基于ABAQUS的水泥稳定建筑废料基层厚度研究

齐 琳，赵 锋，于海涛

(1.沈阳城市建设学院，辽宁 沈阳 110167；2.天津城建设计院有限公司 华南分公司，广东 深圳 518000；3.沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168)

改革开放以来中国迎来了现代化发展浪潮，到如今我国的城镇化率已达60%[1]。伴随着各种基础设施的新建以及老旧城区的拆除改造，建筑废料也大量产生。随着建筑废料数量的不断增长，可供堆放和处置建筑废料的场地日渐紧张[2]。将建筑废料合理充分的循环再利用[3]，是实现“双碳”目标的有效途径之一[4]。

建筑废料应用于道路基层与底基层在国内外已经进行了大量研究[5-6]。在路面结构设计方面，美国学者提出将建筑废料利用于道路基层和底基层，并通过结构设计分析得到建筑废料用于基层和底基层的适用性[7]。余红明，等[8]利用ABAQUS软件建立了三维道路结构模型，得出砖混再生基层会增大路面竖向位移，却能降低面层及基层底部的拉应力。王天航[9]利用ANASYS软件对建筑垃圾作为路面结构进行分析，得出建筑垃圾作为路面结构材料，可以改善路面因拉压应力、剪应力过大带来的破坏。赵连地[10]利用HPDS软件对砖混类无机混合料基层路面在拟定路面结构厚度和结构用材料上分析了砖混类骨料对基层路面的适用性。李万举，等[11]利用ANASYS软件模拟建筑废料再生基层路面结构并进行力学分析，得出水泥稳定建筑垃圾再生材料完全满足沥青混合料贯入强度性能验证及疲劳开裂验算要求。

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)[12]中规定层底拉应力为路面基层的设计指标，文章将室内试验数据作为基层厚度设计的计算参数，代入ABAQUS软件进行计算，得出两种路面结构不同交通荷载等级不同砖块含量，不同基层或底基层厚度的水泥稳定建筑废料层层底拉应力，并计算疲劳开裂寿命，为水泥稳定建筑废料基层沥青路面结构设计提供理论依据。

1 路面结构及材料参数的确定

根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)和工程实践经验，初步拟定两种路面结构：(1)面层+水泥稳定建筑废料基层+水泥稳定建筑废料底基层+土基(推荐轻、中、重交通荷载等级路面结构)；(2)面层+水泥稳定碎石基层+水泥稳定建筑废料底基层+土基(推荐适用于重、特重交通荷载等级路面结构)。结构材料和厚度如表1。

路面结构面层、基层、底基层的参数选取参照已有的研究成果，水泥稳定碎石基层以及土基弹性模量均参考《公路沥青路面设计规范》中的推荐值，文章计算的力学响应材料的结构参数如表2所示。

结构厚度的选取根据规范中推荐为：轻交通荷载等级基层厚度为200 mm～500 mm，无底基层；中交通荷载的等级基层厚度150 mm～400 mm，底基层厚度150 mm～200 mm；重交通荷载等级基层200 mm～450 mm，底基层厚度150 mm～200 mm；特重交通荷载等级基层250 mm～500 mm，底基层厚度150 mm～200 mm。

表1 拟定的路面结构

表2 路面结构参数

2 有限元模型建立

采用ABAQUS有限元软件建立三维有限元模型，路面结构设为弹性材料。

(1)模型尺寸：行车方向上长度为6 m，水平方向上长度取6 m，路面厚度取2 m，原点设置在轮隙中心点。

(2)荷载大小：荷载作用边长0.167 m×0.213 m，轮隙间距0.106 5 m，轴重为100 kN，轮胎压强0.7 MPa。

(3)边界条件：模型底部设置为完全约束，限制行车方向垂直的面z方向的位移；限制行车方向平行的面x方向的位移。假设各结构层之间完全连续[13]，三维有限元模型和模型的网格划分如图1所示。

(a) 路面结构的几何模型

(b)路面结构的网格划分

3 力学响应结果分析

荷载作用下路面结构Mises应力云图如图2所示，在荷载作用下影响的范围近似为以荷载中心为圆心的应力分布圆。

(a)结构(1)重交通

(b)结构(2)特重交通

由图3可知，当基层、底基层厚度一定时，建筑废料中砖块含量增加水泥稳定建筑废料基层层底拉应力减小。当砖块含量一定时水泥稳定建筑废料基层层底拉应力均随着基层、底基层厚度增加而减小。

路面结构(1)由于不设置底基层，基层厚度的增加对基层层底拉应力影响较大，路面结构(1)中、重交通荷载等级路面结构，基层、底基层厚度一定时，随着建筑废料中砖块掺量增加，底基层层底拉应力减小。路面结构(2)的基层材料选用水泥稳定碎石，底基层材料选用水泥稳定建筑废料。基层、底基层厚度一定，当底基层材料中砖块含量增加，层底拉应力减小；当基层、底基层厚度增加，底基层层底拉应力减小。

图3 路面结构层底拉应力

4 水泥稳定建筑废料基层疲劳寿命分析

4.1 水泥稳定建筑废料层疲劳寿命计算

根据力学响应计算结果，路面结构(1)中、重交通荷载等级以及路面结构(2)重、特重交通荷载等级的底基层底部所受的层底拉应力最大，路面结构(1)轻交通荷载等级的基层所受的层底拉应力最大。结合《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中水泥稳定建筑废料层疲劳开裂验算式(1)，计算各种路面结构的水泥稳定建筑废料层疲劳开裂寿命。

(1)

所得各路面结构的水泥稳定建筑废料层开裂寿命结果如图4所示。

图4 路面结构疲劳开裂寿命

由图4可得随着建筑废料中砖块含量的升高，疲劳开裂寿命下降，砖块含量对疲劳开裂寿命的影响在结构(1)轻交通中体现最为明显。随着基层厚度的增加，疲劳开裂寿命呈指数形式增长，基层厚度越大不同砖块含量的水泥稳定建筑废料基层疲劳开裂寿命相差越大。

4.2 不同交通荷载等级水泥稳定建筑废料层疲劳寿命参考值

以沈阳地区二级公路为例，路面结构设计年限为12年。路面结构所承受的交通荷载分级如表3所示，所选取交通量如表4所示。当量轴载换算中，满载、非满载比例选取如表5所示。经计算可得不同交通荷载等级水泥稳定建筑废料层累计作用轴次，结果如表6所示。

表3 交通荷载等级

表4 车辆类型分布系数和各交通荷载等级情况下的交通量

表5 2类～11类车辆非满载与满载车比例

表6 不同交通荷载等级水泥稳定建筑废料层累计作用(轴次)

4.3 不同交通荷载等级的路面结构厚度

结合计算得出的水泥稳定建筑废料层疲劳开裂寿命以及假定的累计作用轴次，分析不同路面结构下不同路面结构厚度的疲劳作用次数变化情况，如图5、图6所示。

图5 路面结构(1)不同荷载下的路面结构厚度

图6 路面结构(2)不同荷载下的路面结构厚度

路面结构(1)轻交通，基于轻交通荷载等级，满足路面基层耐久性以及经济适用性，当砖块含量为0时，基层厚度宜选择(200+200)mm；当水泥稳定建筑废料基层材料中含有砖块，基层厚度宜选择(200+250)mm。路面结构(1)中交通，基于中交通荷载等级，当砖块含量为0、10%时，基层、底基层总厚度为(200+250)mm满足中交通荷载等级要求；当砖块含量为20%、30%时，基层、底基层总厚度为(200+200)mm+(200)mm，满足中交通荷载等级要求。路面结构(1)重交通，基于重交通荷载等级，当砖块含量为0时，基层、底基层总厚度为(200+200)mm，满足重交通荷载等级要求；当砖块含量为10%、20%时，基层、底基层总厚度为(200+250)mm时，满足重交通荷载等级要求；当砖块含量为30%时，基层、底基层总厚度为(200+200)mm +(200)mm满足重交通荷载等级要求。

路面结构(2)重交通，根据满足重交通荷载等级要求，当砖块含量为0时，宜选择水泥稳定碎石基层200 mm，水泥稳定建筑废料底基层200 mm的路面结构；当砖块含量为10%时，宜选择水泥稳定碎石基层200 mm，水泥稳定建筑废料底基层200 mm的路面结构；砖块含量为20%时，底基层厚度为250 mm，基层200 mm；当砖块含量为30%时，底基层厚度为250 mm，基层200 mm满足重交通荷载等级要求。路面结构(2)特重交通，根据满足交通荷载等级要求，四种砖块含量(0、10%、20%、30%)均选择水泥稳定碎石基层(200+200)mm，水泥稳定建筑废料底基层200 mm的路面结构，满足特重交通荷载等级要求。

路面结构设计中无机结合料稳定层层底拉应力的敏感性大小排列为基层厚度>底基层模量>基层模量。由于路面结构(2)重交通、特重交通所推荐的路面结构层厚度较大，造成无机结合料稳定层厚度对层底拉应力的大小影响最大。当砖块掺量增加时，砖块掺量对路面结构敏感性比基层厚度对路面结构敏感性较低，造成砖块掺量对路面结构不敏感。

5 结论

文章根据工程经验选定路面结构类型以及根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)推荐基层、底基层厚度范围，利用 ABAQUS 有限元数值分析软件对水泥稳定建筑废料基层沥青路面结构进行了力学分析。分析结果表明：

1)路面结构(1)中，交通荷载等级为轻时，水泥稳定建筑废料层层底最大拉应力处于基层底；路面结构(1)中交通荷载等级为中、重以及路面结构(2)中重交通荷载等级为中、特重时，水泥稳定建筑废料层层底最大拉应力处于底基层。

2)随着建筑废料中砖块含量增加，水泥稳定建筑废料层层底拉应力逐渐减小。当砖块含量一定时，水泥稳定建筑废料层层底拉应力随着水泥稳定建筑废料层厚度增加而减小。

3)根据ABAQUS有限元模拟软件计算得出的水泥稳定建筑废料层层底拉应力，结合水泥稳定建筑废料层疲劳开裂验算公式，可以得到各种工况下水泥稳定建筑废料层疲劳开裂寿命。

4)根据不同交通荷载等级的需求以及路面使用的耐久性、经济性，给出水泥稳定建筑废料用作基层或者底基层时厚度取值建议。