CRTSⅡ型板式无砟轨道直接承载高速列车运行,是保证高密度、高时速列车安全行驶的硬件结构,由轨道板、水泥乳化沥青(Cenment-emulsified Asphalt,CA)砂浆层、支承层等部分组成。在自然环境荷载和列车荷载的反复作用下,做为无砟轨道结构弹性调整层的CA砂浆层逐渐失效、劣化、形成脱空,如未能及时检测识别,将进一步演变为病害,严重威胁无砟轨道结构的整体性、连续性和高速铁路列车行车的安全性。但是,CA砂浆层脱空位于无砟轨道结构内部,隐蔽性强,无法通过外观及时检测。本文针对CA砂浆层脱空检测这一重大工程需求,围绕弹性波检测和识别方法中的弹性波传播特性、病害回波特征参数提取、弹性波信号的分类识别等关键问题开展研究工作:(1)弹性波在无砟轨道结构中的传播特性利用弹性波传播理论,研究了弹性波在无砟轨道板和砂浆层界面处转换波能量和反射系数的变化规律。弹性波以一定角度入射到正常无砟轨道结构内界面时,界面处透射P波的能量较高,P波入射时其能量占80%-60%,S波入射时,其能量占比最高达到50%;当砂浆层出现劣化时,反射P波能量逐渐增加。弹性波垂直入射时,结构内只存在反射P波和透射P波,入射波频率影响P波反射系数,当砂浆层出现劣化时,高频入射波的反射系数可以达到98%。建立了含砂浆层脱空的无砟轨道有限元数值模型,研究了低频弹性波、R波和P波在无砟轨道层状结构中的传播特性。CA砂浆层中脱空害尺寸不同时,各种弹性波反射持续时间不同,小尺寸脱空对弹性波传播路径干扰较小,反射作用时间短,脱空尺寸增加时,对弹性波传播的阻碍增加,延长了弹性波在结构内的传播周期。(2)基于低频弹性波响应特性的病害回波特征提取与分类识别利用有限元数值模型的低频响应结果,构建了低频响应的病害特征参数,通过模型试验进行有效特征参数的分析和提取。当砂浆层没有脱空时,导纳曲线平滑、连续,导纳峰谷差值较小,高频处无明显的尖峰;当砂浆层存在0.3m以上脱空时,导纳峰谷差值越大,导纳曲线振荡剧烈。利用One-class SVM算法对低频弹性波信号进行了分类识别。通过对病害回波特征参数的计算机优选和合理分类模型的比选,创建了特征参数与0.3m以上脱空的非线性映射关系,实现了高精度的低频弹性波信号分类。(3)基于高频面波特性的病害回波特征提取与识别利用有限元数值模型的面波响应结果和基于层状介质矩阵传递算法计算的频散结果,构建了面波响应的病害回波特征参数,通过模型试验进行了有效特征参数的分析和提取。当脱空尺寸由0.05m增加到0.2m时,f-k谱图、频散能量团和频散曲线的高频分量均会出现较大的跳跃现象,0.05m脱空吸收了部分能量,降低了接收点的能量振幅,0.1m和0.2m脱空的反射作用较强,使能量振幅增加。(4)基于P波特性的病害回波特征提取与识别方法利用有限元数值模型的P波响应结果,构建了P波响应的病害特征参数,通过模型试验进行有效特征参数的分析和提取。通过在频域状态下查看不同振幅下所记录波形的各种频率,根据不同频带处频率峰值高低、频域共振峰分布特点、功率密度值大小可以识别砂浆层脱空状况。利用小波分析和Burg功率谱分析进行了更精准的P波信号的脱空病害回波识别和定位。两种方法均可以实现弹性波特定频带弱回波信号的增强,Burg功率谱更适用于存在多个频率差相差较小的信号。在P波信号的Burg功率谱谱图中,砂浆层回波和缺陷边缘回波能明显区分开,0.05m脱空的边界点位置能被准确识别。