高液限紅黏土路基處理方案經(jīng)濟(jì)效益分析

梁高榮

摘要：采用高液限紅黏土填筑路基會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)早期破壞，而在工程中不同的路基處理方式其工程效果和經(jīng)濟(jì)效果也不相同。文章采用全壽命周期經(jīng)濟(jì)理論，以典型路面寬度為10 m的二級公路為代表，統(tǒng)計(jì)分析25年內(nèi)路面維修費(fèi)用與初期不同路基處理方案的增加費(fèi)用，比較不同處置方式的綜合經(jīng)濟(jì)效益以及不同處理方式在不同工程條件下的適用性，為紅黏土路基處理方案決策提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：路基;高液限;紅黏土;全壽命;經(jīng)濟(jì)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，我國很多公路在通車不久，路面便出現(xiàn)大范圍、不同程度的早期損壞，除了路面各結(jié)構(gòu)層自身施工質(zhì)量因素以外，路基質(zhì)量隱患也是造成路面早期損壞的主要原因[1]。根據(jù)大量工程實(shí)踐表明：高液限紅黏土透水性較差，毛細(xì)現(xiàn)象明顯，吸水后承載力小、穩(wěn)定性差，具有較大可塑性、弱膨脹性和黏性，一般不建議用于公路路基修筑，但從經(jīng)濟(jì)效益和資源合理利用角度出發(fā)，尤其對于投資受控的二級及其以下公路，高液限紅黏土修筑技術(shù)勢在必行。對具有膨脹性的高液限黏土的設(shè)計(jì)思路基本是參考膨脹土進(jìn)行，通常有清表壓實(shí)、換填處理和改性處理等[2-4]。不同處理方式其工程效果和經(jīng)濟(jì)效果不同，特別是從公路使用年限的全壽命周期考慮。因此對比不同處理方案在全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益對決策方案至關(guān)重要。

1 高液限紅黏土處理方案

對高液限紅黏土的處理思路主要是通過提高土體密實(shí)度，有效減少土體中的孔隙率，防止水分滲入;同時(shí)通過路基內(nèi)部排水結(jié)構(gòu)的設(shè)置，控制路基溫濕度在一定范圍內(nèi)的變化，從而保持路基土的穩(wěn)定性[5-7]。目前主要的處理方式有摻砂增加壓實(shí)厚度、設(shè)計(jì)復(fù)合碎石排水層、加石灰處理等。

1.1 摻砂增加壓實(shí)厚度

在高液限紅黏土中摻砂改變土中粗粒組比例，建議使用中粗河砂，粒徑范圍為5～20 mm，摻砂礫比例為砂∶礫∶土=10∶15∶75，上路床一般采用砂∶礫∶土=10∶20∶70，摻配比例為20%～30%[8]。嚴(yán)格按照最佳含水量進(jìn)行碾壓，必要時(shí)采用翻曬設(shè)備加快水分揮發(fā)以使其達(dá)到要求。

1.2 復(fù)合碎石排水層設(shè)計(jì)

碎石層設(shè)置在路基頂面以下60～80 cm處，厚度設(shè)計(jì)為10～15 cm。在碎石排水層頂面和底面鋪設(shè)土工布。上層采用透水土工布，下層采用隔水作用土工布，鋪筑滿足路基橫向排水要求。中間碎石排水層采用軋制碎石，壓碎值要求≤40%，最大粒徑<31.5 mm，針片狀顆粒含量≤20%[9]。

1.3 加生石灰吸水增強(qiáng)

在紅黏土中加入生石灰，一方面可以吸收黏土中的水分起到凝聚增塑作用;同時(shí)石灰的碳化作用和膠凝作用產(chǎn)生粘結(jié)反應(yīng)使土的承載力提高。摻入6%的生石灰粉可作為最佳配比參考值，石灰處理深度一般在路基頂面以下60～80 cm范圍。

2 紅黏土路基不同施工方案經(jīng)濟(jì)計(jì)算分析原則

2.1 全壽命周期經(jīng)濟(jì)計(jì)算理論模型

2.2 差異化成本費(fèi)用計(jì)算方法

在大多數(shù)情況下，道路使用過程中對于路基病害是難以很好處理的，路基病害所引發(fā)的路面病害只能通過對路面不斷修補(bǔ)和加鋪來解決，因此在計(jì)算中，維修費(fèi)用主要考慮防治路面病害所需的維修費(fèi)用。如果路面在使用中只是表面有問題則所需費(fèi)用較少;如果路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題則所需費(fèi)用會(huì)大大增加。在經(jīng)濟(jì)分析中還應(yīng)考慮道路維修對車輛正常運(yùn)營的影響，但這比較復(fù)雜，各種數(shù)據(jù)難以獲取。在費(fèi)用計(jì)算中采用狹義的全壽命周期建設(shè)成本，主要考慮不同施工方案的建筑安裝費(fèi)、運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)費(fèi)。

CA（差異化費(fèi)用）=CI（初期不同路基施工方案增加投資）+CM（用于路面維修的費(fèi)用）[JY]（2）

一般方案的CA值越小，就認(rèn)為那個(gè)方案在全壽命周期內(nèi)的效益越好。此外，在計(jì)算中必須考慮使用年限。

2.3 維修費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)

瀝青路面與水泥混凝土路面的病害類型差異較大，維修方式不同，因此，小修、中修、大修所用方法也不同，主要維修內(nèi)容見表1。通過對高液限紅黏土使用地區(qū)各級公路維修費(fèi)用的調(diào)查，綜合考慮各種因素，以典型二級公路為代表（路面寬度按10 m考慮）確定每公里路面在不同維修等級下的大致費(fèi)用，見表2。

3 紅黏土不同處理方案維修預(yù)估及經(jīng)濟(jì)對比

3.1 紅黏土路基不采取措施正常填筑

根據(jù)高液限紅黏土使用地區(qū)的調(diào)查資料可知，在多雨地區(qū)采用工程性質(zhì)較差的土填筑路基，通常在5年后路基會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降或局部開裂，路面隨之會(huì)出現(xiàn)較大的問題。由于路基病害通常難以根治，所以目前的維修大多只能針對路面進(jìn)行。因此在路基得不到維護(hù)的情況下，路面的損壞將呈現(xiàn)周期性變化，且以路面的結(jié)構(gòu)性破壞居多，預(yù)估路面維修頻率如表3～4所示。

3.2 紅黏土路基摻砂增加壓實(shí)厚度

紅黏土路基摻砂增加壓實(shí)厚度，路基水穩(wěn)定性得到改善，承載力有一定提高，路基出現(xiàn)病害的可能性減小，即便出現(xiàn)問題，路基能夠保持穩(wěn)定的時(shí)間也會(huì)較長。因此，根據(jù)路基土摻砂增加壓實(shí)度后物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的結(jié)果和路基承載能力提高的計(jì)算結(jié)果[11]及使用經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為摻砂增加壓實(shí)厚度后，路基的良好狀態(tài)能夠維持10年左右。在此期間只要進(jìn)行日常維護(hù)與小修即可以保持正常的交通運(yùn)行。10年以后，路基可能出現(xiàn)不均勻沉陷或開裂，在這種情況下，除了小修、中修以外，路面結(jié)構(gòu)性損壞需要采取大修措施才能保證路面正常使用，見表5～7。

3.3 紅黏土路基加生石灰吸水增強(qiáng)

紅黏土路基頂面以下一定深度范圍內(nèi)用石灰處治后，路基承載能力得到很大提高，同時(shí)水穩(wěn)性增強(qiáng)，與普通路基填筑方式相比，路基使用狀況改善且使用壽命延長。根據(jù)路基土經(jīng)石灰處治后物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果以及路基承載能力提高計(jì)算結(jié)果[11]，路基穩(wěn)定狀態(tài)能保持15年左右。在正常交通荷載作用下，路面出現(xiàn)較大病害可能性較小，路面病害基本屬于表面損壞，在此期間只需日常養(yǎng)護(hù)，維修以小修和中修為主。路基使用15年后，也可能出現(xiàn)不均勻沉陷或開裂，在這種情況下，除了小修、中修以外，還必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和功能恢復(fù)的大修。但由于石灰處治土性能遠(yuǎn)高于素土，大修頻率理應(yīng)低于摻砂增加壓實(shí)厚度方案，見表8～10。

3.4 紅黏土路基設(shè)置內(nèi)部排水層

在紅黏土路基內(nèi)部設(shè)置排水層的目的是提高路基水穩(wěn)定性。由于排水層通常使用壓實(shí)后的碎石層或粗砂層，所以排水層對提高路基整體承載能力作用較小。但水穩(wěn)定性良好的路基出現(xiàn)不均勻沉陷的可能性大大降低，因此與普通路基填筑方式相比，其可以使路基使用狀況得到改善并延長壽命。所以，可以認(rèn)為采用路基內(nèi)部排水后路基良好狀態(tài)也能夠維持15年左右。15年以后可能出現(xiàn)不均勻沉陷或開裂，在這種情況下，除了小修、中修以外，路面結(jié)構(gòu)性損壞需要采取大修措施才能保證路面正常使用，見表11～13。

3.5 紅黏土路基不同填筑方式經(jīng)濟(jì)性對比

根據(jù)紅黏土路基不同處理方案，測算所增加的人工、機(jī)械和材料費(fèi)用，得出初期增加費(fèi)用。根據(jù)表2確定不同路面維修等級每公里費(fèi)用及不同路面類型在不同路基填筑方式下的維修頻率，得出N年累積維修費(fèi)用，可以測算出瀝青路面和水泥路面在不同使用期內(nèi)路面累計(jì)維修費(fèi)用。維修費(fèi)用與初期工程增加費(fèi)用之和結(jié)果即CA值，見圖3和圖4。紅黏土路基不同處理方式在壽命周期內(nèi)總節(jié)約費(fèi)用對比見圖5和圖6。計(jì)算方法為在壽命周期內(nèi)不同處理方案的CA與未處理的正常填筑方案CA差值與正常填筑方案CA比值。

根據(jù)以上分析結(jié)果可以看出：

（1）無論對于瀝青路面還是水泥路面，當(dāng)紅黏土路基采用普通方式填筑時(shí)，在道路使用過程中，為了保證路面具備一定的使用性能，需要的維修費(fèi)用隨使用年限的增加呈線性增長。

（2）對于瀝青路面，在考慮初期工程費(fèi)用增加的情況下，當(dāng)紅黏土路基采用摻砂增加壓實(shí)厚度方式時(shí)，在5年后用于路面的維修費(fèi)用與初期增加工程費(fèi)用之和開始小于采用普通路基填筑方式條件下的路面維修費(fèi)用，且隨著時(shí)間的延長兩者的差值越來越大，到10年達(dá)到最大，總費(fèi)用節(jié)約在44%左右;在路基采用石灰處治和設(shè)置內(nèi)部排水層的情況下，在第8年后，用于路面的維修費(fèi)用與初期增加工程費(fèi)用之和開始小于采用普通路基填筑方式條件下的路面維修費(fèi)用，且隨著時(shí)間的延長兩者的差值越來越大，在20年后達(dá)到峰值，總費(fèi)用節(jié)約在50%左右;計(jì)算結(jié)果說明，在13年后采用摻砂增加壓實(shí)厚度的總費(fèi)用開始比路基石灰處治以及設(shè)置排水層的總費(fèi)用有所增加，增加幅度在5%左右。

（3）對于水泥路面，在考慮初期工程費(fèi)用增加的情況下，當(dāng)紅黏土路基采用摻砂增加壓實(shí)厚度方式時(shí)，在5年后用于路面的維修費(fèi)用與初期增加工程費(fèi)用之和開始小于采用普通路基填筑方式條件下的路面維修費(fèi)用，且隨著時(shí)間的延長兩者的差值越來越大，到10年達(dá)到最大，總費(fèi)用節(jié)約在30%左右;在路基采用石灰處治和設(shè)置內(nèi)部排水層的情況下，在第7年后，用于路面的維修費(fèi)用與初期增加工程費(fèi)用之和開始小于采用普通路基填筑方式條件下的路面維修費(fèi)用，且隨著時(shí)間的延長兩者的差值越來越大，在20年后達(dá)到峰值，總費(fèi)用節(jié)約在30%左右;計(jì)算結(jié)果說明，在12年后采用摻砂增加壓實(shí)厚度的總費(fèi)用開始比路基石灰處治以及設(shè)置排水層的總費(fèi)用有所增加，增加幅度在10%左右。

4 結(jié)語

根據(jù)對紅黏土不同路基施工方案的經(jīng)濟(jì)性分析可知，利用石灰處治施工方案初期成本最大，其次是設(shè)路基內(nèi)部排水系統(tǒng)，最后為摻砂增加壓實(shí)厚度。摻砂增加壓實(shí)厚度施工在10年左右的綜合經(jīng)濟(jì)效益最好，結(jié)合不同道路使用年限，二級以下公路采用這種方案最為經(jīng)濟(jì)可行。路基石灰處治與設(shè)置排水層比較，綜合經(jīng)濟(jì)效益差別不大，總費(fèi)用在7～8年開始低于其他處理方式，20年左右經(jīng)濟(jì)效益最好，這兩種方式在水泥路面的紅黏土路基中使用比在瀝青路面的紅黏土路基中使用效果略明顯，且更適合于路面使用年限較長的高等級公路。路基石灰處治的初期投入最大，但對提高路基承載能力效果明顯，因此適用于不良土質(zhì)較多和初期投資費(fèi)用較高的工程;在路基中采用碎石排水層的初期投資稍低于路基石灰處治，但對提高路基承載能力效果不如路基石灰處治，因此在路基中設(shè)置排水層更適用于降雨量更大，且地下、地表水豐富的特殊路段。

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