在正面，空心圆点表示测点在背面)。

图2 声发射测点布置示意(单位：mm)

2 混凝土开裂损伤行为分析

混凝土开裂过程中裂缝发展状态的差异，会影响振铃计数、能量等声发射参数的特征。其中振铃计数是反映加载过程中试件内部声发射活动活跃程度的重要指标，而能量是反映试件内部开裂破坏剧烈程度的重要指标。该分析方法是进行声发射实验数据分析的基本方法，可以清晰地判断出混凝土开裂过程中裂纹萌生的活跃程度及裂缝扩展的阶段性特征。故可通过累计振铃计数、累计撞击数和累计能量声发射特征参数，分析列车荷载作用下混凝土开裂过程裂缝演化发展规律，以A试验组结果为例，声发射试验结果如图3所示。

图3 A组累计撞击数、累计振铃计数、累计能量曲线

结果表明，在预裂缝开裂破坏之前振铃计数、撞击计数以及能量变化较为平缓，受混凝土脆性材料的影响，当预裂缝发生开裂时声发射信号出现突变。监测结果与混凝土梁开裂的特征基本吻合。经验证，基于声发射技术的混凝土内部裂缝监测方法，可用于深入研究列车荷载作用下无砟轨道混凝土的内部裂缝分布及演化规律。

图3表明，列车动荷载作用下，混凝土开裂过程表现出明显的3个特征阶段[19-20]。

阶段Ⅰ(0～52.5 s)：在初始加载阶段，累计振铃计数很少，累计能量曲线发展较平缓，表明该阶段尚无较大的能量释放，混凝土的初始伤损很小，属于稳定的弹性变形阶段。在52.5～60.0 s范围内属于阶段I的过渡段，累计振铃计数出现了突变，表明这一时期试件内部微裂缝开始萌生，且累计能量曲线亦出现陡增，表明试件内部部分能量在裂隙发展过程中有瞬时释放现象。

阶段Ⅱ(60.0～67.5 s)：该阶段累计振铃计数、累计能量曲线发展平稳，说明进入了裂缝稳定扩展阶段。在67.5 s附近，累计振铃计数曲线斜率陡增，在67.5～77.5 s范围内累计振铃计数曲线快速上升，并且累计能量曲线在该阶段出现了多次大幅度突变，说明该阶段试件内部裂缝急剧扩展，并且短时间内伴随着能量的快速释放。

阶段Ⅲ(77.5～145 s)：第三个突变点出现在145 s附近，在77.5～145 s范围内，累计振铃计数曲线持续保持快速上升，并且累计能量曲线在该阶段内呈阶梯状持续发生突变。说明该阶段属于裂缝失稳扩展阶段，积聚的能量在该阶段被大量释放，而在145 s附近时，累计能量曲线突然发生剧烈突变，宏观上表现为混凝土梁突然发生脆性开裂，试件开始完全破坏。

阶段Ⅳ(145 s后)：试件破坏阶段，此时再无累积振铃、能量、撞击数的增长。

试验表明，无砟轨道混凝土在列车动荷载作用下的开裂过程，会呈现阶段性的破坏特征；随着损伤量的不断累积，每个阶段内裂缝发展状态都会表现出不同的特性。进一步说明，运营后期的无砟轨道裂缝发展速度更快，且裂纹数量也较前期更多。因此，现场宜对运营期内的无砟轨道进行长期的分阶段监测，发现及预判无砟轨道伤损大量产生的关键时期，以便开展相应的养护维修工作，防止恶性事故发生。

3 动静荷载下的混凝土损伤演变规律

将A、B两种荷载条件下混凝土损伤检测关键参数进行对比分析，结果如图4所示，各阶段的裂点对比如图5所示。

图4 A组与B组试验结果对比

图5 各阶段累积裂点分布(单位：个)

结果表明，在动、静荷载的作用下，混凝土试件的损伤在3个阶段表现为不同的发展特性。且B组伤损发展明显晚于A组，说明动荷载加快了伤损的发展。

在弹性变形阶段，A、B组的累计振铃计数、累计撞击数和累计能量曲线发展较平缓，该阶段两组工况下试件产生的裂点均较少，A组试件的裂点多于B组，且裂点分布较为分散、随机，见图5(a)、图5(d)。因此，在列车动荷载和准静态荷载作用的初期，无砟轨道混凝土属于弹性工作阶段，列车动荷载易引发混凝土内部既有缺陷的随机性扩展。

在进入裂缝稳定扩展阶段前，A组试件存在一个累计曲线陡增的过渡段，而B组试件尚无明显的过渡阶段，B组工况下第二阶段裂点数量相较于第一阶段差别较小。A组在经历能量短暂集中释放的过渡段后裂点数量增长显著，累计振铃计数曲线陡增，在进入阶段Ⅱ时相较于B组增大了约2.6%，之后便进入裂缝稳定扩展的平缓期，且裂点分布离散性仍较强，表明列车动荷载作用下无砟轨道混凝土中微裂纹开始发展，且随机性较强，但是此阶段引发轨道结构裂缝贯穿的可能性较小，且该阶段在经过前期累计能量的集中释放后会进入一个新的平缓期，见图5(b)。准静态荷载作用下的无砟轨道混凝土在该阶段由于变形速度缓慢，依然处于弹性工作状态，与阶段Ⅰ相比混凝土内裂点并无显著区别，见图5(e)。

在进入裂缝失稳扩展阶段前，A组试件依然存在能量快速释放的过渡段，这一过渡段与前一过渡段相比，裂点的产生、能量的释放更为明显，且累计振铃计数曲线陡增，在进入阶段Ⅲ时相较于B组增大了174.8%，而后累计振铃计数曲线增长速率持续增大，累计能量呈阶梯状不断发生突变。B组试件在该阶段与A组试件特性相似，但B组在进入阶段Ⅲ之前并没有出现过渡段，而是在阶段Ⅱ结束时产生了一个突变点后直接进入裂缝失稳扩展阶段。图5(c)、图5(f)表明，在该阶段两组试件内部裂点开始大面积产生，且裂点基本是聚集在开裂面的周围，由此判断裂点已形成贯穿的破裂面，其大致方位为跨中并略微倾斜向上，这与图6所示的实际断裂位置相互吻合。但是从图5(c)中可以看出，A组试件内部裂点位置较为集中，大部分都在开裂面附近，且裂点数量相对较少，而B组试件虽能判断出开裂面的位置，但是相较于A组，裂点产生的范围较广且裂点数量明显比A组多(图5(f))，且累计振铃计数曲线在该阶段相较于A组增大约67.1%。这表明在列车动荷载作用下，因混凝土经裂缝发展阶段积聚的能量在后期的大量释放，造成混凝土内受荷较大的部位开始集中成片的产生微裂缝，这些微裂缝不断交汇贯通最后形成贯通裂缝。因准静态荷载作用下的混凝土变形速度缓慢，裂缝能够得到较充分的发展，因此产生的裂点数量多于列车动荷载作用下，且裂点在混凝土受力较大区域的分布范围也更广泛。

图6 混凝土开裂面位置

综上所述，动、静荷载作用下混凝土裂缝发展在各阶段的时间占比相近，但在不同阶段的裂缝发展规律差异较大，列车动荷载作用下的开裂破坏时间远低于准静态荷载。可以认为，列车动荷载作用下的无砟轨道混凝土裂缝发展迅速，且各发展阶段之间存在有裂点快速产生的过渡段，而准静态荷载作用下的混凝土裂缝发展平缓，由于变形速度缓慢，裂缝发展只是从一个阶段平缓的进入下一阶段。因此，在无砟轨道的设计与运维时，应通过动力系数等适当考虑列车荷载动力作用对无砟道床的破坏。

4 结论

基于列车荷载特性及无砟轨道结构特征，通过抽象的四点弯曲混凝土梁试件，开展了动荷载及准静态荷载作用下的混凝土梁开裂试验，并利用声发射技术对试件伤损过程进行了跟踪，主要结论如下。

(1)在动、静态荷载作用下，无砟轨道混凝土的裂损过程呈现三阶段，分别是弹性变形阶段、稳定扩展阶段及失稳扩展阶段；列车动荷载作用下，相邻两个发展阶段之间存在突变点和过渡段。

(2)列车动荷载作用下，无砟轨道混凝土伤损发展阶段性更明显，且各阶段持续时间更短，混凝土伤损发展明显快于准静态荷载作用下，说明动荷载有助于加快无砟轨道混凝土伤损的发展。

(3)在列车动荷载作用下，由于无砟轨道混凝土伤损发展存在能量快速释放的过渡段，因此在伤损发展初期，混凝土内部裂点数量较准静态荷载作用下有明显增长，但总体伤损发展均较平缓。在无砟轨道混凝土伤损进入快速发展的第三阶段时，准静态荷载产生的裂点明显多于动荷载，且静载下累计振铃计数在该阶段相较于动载增大约67.1%，这应与静态条件下试件内裂缝得到充分释放有关。

(4)列车动荷载更容易引起无砟轨道混凝土伤损，且考虑到动荷载下混凝土伤损发展存在突变，在无砟轨道的设计与运维时，应适当考虑列车荷载动力作用对无砟道床的破坏。