一种地铁板式轨道自密实混凝土充填层缺陷无损检测方法

本发明涉及地铁铁路施工检测，特别涉及一种地铁板式轨道自密实混凝土充填层缺陷无损检测方法。

背景技术：

1、板式轨道取消了传统有砟轨道的轨枕和道床，采用预制混凝土板支承钢轨，并且在轨道板与混凝土底座之间填充ca砂浆或自密实混凝土，是一种全新的全面支撑的板式轨道结构。它具有以下优点：稳定性、平顺性良好；建筑高度低、自重轻，可减小桥梁二期荷载和降低隧道净空；轨道变形缓慢耐久性好不需要维修或者少维修且维修费用低等。因此，在城市轨道交通中采用板式无砟轨道结构已成为现在地铁铁路结构的主流模式和必然趋势。其中自密实混凝土作为一种性价比高、自流平、高耐久的材料，已在板式无砟轨道结构中被广泛用作充填层材料，其对于轨道结构平顺性、安全性、耐久性等具有关键影响作用。因此，自密实混凝土的施工质量尤为重要，需及时对自密实混凝土的施工质量进行快速有效地监测。

2、由于地铁板式无砟轨道充填层采用封闭模腔进行施工，在充填层灌注过程中，因钢筋网的阻挡、排气不畅、积灰等原因，经常导致板下自密实混凝土充填层易出现不同类型与程度的施工缺陷，比如泡孔、离缝、脱空和空洞等，这些充填层缺陷隐蔽性极强，往往难以被发现，如不及时定位诊治，将会严重影响轨道结构安全性和耐久性，给运营维护造成极大的困难。

3、目前地铁板式无砟轨道自密实混凝土充填层缺陷现场检测方法主要为人工目测、钢尺插入法量测和现场揭板试验，该类方法存在效率低、主观性强、以点概面、费时费力等弊端，不利于缺陷的快速高效检测。关于板式无砟轨道结构的无损检测方法，主要有超声波法、探地雷达法、红外热成像法和冲击回波法等无损检测方法。超声波法进行混凝土内部缺陷检测时，一般采用对测法和斜测法，需要在两个测试面放置换能器，而板式无砟轨道只能提供一个测试面，无法进行测试；探地雷达法则是由于混凝土内部的钢筋网对高频脉冲电磁波干扰较大，难以获得准确的信号；红外热成像法仅能测试表面缺陷，对于自密实混凝土充填层内部缺陷难以测试，且受环境影响较大；冲击回波法目前是高铁crtsⅲ型板式无砟轨道自密实混凝土充填层无损检测的新兴方法，但他采用的激励装置为带有细小金属杆的小车，通过细小金属杆瞬击轨道板表面而产生冲击波，这种冲击能量较低，对于轨道板与充填层之间粘有土工布或减振垫的板式无砟轨道，其冲击波难以穿透，无法获得充填层信号。

4、基于以上技术手段的局限性，本发明采用导纳法无损检测技术，其激励装置采用聚能力锤，冲击波可有效穿透土工布或减振垫，并获得板下自密实混凝土充填层的信号响应，进而通过导纳谱对自密实混凝土充填层缺陷进行检测和识别。

技术实现思路

1、针对现有技术中对叠层复合结构的地铁板式轨道自密实混凝土充填层缺陷检测方法的局限性，本发明提供了一种地铁板式轨道自密实混凝土充填层缺陷无损检测方法，该方法利用聚能力锤敲击轨道板并获得振动响应信号，根据测得的力时程曲线和速度时程曲线获得导纳频谱曲线，然后建立充填层质量缺陷与导纳频谱特征信号参数(即导纳率)的映射关系，进而通过该信号参数对自密实混凝土充填层缺陷进行检测和识别。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种地铁板式轨道自密实混凝土充填层缺陷无损检测方法，包括如下步骤：

4、步骤1、检测准备：

5、在被测无砟轨道板的上表面划分网格，共得到4个板角测点和多个板内测点；在每个网格的交点位置处布设一个速度传感器作为测点，将所述速度传感器、内置有应力传感器的激振装置与设在待测轨道板外的检测主机连接；

6、作为优选的，步骤1中，检测网格和速度传感器按下述方案进行布设：

7、网格长度和宽度均小于等于600mm；速度传感器要避开被测轨道板上的轨枕位置，且与待测轨道板边缘的距离大于等于30cm；

8、作为优选的，所述激振装置为聚能力锤。

9、步骤2、无损检测及数据处理：

10、采用激振装置在步骤1所述任一网格内进行敲击测试，敲击点距离速度传感器的距离为10±2.5cm，检测主机根据应力传感器和速度传感器测试得到的时程数据获得该测点的力时程曲线和对应的速度时程曲线，将这两条时程曲线通过快速傅里叶变换后所获得的速度谱和力谱进行相比，即获得该测点的导纳频谱曲线图；在其他网格内按同样的方法进行标准敲击测试，获得被测轨道板上所有测点的导纳频谱曲线；

11、作为优选的，被测无砟轨道板的导纳按式(1)计算：

12、

13、式中，v(f)为快速傅里叶变换后的速度谱，f(f)为快速傅里叶变换后得到力谱，h(ω)即为导纳谱；

14、步骤3、充填层质量初步判定：

15、根据步骤2所得导纳频谱曲线，计算各测点的导纳率r，获得板内导纳率ri和板角导纳率rc，根据板内导纳率阈值rit和板角导纳率阈值rct，初步判定自密实混凝土充填层的质量是否合格；

16、作为优选的，步骤3中，导纳率r按如式(2)～(4)计算：

17、hs＝f(x)max,0≤x≤100 (2)

18、

19、

20、式中，x为频率，hs为导纳频谱中频率在0～100hz范围内的导纳峰值；h为导纳频谱中频率在x1～x2hz范围内的导纳均值，取x1＝100，x2＝1200；r为导纳率，即导纳频谱曲线中在特定频率范围内的导纳峰值与导纳均值之比；

21、作为优选的，步骤3中，被测轨道板上各测点下的充填层质量按下述方法进行初步判定：

22、当板内导纳率ri≤rit或板角导纳率rc≤rct，则该测点下充填层灌注质量良好；

23、当板内导纳率ri＞rit或板角导纳率rc＞rct，则该测点下充填层存在质量缺陷；

24、作为优选的，步骤3中，导纳率阈值按下述方法确定：

25、作为优选的，步骤3中，板内导纳率阈值rit和板角导纳率阈值rct按如下方法进行取值：

26、对于土工布型地铁板式无砟轨道，板内导纳率阈值rit为1.0，板角导纳率阈值rct为2.5；

27、对于减振垫型地铁板式无砟轨道，板内导纳率阈值rit为4.5，板角导纳率阈值rct为8.0；

28、步骤4、多次检测获得导纳率基准值：

29、按步骤1～3所述方法连续检测多块无砟轨道板，测得板内导纳率ri和板角导纳率rc，从所有被测无砟轨道板中任选n块(n≥5)所有测点下充填层灌注质量均为良好的轨道板作为基准轨道板，从每块基准轨道板中各任选一个满足ri≤1/2rit、rc≤1/2rct条件的板内、板角测点，分别计算n个板内、板角测点的导纳率的均值作为板内、板角导纳率基准值；

30、作为优选的，步骤4中，导纳率基准值按式(5)、(6)计算：

31、ri0＝(ri1+ri2+ri3+···+rin)/n (5)

32、rc0＝(rc1+rc2+rc3+···+rcn)/n (6)

33、式中：ri0表示板内导纳率基准值，rc0表示板角导纳率基准值，n为基准轨道板的数量，ri1、ri2、ri3、···、rin为n块基准轨道板上满足ri≤1/2rit条件的任意测点的导纳率，rc1、rc2、rc3、···、rcn为n块无砟轨道板上满足rc≤1/2rct条件的任意测点的导纳率；

34、步骤5、充填层缺陷程度精细化评定：

35、根据步骤4所得导纳率基准值，计算充填层存在质量缺陷的被测无砟轨道板各测点下充填层的质量缺陷评价指标，按充填层质量缺陷分级标准，评定测试区段内自密实混凝土充填层的缺陷程度；

36、作为优选的，步骤5中，质量缺陷评价指标roc按式(7)、(8)进行计算：

37、对于板内测点：

38、roc＝(ris-ri0)/ri0 (7)

39、对于板角测点：

40、roc＝(rcs-rc0)/rc0 (8)

41、式中，roc为质量缺陷评价指标，表示充填层缺陷与导纳频谱特征信号参数的映射关系，定义为充填层存在质量缺陷位置处测点的导纳率与导纳率基准值的相近程度，roc≥1，ris和rcs表示充填层存在质量缺陷位置处测点的导纳率；

42、作为优选的，步骤5中，任意测点下充填层质量缺陷的分级标准为：

43、当roc≤2时，为ⅰ级缺陷，表明该测点下方30cm2范围内自密实混凝土充填层表面分布有面积为6cm2～30cm2的小气泡，数量为10～20；

44、当2≤roc≤3时，为ⅱ级缺陷，表明该测点下方30cm2范围内自密实混凝土充填层表面分布有面积为30cm2～50cm2的气泡，数量为5～10；

45、当roc≥3时，为ⅲ级缺陷，表明该测点下方30cm2范围内自密实混凝土充填层表面分布有面积为50cm2以上的缺陷，数量为1～3；

46、作为优选的，充填层质量缺陷的分级标准按下述方法确定：

47、当roc≤2时，统计该测点下方30cm2范围内自密实混凝土充填层表面面积为6cm2～30cm2的小气泡数量，所统计的测点数目不少于20个，并记录数量分布范围，定义为ⅰ级缺陷；

48、当2≤roc≤3时，统计该测点下方30cm2范围内自密实混凝土充填层表面面积为30cm2～50cm2的气泡数量，所统计的测点数目不少于20个，并记录数量分布范围，定义为ⅱ级缺陷；

49、当roc≥3时，统计该测点下方30cm2范围内自密实混凝土充填层表面面积为50cm2以上的缺陷，统计的测点数目不少于20个，并记录数量分布范围，定义为ⅲ级缺陷；

50、步骤6、被测板式轨道充填层整体质量评定：

51、若nⅰ+3*nⅱ≤3且nⅲ≤1，充填层整体质量为a级，表示灌注质量优良；

52、若3＜nⅰ+3*nⅱ≤6且nⅲ≤1，充填层整体质量为b级，表示灌注质量一般；

53、若nⅰ+3*nⅱ＞6或nⅲ＞1，充填层整体质量为c级，表示灌注质量不合格；

54、其中nⅰ为达到ⅰ级缺陷的总测点数，nⅱ为达到ⅱ级缺陷的总测点数，nⅲ为达到ⅲ级缺陷的总测点数。

55、作为优选的，被测无砟轨道板表面保持干燥或潮湿，且无积水。

56、作为优选的，被测无砟轨道板结构中的土工布或减振垫位于轨道板和自密实混凝土充填层之间。

57、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

58、(1)本发明采用聚能力锤作为激振装置，冲击波可有效穿透土工布和减振垫，并获得自密实混凝土充填层的振动响应信号，通过对导纳频谱的分析，可有效对填充层缺陷进行检测和识别。

59、(2)本发明检测设备轻巧，便于携带，能够在复杂环境下进行检测，抗环境干扰强，同时操作简单，可重复性高。

60、(3)本发明为无损检测手段，通过检测板角检测点和多个板内检测点的导纳率变化，避免了传统检测手段效率低、主观性强、以点概面、费时费力等弊端，可实现自密实混凝土充填层的快速高效、准确检测。

61、(4)本发明构建了导纳频谱特征信号参数与充填层质量缺陷的映射关系，提出了充填层缺陷识别阈值，并提供了缺陷精细化评价指标和方法，为工程验收提供了高效可靠的检测方法。