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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)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?；鶎印⒌谆鶎雍穸纫欢?，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(jì)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jì)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。