高液限红黏土路基处理方案经济效益分析

梁高荣

摘要：采用高液限红黏土填筑路基会导致路面出现早期破坏，而在工程中不同的路基处理方式其工程效果和经济效果也不相同。文章采用全寿命周期经济理论，以典型路面宽度为10 m的二级公路为代表，统计分析25年内路面维修费用与初期不同路基处理方案的增加费用，比较不同处置方式的综合经济效益以及不同处理方式在不同工程条件下的适用性，为红黏土路基处理方案决策提供依据。

关键词：路基;高液限;红黏土;全寿命;经济效益

Filling the roadbed with high liquid limit red clay will lead to early damage on the road surface，while the different roadbed treatment methods have different engineering effects and economic effects in the engineering.By using the full life cycle economic theory，and represented by a secondary highway with a typical pavement width of 10m，this article conducts the statistical analysis on the pavement repair cost and the increased cost of different initial roadbed treatment schemes in past 25 years，compares the comprehensive economic benefits of different treatment methods and the applicability of different treatment methods under different engineering conditions，thus providing a basis for the decision of red clay roadbed treatment plan.

Subgrade;High liquid limit;Red clay;Full life;Economic benefit

0 引言

目前，我國很多公路在通车不久，路面便出现大范围、不同程度的早期损坏，除了路面各结构层自身施工质量因素以外，路基质量隐患也是造成路面早期损坏的主要原因[1]。根据大量工程实践表明：高液限红黏土透水性较差，毛细现象明显，吸水后承载力小、稳定性差，具有较大可塑性、弱膨胀性和黏性，一般不建议用于公路路基修筑，但从经济效益和资源合理利用角度出发，尤其对于投资受控的二级及其以下公路，高液限红黏土修筑技术势在必行。对具有膨胀性的高液限黏土的设计思路基本是参考膨胀土进行，通常有清表压实、换填处理和改性处理等[2-4]。不同处理方式其工程效果和经济效果不同，特别是从公路使用年限的全寿命周期考虑。因此对比不同处理方案在全寿命周期内的经济效益对决策方案至关重要。

1 高液限红黏土处理方案

对高液限红黏土的处理思路主要是通过提高土体密实度，有效减少土体中的孔隙率，防止水分渗入;同时通过路基内部排水结构的设置，控制路基温湿度在一定范围内的变化，从而保持路基土的稳定性[5-7]。目前主要的处理方式有掺砂增加压实厚度、设计复合碎石排水层、加石灰处理等。

1.1 掺砂增加压实厚度

在高液限红黏土中掺砂改变土中粗粒组比例，建议使用中粗河砂，粒径范围为5～20 mm，掺砂砾比例为砂∶砾∶土=10∶15∶75，上路床一般采用砂∶砾∶土=10∶20∶70，掺配比例为20%～30%[8]。严格按照最佳含水量进行碾压，必要时采用翻晒设备加快水分挥发以使其达到要求。

1.2 复合碎石排水层设计

碎石层设置在路基顶面以下60～80 cm处，厚度设计为10～15 cm。在碎石排水层顶面和底面铺设土工布。上层采用透水土工布，下层采用隔水作用土工布，铺筑满足路基横向排水要求。中间碎石排水层采用轧制碎石，压碎值要求≤40%，最大粒径<31.5 mm，针片状颗粒含量≤20%[9]。

1.3 加生石灰吸水增强

在红黏土中加入生石灰，一方面可以吸收黏土中的水分起到凝聚增塑作用;同时石灰的碳化作用和胶凝作用产生粘结反应使土的承载力提高。掺入6%的生石灰粉可作为最佳配比参考值，石灰处理深度一般在路基顶面以下60～80 cm范围。

2 红黏土路基不同施工方案经济计算分析原则

2.1 全寿命周期经济计算理论模型

2.2 差异化成本费用计算方法

在大多数情况下，道路使用过程中对于路基病害是难以很好处理的，路基病害所引发的路面病害只能通过对路面不断修补和加铺来解决，因此在计算中，维修费用主要考虑防治路面病害所需的维修费用。如果路面在使用中只是表面有问题则所需费用较少;如果路面结构出现问题则所需费用会大大增加。在经济分析中还应考虑道路维修对车辆正常运营的影响，但这比较复杂，各种数据难以获取。在费用计算中采用狭义的全寿命周期建设成本，主要考虑不同施工方案的建筑安装费、运营期养护费。

CA（差异化费用）=CI（初期不同路基施工方案增加投资）+CM（用于路面维修的费用）[JY]（2）

一般方案的CA值越小，就认为那个方案在全寿命周期内的效益越好。此外，在计算中必须考虑使用年限。

2.3 维修费用标准

沥青路面与水泥混凝土路面的病害类型差异较大，维修方式不同，因此，小修、中修、大修所用方法也不同，主要维修内容见表1。通过对高液限红黏土使用地区各级公路维修费用的调查，综合考虑各种因素，以典型二级公路为代表（路面宽度按10 m考虑）确定每公里路面在不同维修等级下的大致费用，见表2。

3 红黏土不同处理方案维修预估及经济对比

3.1 红黏土路基不采取措施正常填筑

根据高液限红黏土使用地区的调查资料可知，在多雨地区采用工程性质较差的土填筑路基，通常在5年后路基会出现不均匀沉降或局部开裂，路面随之会出现较大的问题。由于路基病害通常难以根治，所以目前的维修大多只能针对路面进行。因此在路基得不到维护的情况下，路面的损坏将呈现周期性变化，且以路面的结构性破坏居多，预估路面维修频率如表3～4所示。

3.2 红黏土路基掺砂增加压实厚度

红黏土路基掺砂增加压实厚度，路基水稳定性得到改善，承载力有一定提高，路基出现病害的可能性减小，即便出现问题，路基能够保持稳定的时间也会较长。因此，根据路基土掺砂增加压实度后物理力学性质试验的结果和路基承载能力提高的计算结果[11]及使用经验，可以认为掺砂增加压实厚度后，路基的良好状态能够维持10年左右。在此期间只要进行日常维护与小修即可以保持正常的交通运行。10年以后，路基可能出现不均匀沉陷或开裂，在这种情况下，除了小修、中修以外，路面结构性损坏需要采取大修措施才能保证路面正常使用，见表5～7。

3.3 红黏土路基加生石灰吸水增强

红黏土路基顶面以下一定深度范围内用石灰处治后，路基承载能力得到很大提高，同时水稳性增强，与普通路基填筑方式相比，路基使用状况改善且使用寿命延长。根据路基土经石灰处治后物理力学试验结果以及路基承载能力提高计算结果[11]，路基稳定状态能保持15年左右。在正常交通荷载作用下，路面出现较大病害可能性较小，路面病害基本属于表面损坏，在此期间只需日常养护，维修以小修和中修为主。路基使用15年后，也可能出现不均匀沉陷或开裂，在这种情况下，除了小修、中修以外，还必须进行结构补强和功能恢复的大修。但由于石灰处治土性能远高于素土，大修频率理应低于掺砂增加压实厚度方案，见表8～10。

3.4 红黏土路基设置内部排水层

在红黏土路基内部设置排水层的目的是提高路基水稳定性。由于排水层通常使用压实后的碎石层或粗砂层，所以排水层对提高路基整体承载能力作用较小。但水稳定性良好的路基出现不均匀沉陷的可能性大大降低，因此与普通路基填筑方式相比，其可以使路基使用状况得到改善并延长寿命。所以，可以认为采用路基内部排水后路基良好状态也能够维持15年左右。15年以后可能出现不均匀沉陷或开裂，在这种情况下，除了小修、中修以外，路面结构性损坏需要采取大修措施才能保证路面正常使用，见表11～13。

3.5 红黏土路基不同填筑方式经济性对比

根据红黏土路基不同处理方案，测算所增加的人工、机械和材料费用，得出初期增加费用。根据表2确定不同路面维修等级每公里费用及不同路面类型在不同路基填筑方式下的维修频率，得出N年累积维修费用，可以测算出沥青路面和水泥路面在不同使用期内路面累计维修费用。维修费用与初期工程增加费用之和结果即CA值，见图3和图4。红黏土路基不同处理方式在寿命周期内总节约费用对比见图5和图6。计算方法为在寿命周期内不同处理方案的CA与未处理的正常填筑方案CA差值与正常填筑方案CA比值。

根据以上分析结果可以看出：

（1）无论对于沥青路面还是水泥路面，当红黏土路基采用普通方式填筑时，在道路使用过程中，为了保证路面具备一定的使用性能，需要的维修费用随使用年限的增加呈线性增长。

（2）对于沥青路面，在考虑初期工程费用增加的情况下，當红黏土路基采用掺砂增加压实厚度方式时，在5年后用于路面的维修费用与初期增加工程费用之和开始小于采用普通路基填筑方式条件下的路面维修费用，且随着时间的延长两者的差值越来越大，到10年达到最大，总费用节约在44%左右;在路基采用石灰处治和设置内部排水层的情况下，在第8年后，用于路面的维修费用与初期增加工程费用之和开始小于采用普通路基填筑方式条件下的路面维修费用，且随着时间的延长两者的差值越来越大，在20年后达到峰值，总费用节约在50%左右;计算结果说明，在13年后采用掺砂增加压实厚度的总费用开始比路基石灰处治以及设置排水层的总费用有所增加，增加幅度在5%左右。

（3）对于水泥路面，在考虑初期工程费用增加的情况下，当红黏土路基采用掺砂增加压实厚度方式时，在5年后用于路面的维修费用与初期增加工程费用之和开始小于采用普通路基填筑方式条件下的路面维修费用，且随着时间的延长两者的差值越来越大，到10年达到最大，总费用节约在30%左右;在路基采用石灰处治和设置内部排水层的情况下，在第7年后，用于路面的维修费用与初期增加工程费用之和开始小于采用普通路基填筑方式条件下的路面维修费用，且随着时间的延长两者的差值越来越大，在20年后达到峰值，总费用节约在30%左右;计算结果说明，在12年后采用掺砂增加压实厚度的总费用开始比路基石灰处治以及设置排水层的总费用有所增加，增加幅度在10%左右。

4 结语

根据对红黏土不同路基施工方案的经济性分析可知，利用石灰处治施工方案初期成本最大，其次是设路基内部排水系统，最后为掺砂增加压实厚度。掺砂增加压实厚度施工在10年左右的综合经济效益最好，结合不同道路使用年限，二级以下公路采用这种方案最为经济可行。路基石灰处治与设置排水层比较，综合经济效益差别不大，总费用在7～8年开始低于其他处理方式，20年左右经济效益最好，这两种方式在水泥路面的红黏土路基中使用比在沥青路面的红黏土路基中使用效果略明显，且更适合于路面使用年限较长的高等级公路。路基石灰处治的初期投入最大，但对提高路基承载能力效果明显，因此适用于不良土质较多和初期投资费用较高的工程;在路基中采用碎石排水层的初期投资稍低于路基石灰处治，但对提高路基承载能力效果不如路基石灰处治，因此在路基中设置排水层更适用于降雨量更大，且地下、地表水丰富的特殊路段。

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