朔黄铁路有限责任公司线路检测和救援中心 河北沧州 062350
摘要：现阶段铁路多层线下结构在运营过程中出现了CA砂浆层脱空、支承层与路基基床顶面间脱空等病害，严重制约铁路的快速发展。在检测多层线下结构方面，与其它无损检测方法相比探地雷达具有检测里程长、快速连续等特点，探地雷达在铁路多层线下结构病害检测中的适用性已经成为一个亟待解决的问题。基于此，本文主要对探地雷达检测铁路道床翻浆冒泥的时频域特征进行分析探讨。
关键词：探地雷达；检测铁路道床；翻浆冒泥；时频域特征
前言
目前翻浆冒泥病害雷达图像多依赖工程技术人员探地雷达检测和铁路工作的经验判断，无固定标准且现场试验在运营条件下难以实施。现依靠西南交通大学机车博物馆修建的标准铁路股道进行物理试验，模拟在铁路路基检测中的道床翻浆冒泥病害，分析其时域和频域波形，研究波形特征点的变化和不同情况下道床介质对探地雷达电磁波的吸收反射特征。为铁路路基检测中道床翻浆冒泥的病害图像解译工作及３５０MHz空气耦合天线对道床介质的反射特征提供参考依据。
1、试验系统与工况
1.1试验系统及采集设置
试验系统安装在特制铁路路基检测小车上，并配备GSSI公司的SIR—２０型雷达主机和瑞典RadarteamAB公司的３５０MHz空气耦合天线，该天线波瓣宽度６８°，收发距３５.０cm。天线置于股道中心上方，天线距道砟面４０.０cm，足迹宽度８９.０cm，股道轨距１４３.５cm，两侧铁轨及扣件在主探测区外部。采集时，时窗设置为４０ns，增益设置为０。
1.2试验材料及工况
为模拟既有线铁路中的翻浆冒泥情况，试验材料选取当地的粉质黏土与水按质量比３∶１形成泥浆２０kg。泥浆倾倒在道砟上后会向下渗透，模拟在列车动荷载情况中下部泥浆向上翻冒的形态。试验时间１０：００～１４：００及次日１０：００，该时段日照强且平均气温为３０℃，泥浆中水分蒸发快，到次日泥浆已干燥开裂形成板结。泥浆随光照时间不断干燥可模拟道砟层不同含水率的翻浆冒泥情况。试验点为西南交大机车博物馆混凝土轨枕有砟股道，道砟岩性为花岗岩。泥浆搅拌均匀后均分为两份，工况A先将道砟层向下开挖１５cm，倾倒其中一份泥浆，铺匀之后再将原开挖道砟复原；工况B取另一份直接倾倒至道砟表面并铺匀。两种工况分别模拟道床翻浆冒泥未至道砟面和至道砟面的两种情况。
2、试验过程、结果及分析
2.1试验过程
（１）在A、B处采集道砟层无翻浆冒泥病害的A扫描和AB段无翻浆冒泥的B扫描雷达数据。
（２）用泥浆按上文叙述对工况A、B进行处理，适当压实，取得时长２min的A扫描数据。
（３）每隔３０min，对工况A、B进行时长２min的A扫描数据采集和B扫描数据采集，并重复７次。
（４）２４h后对泥浆已干燥后的工况A、B进行
（３）相同采集工作，获得低含水率情况下的数据。
（５）在股道其他４个位置分别施加工况A、B各两处的相同处理，取得A扫描数据随机样本并增加样本的数量。
2.2结果及分析
运用MATLAB对点采集原始数据进行时间域振幅分析，并使用快速傅立叶变换（FFT）对其频谱进行分析。B扫描剖面数据按照：去直流、去空气背景、垂直时间域滤波、水平低通滤波、线性和指数增益流程处理，分析道床翻浆冒泥病害在天线正常检测路基情况下的图像特征。
２.２.１时域结果及分析
图1为A、B两处翻浆冒泥前后最短时间间隔的时域波形图。通过天线收发距与天线距道砟面距离知，道砟面处反射应为时域波形直达波滞后１.５ns，反应在翻浆冒泥图像上则成为时域波形的第一波峰，道砟中部添加翻浆冒泥的位置应为时域波形第二波峰。
图1 翻浆冒泥前后时域图
为更好地从数据上观察随着时间的增加，蒸发导致含水率降低，从而带来时间域波形的变化。利用MATLAB提取原始数据的幅值，并对反射波在工况A第二波峰和工况B第一波峰两个明显时域特征点的变化进行追踪，统计了这两点随时间变化的９组测试数据幅值，如图2所示。
图2 时域特征点随时间变化图
图1中，工况A道砟面波形前后相对幅值不变，波形也无拉伸，当道砟中部产生翻浆冒泥后，出现反射波振幅值的不明显增加和波形的轻微拉伸；工况B可见理论上的波峰１.５ns滞后，且在道砟面和道砟中部均有强反射产生，反射波相对振幅值明显增加，且整个波形从道砟面开始都有向后拉伸的趋势。道砟面产生翻浆冒泥后，一方面由于含水率的增加道砟面的反射波幅值得到明显增加；另一方面由于泥浆填充了孔隙导致反射波走时的延长，反应在整个时域波形上就是有向后拉伸的趋势。
图2中，在工况A道砟内翻浆冒泥发生后，时域特征点振幅升高且随着时间推移和含水率的降低振幅逐渐回落，２４h后的振幅已经与未翻浆冒泥情况下差异较小。工况B在翻浆冒泥发生后，时域特征点振幅升高，随着时间推移和含水率的降低振幅回落，但由于泥浆封住了道砟间的孔隙，导致下面的水分难以蒸发，其振幅降低有限，２４h后依然和未翻浆冒泥的情况存在较大差异。据此推断在道床翻浆冒泥比较严重的区段，可能会导致严重的排水问题。
２.２.２频域结果及分析
在试验后，天线对空测试获得直达波频谱。直达波频谱能很好地表征出当天线没有任何介质影响时的频谱特征。为研究随时间变化，泥浆向下渗透并且含水率减小的情况下频谱的变化特征，追踪频谱主峰值频点（３５０MHz附近）和次峰值频点（４５０MHz）在９组测试数据中的变化未翻浆冒泥前频谱峰值主要集中在３００MHz，A、B遇道砟后频谱峰值发生小幅度移动，移动到３５０MHz处，并且峰值有大幅度升高。４００MHz这个频点的能量显著减弱，被道砟介质吸收。４５０MHz频点附近反而产生了频谱的一个次波峰。显然道砟在频谱上最明显的三个特征频点应该是３５０MHz、４００MHz和４５０MHz。
翻浆冒泥前后频谱基本波形不变。３５０MHz频谱主峰值幅度有减弱的趋势，因石砟产生的４００MHz特征频点未发生明显变化，而４５０
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论文作者:李雪
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第5期
论文发表时间:2019/9/24
标签：工况论文; 时域论文; 波形论文; 泥浆论文; 频谱论文; 振幅论文; 特征论文; 《建筑细部》2019年第5期论文;