基于ABAQUS的水泥穩(wěn)定建筑廢料基層厚度研究

齊 琳，趙 鋒，于海濤

(1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110167；2.天津城建設(shè)計院有限公司 華南分公司，廣東 深圳 518000；3.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

改革開放以來中國迎來了現(xiàn)代化發(fā)展浪潮，到如今我國的城鎮(zhèn)化率已達(dá)60%[1]。伴隨著各種基礎(chǔ)設(shè)施的新建以及老舊城區(qū)的拆除改造，建筑廢料也大量產(chǎn)生。隨著建筑廢料數(shù)量的不斷增長，可供堆放和處置建筑廢料的場地日漸緊張[2]。將建筑廢料合理充分的循環(huán)再利用[3]，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的有效途徑之一[4]。

建筑廢料應(yīng)用于道路基層與底基層在國內(nèi)外已經(jīng)進行了大量研究[5-6]。在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，美國學(xué)者提出將建筑廢料利用于道路基層和底基層，并通過結(jié)構(gòu)設(shè)計分析得到建筑廢料用于基層和底基層的適用性[7]。余紅明，等[8]利用ABAQUS軟件建立了三維道路結(jié)構(gòu)模型，得出磚混再生基層會增大路面豎向位移，卻能降低面層及基層底部的拉應(yīng)力。王天航[9]利用ANASYS軟件對建筑垃圾作為路面結(jié)構(gòu)進行分析，得出建筑垃圾作為路面結(jié)構(gòu)材料，可以改善路面因拉壓應(yīng)力、剪應(yīng)力過大帶來的破壞。趙連地[10]利用HPDS軟件對磚混類無機混合料基層路面在擬定路面結(jié)構(gòu)厚度和結(jié)構(gòu)用材料上分析了磚混類骨料對基層路面的適用性。李萬舉，等[11]利用ANASYS軟件模擬建筑廢料再生基層路面結(jié)構(gòu)并進行力學(xué)分析，得出水泥穩(wěn)定建筑垃圾再生材料完全滿足瀝青混合料貫入強度性能驗證及疲勞開裂驗算要求。

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2017)[12]中規(guī)定層底拉應(yīng)力為路面基層的設(shè)計指標(biāo)，文章將室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)作為基層厚度設(shè)計的計算參數(shù)，代入ABAQUS軟件進行計算，得出兩種路面結(jié)構(gòu)不同交通荷載等級不同磚塊含量，不同基層或底基層厚度的水泥穩(wěn)定建筑廢料層層底拉應(yīng)力，并計算疲勞開裂壽命，為水泥穩(wěn)定建筑廢料基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)的確定

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2017)和工程實踐經(jīng)驗，初步擬定兩種路面結(jié)構(gòu)：(1)面層+水泥穩(wěn)定建筑廢料基層+水泥穩(wěn)定建筑廢料底基層+土基(推薦輕、中、重交通荷載等級路面結(jié)構(gòu))；(2)面層+水泥穩(wěn)定碎石基層+水泥穩(wěn)定建筑廢料底基層+土基(推薦適用于重、特重交通荷載等級路面結(jié)構(gòu))。結(jié)構(gòu)材料和厚度如表1。

路面結(jié)構(gòu)面層、基層、底基層的參數(shù)選取參照已有的研究成果，水泥穩(wěn)定碎石基層以及土基彈性模量均參考《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中的推薦值，文章計算的力學(xué)響應(yīng)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

結(jié)構(gòu)厚度的選取根據(jù)規(guī)范中推薦為：輕交通荷載等級基層厚度為200 mm～500 mm，無底基層；中交通荷載的等級基層厚度150 mm～400 mm，底基層厚度150 mm～200 mm；重交通荷載等級基層200 mm～450 mm，底基層厚度150 mm～200 mm；特重交通荷載等級基層250 mm～500 mm，底基層厚度150 mm～200 mm。

表1 擬定的路面結(jié)構(gòu)

表2 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 有限元模型建立

采用ABAQUS有限元軟件建立三維有限元模型，路面結(jié)構(gòu)設(shè)為彈性材料。

(1)模型尺寸：行車方向上長度為6 m，水平方向上長度取6 m，路面厚度取2 m，原點設(shè)置在輪隙中心點。

(2)荷載大?。汉奢d作用邊長0.167 m×0.213 m，輪隙間距0.106 5 m，軸重為100 kN，輪胎壓強0.7 MPa。

(3)邊界條件：模型底部設(shè)置為完全約束，限制行車方向垂直的面z方向的位移；限制行車方向平行的面x方向的位移。假設(shè)各結(jié)構(gòu)層之間完全連續(xù)[13]，三維有限元模型和模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

(a) 路面結(jié)構(gòu)的幾何模型

(b)路面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

3 力學(xué)響應(yīng)結(jié)果分析

荷載作用下路面結(jié)構(gòu)Mises應(yīng)力云圖如圖2所示，在荷載作用下影響的范圍近似為以荷載中心為圓心的應(yīng)力分布圓。

(a)結(jié)構(gòu)(1)重交通

(b)結(jié)構(gòu)(2)特重交通

由圖3可知，當(dāng)基層、底基層厚度一定時，建筑廢料中磚塊含量增加水泥穩(wěn)定建筑廢料基層層底拉應(yīng)力減小。當(dāng)磚塊含量一定時水泥穩(wěn)定建筑廢料基層層底拉應(yīng)力均隨著基層、底基層厚度增加而減小。

路面結(jié)構(gòu)(1)由于不設(shè)置底基層，基層厚度的增加對基層層底拉應(yīng)力影響較大，路面結(jié)構(gòu)(1)中、重交通荷載等級路面結(jié)構(gòu)，基層、底基層厚度一定時，隨著建筑廢料中磚塊摻量增加，底基層層底拉應(yīng)力減小。路面結(jié)構(gòu)(2)的基層材料選用水泥穩(wěn)定碎石，底基層材料選用水泥穩(wěn)定建筑廢料?；鶎?、底基層厚度一定，當(dāng)?shù)谆鶎硬牧现写u塊含量增加，層底拉應(yīng)力減??；當(dāng)基層、底基層厚度增加，底基層層底拉應(yīng)力減小。

圖3 路面結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力

4 水泥穩(wěn)定建筑廢料基層疲勞壽命分析

4.1 水泥穩(wěn)定建筑廢料層疲勞壽命計算

根據(jù)力學(xué)響應(yīng)計算結(jié)果，路面結(jié)構(gòu)(1)中、重交通荷載等級以及路面結(jié)構(gòu)(2)重、特重交通荷載等級的底基層底部所受的層底拉應(yīng)力最大，路面結(jié)構(gòu)(1)輕交通荷載等級的基層所受的層底拉應(yīng)力最大。結(jié)合《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2017)中水泥穩(wěn)定建筑廢料層疲勞開裂驗算式(1)，計算各種路面結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定建筑廢料層疲勞開裂壽命。

(1)

所得各路面結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定建筑廢料層開裂壽命結(jié)果如圖4所示。

圖4 路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂壽命

由圖4可得隨著建筑廢料中磚塊含量的升高，疲勞開裂壽命下降，磚塊含量對疲勞開裂壽命的影響在結(jié)構(gòu)(1)輕交通中體現(xiàn)最為明顯。隨著基層厚度的增加，疲勞開裂壽命呈指數(shù)形式增長，基層厚度越大不同磚塊含量的水泥穩(wěn)定建筑廢料基層疲勞開裂壽命相差越大。

4.2 不同交通荷載等級水泥穩(wěn)定建筑廢料層疲勞壽命參考值

以沈陽地區(qū)二級公路為例，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計年限為12年。路面結(jié)構(gòu)所承受的交通荷載分級如表3所示，所選取交通量如表4所示。當(dāng)量軸載換算中，滿載、非滿載比例選取如表5所示。經(jīng)計算可得不同交通荷載等級水泥穩(wěn)定建筑廢料層累計作用軸次，結(jié)果如表6所示。

表3 交通荷載等級

表4 車輛類型分布系數(shù)和各交通荷載等級情況下的交通量

表5 2類～11類車輛非滿載與滿載車比例

表6 不同交通荷載等級水泥穩(wěn)定建筑廢料層累計作用(軸次)

4.3 不同交通荷載等級的路面結(jié)構(gòu)厚度

結(jié)合計算得出的水泥穩(wěn)定建筑廢料層疲勞開裂壽命以及假定的累計作用軸次，分析不同路面結(jié)構(gòu)下不同路面結(jié)構(gòu)厚度的疲勞作用次數(shù)變化情況，如圖5、圖6所示。

圖5 路面結(jié)構(gòu)(1)不同荷載下的路面結(jié)構(gòu)厚度

圖6 路面結(jié)構(gòu)(2)不同荷載下的路面結(jié)構(gòu)厚度

路面結(jié)構(gòu)(1)輕交通，基于輕交通荷載等級，滿足路面基層耐久性以及經(jīng)濟適用性，當(dāng)磚塊含量為0時，基層厚度宜選擇(200+200)mm；當(dāng)水泥穩(wěn)定建筑廢料基層材料中含有磚塊，基層厚度宜選擇(200+250)mm。路面結(jié)構(gòu)(1)中交通，基于中交通荷載等級，當(dāng)磚塊含量為0、10%時，基層、底基層總厚度為(200+250)mm滿足中交通荷載等級要求；當(dāng)磚塊含量為20%、30%時，基層、底基層總厚度為(200+200)mm+(200)mm，滿足中交通荷載等級要求。路面結(jié)構(gòu)(1)重交通，基于重交通荷載等級，當(dāng)磚塊含量為0時，基層、底基層總厚度為(200+200)mm，滿足重交通荷載等級要求；當(dāng)磚塊含量為10%、20%時，基層、底基層總厚度為(200+250)mm時，滿足重交通荷載等級要求；當(dāng)磚塊含量為30%時，基層、底基層總厚度為(200+200)mm +(200)mm滿足重交通荷載等級要求。

路面結(jié)構(gòu)(2)重交通，根據(jù)滿足重交通荷載等級要求，當(dāng)磚塊含量為0時，宜選擇水泥穩(wěn)定碎石基層200 mm，水泥穩(wěn)定建筑廢料底基層200 mm的路面結(jié)構(gòu)；當(dāng)磚塊含量為10%時，宜選擇水泥穩(wěn)定碎石基層200 mm，水泥穩(wěn)定建筑廢料底基層200 mm的路面結(jié)構(gòu)；磚塊含量為20%時，底基層厚度為250 mm，基層200 mm；當(dāng)磚塊含量為30%時，底基層厚度為250 mm，基層200 mm滿足重交通荷載等級要求。路面結(jié)構(gòu)(2)特重交通，根據(jù)滿足交通荷載等級要求，四種磚塊含量(0、10%、20%、30%)均選擇水泥穩(wěn)定碎石基層(200+200)mm，水泥穩(wěn)定建筑廢料底基層200 mm的路面結(jié)構(gòu)，滿足特重交通荷載等級要求。

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中無機結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力的敏感性大小排列為基層厚度>底基層模量>基層模量。由于路面結(jié)構(gòu)(2)重交通、特重交通所推薦的路面結(jié)構(gòu)層厚度較大，造成無機結(jié)合料穩(wěn)定層厚度對層底拉應(yīng)力的大小影響最大。當(dāng)磚塊摻量增加時，磚塊摻量對路面結(jié)構(gòu)敏感性比基層厚度對路面結(jié)構(gòu)敏感性較低，造成磚塊摻量對路面結(jié)構(gòu)不敏感。

5 結(jié)論

文章根據(jù)工程經(jīng)驗選定路面結(jié)構(gòu)類型以及根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2017)推薦基層、底基層厚度范圍，利用 ABAQUS 有限元數(shù)值分析軟件對水泥穩(wěn)定建筑廢料基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進行了力學(xué)分析。分析結(jié)果表明：

1)路面結(jié)構(gòu)(1)中，交通荷載等級為輕時，水泥穩(wěn)定建筑廢料層層底最大拉應(yīng)力處于基層底；路面結(jié)構(gòu)(1)中交通荷載等級為中、重以及路面結(jié)構(gòu)(2)中重交通荷載等級為中、特重時，水泥穩(wěn)定建筑廢料層層底最大拉應(yīng)力處于底基層。

2)隨著建筑廢料中磚塊含量增加，水泥穩(wěn)定建筑廢料層層底拉應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)磚塊含量一定時，水泥穩(wěn)定建筑廢料層層底拉應(yīng)力隨著水泥穩(wěn)定建筑廢料層厚度增加而減小。

3)根據(jù)ABAQUS有限元模擬軟件計算得出的水泥穩(wěn)定建筑廢料層層底拉應(yīng)力，結(jié)合水泥穩(wěn)定建筑廢料層疲勞開裂驗算公式，可以得到各種工況下水泥穩(wěn)定建筑廢料層疲勞開裂壽命。

4)根據(jù)不同交通荷載等級的需求以及路面使用的耐久性、經(jīng)濟性，給出水泥穩(wěn)定建筑廢料用作基層或者底基層時厚度取值建議。