道路基层在整个路面结构中起着承受上部车辆荷载及分散轮压应力的作用，其性能好坏直接影响到道路的使用寿命。当前在中国公路建设中以水泥无机结合料作为胶结材料的半刚性基层被广泛地应用到各级公路的基层和底基层中^[1]。长期使用实践表明，与其他基层材料相比尽管半刚性基层具有整体强度大、抗永久变形能力强及技术和经济上的优势等，但其抗冲刷能力不足，易引起路面出现错台、裂缝、沉陷及唧泥等病害，致使路面损坏进程加快，损坏程度也越来越严重^[2–3]，且随着车辆载重量增加和路面交通量呈现出“渠道化”模式，路面病害愈加严重，从而影响到道路正常使用及寿命。鉴于上述问题，国内外相关学者从不同方面对水泥稳定碎石基层材料抗冲刷性能影响因素进行了研究。郝培文^[4]、胡力群^[5]等研究了集料级配对水泥稳定碎石基层材料抗冲刷性能的影响。何小兵等^[6]研究了水泥用量和养护龄期等对水泥稳定碎石基层材料抗冲刷性能影响，Hansen^[7]、朱唐亮^[8–9]等研究了含水量、压实度及冲刷动水压力等对水泥稳定碎石基层材料抗冲刷性能影响；何小兵^[10]、邓云潮^[11]等研究了外加剂对水泥稳定碎石基层材料抗冲刷性能影响；田耀刚等^[12]研究了成型方式对水泥稳定碎石基层材料抗冲刷性能影响。水泥稳定碎石基层是由多种材料形成的一种复合体，其抗冲刷性能受多种因素制约^[13]，需对各影响因素进行系统全面研究才能明确其变化规律，揭示其机理，进而才能用于指导路基工程设计与施工。作者结合秦巴山区宝汉高速公路工程实例，通过室内模型试验对3种结构类型水泥稳定碎石基层（悬浮密实型、骨架密实型及骨架空隙型）抗冲刷性能影响因素进行了系统深入研究，以为类似工程的设计与施工提供参考和依据。

1 原材料性能与试验方法 1.1 原材料性能 1.1.1 水泥

试验主要采用秦岭牌P.O. 32.5普通硅酸盐水泥，为进行对比另外选用了同类品牌P.O. 42.5普通硅酸盐水泥。严格按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30—2005）中的操作要求，经室内试验测试其主要性能指标见表1。

1.1.2 矿料

试验用矿料采用汉中地区某采石场生产的砂岩，按照《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）中试验方法，经测定其主要技术性能见表2，满足《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）中强度要求。为分析混合料类型对水泥稳定碎石抗冲刷性能影响试验选取了3种矿料级配，级配组成见图1。

1.1.3 配合比和抗压强度

根据《公路路面基层施工技术规范》（JTJ034—2000）中有关无机结合料稳定基层配合比的建议，并考虑到混合料类型和试验的对比性，每种级配类型确定了3种水泥含量：悬浮密实型和骨架密实型为3%、4%、5%；骨架空隙型为5%、6%、7%。按照设计配合比精确称量材料并拌合均匀，根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的试验方法进行重型击实试验，确定不同配合比混合料的最大干密度和最佳含水量（表3）。依据所确定的最大干密度和最佳含水量，按照98%压实度采用静压法制备无侧限抗压强度试件（圆柱形直径 $ \phi $ 15 cm，高度与直径之比为2∶1），为减小试验误差，每种工况制作3个平行试件。试件脱模后放置于温度（20±2） ℃、湿度>90%的养生室中养生28 d，并在测试前置于常温水中浸泡1 d，然后根据规范中规定方法测定无侧限抗压强度，试验结果见表3。

1.2 试验方法 1.2.1 试验条件

对于沥青混凝土路面，其基层顶面承受车辆轮轴单位压力随着沥青面层的厚度不同而变化一般在0.5～0.7 MPa^[14]。结合秦巴山区宝汉高速公路所穿越区域内的降雨量、温度、设计交通量等状况及室内初步试验结果，最终确定本次试验的冲刷压力为0.5 MPa，冲刷频率为10 Hz，冲刷时间为30 min，试验温度为20 ℃。基于表3确定出的最大干密度、最佳含水量及压实度，并考虑到对比试验最佳含水量上下浮动0.2%～0.5%、压实度上下浮动2%，采用静压法制备冲刷试验试件，不同工况制作3个平行试件，试件养生龄期及外界环境条件与无侧限抗压强度测试相同，3种结构类型水泥稳定半刚性基层的试件如图2所示。

1.2.2 试验仪器

试验选用冲刷仪器主要由冲刷筒、橡胶筒套、控制器及空压机等组成，其工作基本原理为：首先，通过压力可控空压机向装有试件、设计温度和剂量水的密闭冲刷筒中注入压力，迫使冲刷板向下运动，挤压试件表面水体，模拟受轮载作用面层挤压层间滞留水对半刚性基层的冲刷作用；其次，待压力加至设计值后逐渐卸压，冲刷板向上运动，带动试件周围水体运动，对试件表面产生吸力作用，以模拟车辆行驶过程中轮胎与路面接触时产生的“泵吸”对基层的作用。冲刷模拟试验结束后，取出试件擦干表面水分并称完质量后将其置于标准压力机上测其冲刷后抗压强度。

1.2.3 试验步骤

首先，将经冻融循环处理后的试件放入冲刷桶内，并通过设置于钢桶底板上的专用夹具将其固定，待试件在冲刷桶内固定好后再将冲刷钢桶与冲刷装置的底座牢固连接，向冲刷桶内注入温度20 ℃的清水，水面应高出试件顶面约5 cm；其次，根据确定的试验条件设置好冲刷压力、频率及时间间隔（每5 min为一冲刷时段）等参数。在试验前期工作均已准备就绪后，启动冲刷仪器开始试验，在每一冲刷时段结束后将冲刷物倒入试验专用盆内进行沉淀，并向冲刷桶内重新注入清水，如此循环6次共计30 min。最后，将所用盛有冲刷物的试验盆置于室内静置，静置过程中应避免周围有震动影响，以使冲刷物完全沉淀，12 h后倒出沉淀物上部清水，将盆底冲刷沉淀物全部清入专用搪瓷托盘内且放入烘箱内烘干至最佳含水量状态，然后通过电子秤精确称量其重量并记录结果。

2 试验结果与分析 2.1 水泥含量对水泥碎石混合料抗冲刷性能影响

为分析水泥掺量对水泥稳定碎石半刚性基层抗冲刷性能的影响，根据文献[14]中有关无机结合料稳定基层配合比设计的建议，并结合依托工程实际情况，每种级配类型分别选取4种水泥掺量（悬浮密实型和骨架密实型为3%、4%、5%、6%，骨架空隙型为5%、6%、7%、8%）进行试验，试验结果如图3所示。

从图3可以看出：对于不同结构类型的水泥稳定碎石半刚性基层材料，其冲刷量与水泥含量间具有很好的线性关系，相关系数高达0.93以上，表明水泥稳定碎石半刚性基层材料的抗冲刷性能受胶结料水泥的影响显著；随着混合料中水泥含量增加，3种结构类型半刚性基层材料的冲刷量均呈现出不断减小变化趋势，其表明增加水泥含量利于提高半刚性基层材料的抗冲刷能力，分析其原因为：对于悬浮密实和骨架密实型半刚性基层当混合料中水泥含量分别小于5%和7%时，随着混合料中水泥剂量增加，水泥水化产物与集料中粒径偏细颗粒形成的水泥胶浆亦随之增多，粒径偏粗集料颗粒表面被包裹面积增大，粗集料颗粒间的内摩擦角和有效粘结面积增大，同时细集料颗粒间的连接程度也得到了强化，并降低了其受冲刷力作用剥落的可能性，进而提高了水泥稳定碎石混合料的抗冲刷性能。但当水泥含量分别大于5%和7%时，随着水泥含量增加混合料冲刷量减小幅度较低，出现冲刷破坏的可能性较小，表明当混合料中水泥含量超过5%和7%以后再增加水泥剂量对改善水泥稳定碎石混合料抗冲刷性能的贡献较小，其与文献[9]中研究结果较为吻合。

2.2 含水量对水泥碎石混合料抗冲刷性能影响

基于上述水泥含量对水泥碎石混合料冲刷性能影响的试验结果，分别选取5%、5%及7%作为悬浮密实型、骨架密实型及骨架空隙型3种混合料的最佳水泥含量，以与其相应含水量为基准，上下浮动0.2%～0.5%，每种结构类型选取4种含水量制作试件进行含水量对混合料抗冲刷性能试验，试验结果如图4所示。

从图4可以看出：随着水泥碎石混合料中含水量增加，其冲刷量呈现先减小后增大变化趋势，含水量与冲刷量间关系曲线为一开口向上抛物线，当含水量大于或小于最佳含水量时混合物的冲刷量值均较最佳含水量时的大，究其原因为：当混合料中含水量小于最佳含水量时，由于缺少水分水泥胶结料难以完全水化，不能形成足够的水泥胶浆物，集料颗粒表面得不到有效包裹，同时由于缺乏水分集料难以被挤压密实，试件内部颗粒间空隙较多，空隙不能被充分填充，致使混合料结构整体性较差，抗冲刷能力较弱。当含水量大于最佳含水量时，混合料内富余的水分吸附于集料颗粒表面形成一层薄薄的水膜，充当润滑剂作用加速了集料颗粒间的滑动，对混合料结构整体稳定性不利。除此之外，多余的水分填充于集料间的空隙中，当试件养生期结束后隐藏于空隙中的水分被蒸发，致使试件内部形成较多空隙，也降低了混合料的抗冲刷性能，故可知含水量过小或过大均不利于水泥稳定碎石基层抗冲刷性能提高，因此施工过程中应严格控制其含水量。

2.3 压实度对水泥碎石混合料抗冲刷性能影响

以水泥碎石混合料抗压强度击实试验确定的压实度98%为依据，上下浮动2%即选取100%、98%、96% 3种压实度进行对比，以分析不同压实度对水泥稳定碎石基层抗冲刷性能的影响。混合料含水量为表3击实试验确定的最佳含水量，水泥剂量分别为5%、5%及7%，其他试验条件与第1.2试验方法中所述相同，试验结果如表4所示。

从表4可知：3种结构类型水泥碎石混合料冲刷量与压实度的相关系数高达0.8以上，表明二者具有很好的相关性、水泥碎石混合料的冲刷量受压实度影响较大。对于悬浮密实型结构水泥碎石混合料，压实度与冲刷量呈相反变化趋势，即随着压实度提高，混合料的冲刷量呈减小变化，且压实度每提高2%冲刷量平均减小6.8 g，分析其原因为：悬浮密实型结构混合料中含有细集料较粗集料多，随着压实度提高细集料颗粒间的空隙逐渐被水泥浆液填充，而粗集料颗粒间空隙则被细集料和水泥浆液形成的砂浆挤压填充，随着压实度提高混合料结构整体趋于密实，故冲刷量随之减小。对于骨架密实型结构水泥碎石混合料，随着压实度提高，其冲刷量呈先减小后增大变化趋势，与98%压实度对应的冲刷量值最小，究其原因为：当压实度从96%增至98%时，随着压实度提高混合料结构整体密实度逐渐增大，故其抗冲刷能力亦随之提高冲刷量减小，但当压实度由98%增至100%时，粗集料骨架结构所承受的荷载超过粗集料颗粒的承载力极限，粗集料颗粒破碎骨架结构遭到破坏，混合料结构整体性降低，抗冲刷能力随之降低。对于骨架空隙型结构水泥碎石混合料，随着混合料压实度提高其冲刷量呈增大变化趋势，当压实度从96%增至98%时冲刷量增加幅度仅为12.2%，但当压实度增至100%时冲刷量增加幅度为78.3%，分析其原因为：骨架空隙型结构混合料中细集料含量较少且粗集料含量较多，其承载能力更多地取决于粗集料的骨架结构，当压实度过大时，形成骨架结构的粗集料颗粒因受到过度挤压而破碎，骨架结构遭到破坏，混合料中细集料和破碎粗集料颗粒受到冲刷脱离出来，故冲刷量增加幅度较大。

2.4 结构类型对水泥碎石混合料抗冲刷性能影响

为研究水泥碎石混合料结构类型对其抗冲刷性能影响，选取图1所示3种矿料级配组成的混合料进行分析。以水泥碎石混合料抗压强度击实试验确定的28 d龄期为依据，每种结构类型混合料分别选取3 d、7 d及28 d 3种养生龄期，用于悬浮密实型、骨架密实型及骨架空隙型3种结构类型混合料试验的水泥剂量依次为5%、5%、7%，含水量为表3中与水泥剂量相对应最佳含水量，压实度依次为100%、98%、96%，其他试验条件如第1.2试验方法所述，试验结果如图5所示。

从图5可以看出：不同养生龄期水泥混合料，其抗冲刷性能与混合料结构类型具有很好的相关性，相关性系数大于0.92。相同龄期试验条件下，3种结构类型混合料冲刷量大小顺序为：m（悬浮密实型）>m（骨架密实型）>m（骨架空隙型），究其原因为：对于悬浮密实型结构混合料，其组成特点为细集料含量多且粗集料含量少，粗集料颗粒被细集料和水泥水化物等形成的砂浆所包围犹如一个个“孤岛”，彼此间接触面积较少难以形成骨架嵌挤结构，故作用于试件上的水流冲刷力主要由水泥砂浆承担，相同冲刷力条件下细集料颗粒更易剥落，冲刷过程中当粗集料周边起粘结作用的细集料逐渐被“剥蚀”后，粗集料颗粒亦随之剥落，故其冲刷量较多。对于骨架密实型结构混合料，其组成特点为粗集料颗粒彼此间相互挤压形成骨架空间结构，水泥水化物与细集料等形成的砂浆则填充于骨架空隙中，二者彼此具有相互约束作用，作用于试件上的冲刷力由水泥砂浆和骨架结构共同承担。受到冲刷作用后，部分细集料逐渐被“剥蚀”，但粗集料骨架结构仍存在且对位于其内部空隙中的细集料起到约束作用，避免其被冲刷带走，其冲刷量较少。对于骨架空隙结构混合料，其组成特点为细集料含量少粗集料含量多，由粗集料颗粒形成骨架嵌挤结构，细集料与水泥水化物形成的砂浆填充于骨架空隙中，但由于细集料含量较少，骨架间空隙未能被填充密实则空隙率仍然较大，致使作用于试件上的水流冲刷压力被削弱，对混合料的冲刷效果不显著，其冲刷量最少。综上所述可知，水泥稳定碎石基层混合料的抗冲刷性能受其结构类型影响较大，相同试验条件下，悬浮密实型、骨架密实型及骨架空隙型3种结构类型混合料抗冲刷性能的大小顺序为：RE（骨架空隙型）>RE（骨架密实型）>RE（悬浮密实型）。但实际工程中由于骨架空隙型具有较大空隙率，受行车荷载反复作用，其骨架结构易发生破坏，抗冲刷性能低于骨架密实型，故建议实际工程中优先考虑骨架密实型结构基层。

2.5 养生龄期对水泥碎石混合料抗冲刷性能影响

基于文献[3,8]中研究思路，每种结构类型混合料分别制作3、7、28、45及90 d 5种养生龄期试件，分析不同养生龄期条件下不同结构类型水泥稳定碎石基层材料的冲刷性能，试验条件与第2.4节中相同，试验结果如图6所示。

从图6可以看出，不同结构类型水泥稳定碎石混合料，随着养生龄期增加，冲刷量均呈不断减小变化趋势，且减小幅度逐渐降低，养生龄期从3 d增至90 d，3种混合料冲刷量减小幅度平均值依次为：30.5%、27.0%、26.7%、16.5%，其表明随着养生龄期增加水泥碎石混合料基层材料的抗冲刷能力不断提高，究其原因为：在养生初期，水泥水化程度低，水化物产量少，水化物与细集料形成的水泥砂浆量亦较少，混合料中的细集料和粗集料颗粒均未得到有效的粘结，混合料结构整体较松散，在高压动水作用下，集料颗粒易被冲刷掉。随着养生龄期增加，水泥水化程度提高，水化物产量逐渐增多，集料颗粒间相互连接程度得到加强，且密实程度不断提高，混合料整体性增强，抗冲刷能力得到提升，冲刷量随之减少。随着试件养生时间延长，水泥水化产物量逐渐减小直至混合料中水泥全部耗尽，此时混合料结构的整体性达到最佳，具有抵抗外荷载作用能力，抗冲刷性能趋于稳定。

2.6 水泥强度等级对水泥碎石混合料抗冲刷性能影响

为分析水泥强度等级对水泥稳定碎石混合料抗冲刷性能的影响，选取了秦岭牌P.O. 32.5和P.O. 42.5两种强度标号水泥，其主要性能指标见表1。基于前述研究结果和依托工程实际情况，3种结构类型混合料（悬浮密实型、骨架密实型、骨架空隙型）中两种强度等级水泥的适宜掺量均为5%、5%及7%，其他试验条件与第1.2试验方法中所述相同，试验结果如表5所示。

从表5可知，对于同种结构类型混合料，在相同水泥含量条件下，随着水泥强度等级提高，水泥碎石混合料的冲刷量均减小变化，3种结构类型混合料冲刷量的减小幅度分别为26.1%、27.0%、31.7%，其表明混合料的抗冲刷能力提高，分析其原因为：随着水泥强度等级提高，水泥熟料中硅酸盐活性物质含量增加^[2]，水泥水化后形成的胶结物含量亦随之增加，集料颗粒间的黏聚力增强，混合料成型后的强度较高，抗冲刷能力提高，冲刷量减小。

3 结　论

通过对不同结构类型水泥稳定碎石半刚性基层材料在不同影响因素作用下其抗冲刷性能变化规律和成因的分析，得出以下结论：

1）3种结构类型水泥稳定碎石半刚性基层的抗冲刷性能与水泥胶结料含量及其强度等级、养生龄期等的相关性良好，且随着水泥胶结料含量、强度等级及养生龄期等的增加而提高。

2）不同结构类型水泥稳定碎石半刚性基层，其抗冲刷性能与含水量和压实度具有很好的相关性，含水量和压实度过高或过低均不利于水泥稳定碎石半刚性基层抗冲刷性能提高，故实际工程中应严格控制混合料的含水量和压实度。

3）水泥稳定碎石基层混合料的抗冲刷性能受其结构型式影响较大，相同试验条件下，3种结构类型混合料抗冲刷性能的大小为骨架空隙型最大，骨架密实型次之，悬浮密实型最小，实际工程中建议优先采用骨架密实型结构。