高速铁路路基活动缺陷检测与监测方法研究

The comfort and safety of the high-speed railway lie on the plainness and stability of the railway subgrade. The concrete subgrade is a non-even structure. The concealed defects of the subgrade will extend to apparent defects in the heavy load which will effect the safety of railway traffic. There is not any effective testing method about railway subgrade defects. This project will research cracking mechanism, cracks spreading rules and stabilization criterion of concrete structures by experiments, theoretical analysis and numerical simulations. The force-electromagnetic effects of concrete cracking, the force-electromagnetic effects from steady cracks to unsteady cracks and the cracking process calculating models will also be researched. The evaluating criterion of concrete safety and stabilization will be found while the noncontact crack inspecting method of concrete structure is developed. At last, a high-quality equipment of railway subgrade crack detecting and evaluating will be developed. This research is belong to cross subject. The research results are valuable to the subgrade safety inspection of high-speed railway and to the concrete mechanics.

高速铁路的舒适性和安全性很大程度上取决于路基的平顺度和稳定性，而钢筋混凝土路基是一种非均匀的缺陷材料结构，在外界扰动下，隐性缺陷逐渐转变为显性缺陷，缺陷扩展到一定程度将影响高速铁路安全运行。目前还没有现实可行的在役高速铁路路基缺陷检测监测方法。本项目拟采用试验、理论分析和数值模拟计算相结合的手段，通过对含缺陷混凝土的起裂机理、扩展准则以及裂缝结构的稳定扩展判据进行深入的系统研究，探索裂纹起裂时的力电磁效应，裂纹稳定到非稳定扩展瞬态的力电磁效应，以及断裂全过程的跨尺度计算模型；发展针对缺陷混凝土结构非接触动态监测理论，并形成一套基于结构内部缺陷扩展稳定识别的整体安全稳定评价准则；研制高信噪比和可靠性的高速铁路混凝土路基活动缺陷检测监测仪器。本研究属交叉学科，研究成果对于促进我国高速铁路路基安全监测、混凝土力学学科的发展具有重要的科学和工程意义。

高速铁路的舒适性和安全性很大程度上取决于路基的平顺度和稳定性，而钢筋混凝土路基是一种非均匀的缺陷材料结构，在外界扰动下，隐形缺陷逐渐转变为显性缺陷，缺陷扩展到一定程度将影响高速铁路的安全运行。目前还没有现实可行的在役高速铁路路基缺陷检测监测方法。本项目通过试验、理论分析和数值模拟计算相结合的手段，对含缺陷混凝土的起裂机理、扩展准则以及裂缝结构的稳定扩展判据进行深入的系统研究，探索裂纹起裂时的力电磁效应，裂纹稳定到非稳定扩展瞬态的力电磁效应，以及断裂全过程的跨尺度计算模型，发展针对缺陷混凝土结构非接触动态监测理论，并形成一套基于结构内部缺陷扩展稳定识别的整体安全稳定评价准则。研制高信噪比和可靠性的高速铁路混凝土路基活动缺陷检测监测仪器。. 通过深入的理论分析，提出了应力激发电偶极子模型。此模型进一步阐释了缺陷扩展过程中应力变化与电磁辐射之间的联系，推导出了混凝土材料的力学属性与电磁辐射的电场强度、磁场强度以及辐射频率之间的关系，为后期处理电磁辐射信号提供了理论支持。应力激发电偶极子模型是基于断裂力学和电动力学理论建立的，该模型将裂纹尖端处所受的应力变化情况与电磁辐射的频率和幅值有效的联系起来，推导出了裂纹尖端应力的变化是导致电磁辐射的最主要原因，且电磁辐射的能量来自于裂纹尖端应力变化产生的应变能。其次，通过分析裂纹尖端的位移场，建立了破裂过程的力电耦合模型，该模型将裂纹尖端的张开位移量与电磁辐射的幅值建立了联系，进而得出了通过电磁辐射的幅值大小判断破裂情况的评估方法。最后，采用实验研究的方法，通过在电磁屏蔽箱中的自膨胀破裂实验，得到了无外界电磁波信号干扰的混凝土破裂过程中产生的电磁辐射信号。基于应力激发电偶极子模型和力电耦合模型对所测得信号的分析，可初步判断混凝土试样的裂纹产生和扩展的情况。解决了如何判断电磁辐射信号与混凝土开裂扩展过程之间的关系问题。. 本研究属于交叉学科，研究成果对于促进我国高速铁路路基安全监测，混凝土力学学科的发展具有重要的科学和工程意义。