11.5.2 基层类型的选取
基层是水泥混凝土道面结构的过渡层，起到提高道面结构强度和防止自然因素对土基影响的作用，在道面结构中具有重要的作用。目前，基层材料分为两大类，一类是结合料稳定类（即半刚性基层），另一类是粒料类。基层材料一般采用的是当地材料，按照就地取材的原则选取基层材料。地处戈壁滩的机场，由于戈壁滩存在大量的砂砾石，一般采用砂砾石作为道面结构的基层材料。广泛采用的是水泥稳定砂砾石作为道面结构的基层。在水泥加入砂砾石中，水泥、砂砾石和水之间发生了多种复杂的作用，从而使砂砾石的性能发生明显的变化。其主要作用如下。
1）水泥的水化作用
在水泥稳定土中，首先发生的是水泥自身的水化反应，从而产生出具有胶结能力的水化产物（如硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙等），这是水泥稳定土强度的主要来源。
2）离子交换作用
土中的黏土颗粒由于颗粒细小，比表面积大，具有较高的活性。当黏土颗粒与水接触时，黏土颗粒表面通常带有一定量的负电荷，在黏土颗粒周围形成一个电场，这层带负电荷的离子称谓电位离子。带负电的黏土颗粒表面，进而吸收周围溶液中的正离子，如K+、Na+等，而在颗粒表面形成了一个双电层结构，这些与电位离子相反的离子称谓反离子。在双电层中电位离子形成内层，反离子形成外层。靠近颗粒的反离子与颗粒表面结合较紧密。当黏土颗粒运动时，结合较紧密的反离子将随颗粒一起运动，而其他反离子将不产生运动，由此在运动与不运动的反离子之间便出现了一个滑移面。
3）硬凝反应
钙离子的存在不仅影响黏土颗粒表面双电层的结构，而且在这种碱性溶液环境下，土本身的化学性质也将发生变化。随着水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca2+。当Ca2+数量超过离子交换所需的数量后，则在碱性环境中与黏土中的SiO2和Al2O3发生化学反应，生成新的矿物。这些矿物主要是硅酸钙和铝酸钙系列，如4CaO·5SiO2·5H2O、44CaO·Al2O3·9H2O、3CaO·Al2O3·16H2O、CaO·Al2O3·10H2O等。这些矿物的组成和结构与水泥的水化产物都有很多类似之处，并且同样具有胶凝能力，生成的这些胶结物质包裹着黏土颗粒表面，与水泥的水化产物一起，将黏土颗粒结成一个整体。硬凝反应进一步提高了水泥稳定土的强度和水稳性。
4）碳酸化作用
水泥水化生产的Ca（OH）2，除了可与黏土矿物发生化学反应外，还可以进一步与空气中的CO2发生碳化反应并生成碳酸钙（CaCO3）晶体。碳酸钙生成过程中产生体积膨胀，也可以对土的基体起到填充主加固作用，只是这种作用相对来讲比较弱，并且反应过程缓慢。
在砂砾石中掺入水泥后所形成的结构具有整体性，其强度介于水泥混凝土和沥青混凝土之间，故称之谓半刚性材料。当水泥稳定砂砾石作为基层，若基层与面层接触良好时，道面结构的强度和稳定性都较好，道面结构处于良好状态。但水泥稳定砂砾石是半刚性材料，所形成的结构层具有较高的密实度，渗透性较差。若道面接缝的填缝料出现老化、脱落时，则雨水会沿缝渗入到基层上面，在水泥稳定砂砾石基层上形成积水。这些积水在飞机荷载通过时会对水泥稳定砂砾石产生冲刷。又因水泥稳定砂砾石这类半刚性材料耐冲刷的能力差，其水泥稳定砂砾石中的细集料会随着水的流动而被带走，沿板缝随着水流动到道面板上，这就是所谓的唧泥。细料的流失形成了基层与道面板之间的脱空。最容易发生雨水渗入和冲刷的部位是在板接缝处的两侧，且板角处最为严重。因此，在半刚性基层上的水泥混凝土道面板的损坏往往表现为板边（角）的断裂。
戈壁滩地区由于日温差和年温差大，道面板的翘曲变形和伸缩变形比我国其他地区的要大。采用水泥稳定砂砾石（半刚性）作为基层，道面板与基层之间会产生相对滑移，而水泥稳定砂砾石（半刚性）基层的最大平整度平均值按规范要求可达10mm，道面板的滑动导致了道面板与基层之间的接触产生了空隙（见图11-14），降低了基层对道面板的支撑，其结果则使道面结构的强度降低。
图11-14 因温度伸缩变形导致的面层与基层之间的脱空
水泥稳定砂砾石基层是属于整体性的结构，其强度遭受破坏后，其结构整体性就丧失，强度就会下降且强度得不到恢复。因此，水泥稳定砂砾石基层的强度是属于一次性的，或者称谓不可恢复的。
由于温度沿道面结构深度的分布具有非线性（见图11-15），加上水泥混凝土与水泥稳定砂砾石材料的线膨胀系数的不同，导致水泥混凝土板与水泥稳定砂砾基层的翘曲变形的不同（见图11-16），同样会使道面板与水泥稳定砂砾基层之间产生脱空，引起道面板的断裂。因此，道面结构温度伸缩和翘曲变形都会导致面层与基层之间部分产生脱空，加上水泥混凝土道面板属刚性材料，其容许变形要求小于1mm，脱空必然使得道面板失去支撑，加大道面板变形的可能性，引起道面板的断裂。从公路和机场已有的半刚性基层的水泥混凝土道面结构损坏调查，道面板边角往往出现断裂和唧泥现象。
图11-15 温度沿道面结构深度分布
图11-16 因温度翘曲变形导致的面层与基层之间的脱空
碎石基层属于由松散颗粒组成的结构，其强度通过施工时的摊铺、碾压而获得密实、嵌锁、锁结、细料的填充所形成的结构强度。有时还靠灌缝材料所提供的少量黏结作用。嵌锁作用的大小主要取决于石料的强度、尺寸和形状，以及压实程度，黏结力作用取决于灌缝材料的黏结力及其与集料之间的黏结力大小。碎石基层的强度比水泥稳定砂砾（半刚性）基层的强度要低，属于柔性材料。但是碎石基层的强度具有可恢复性。碎石强度不够的表现为其产生变形过大，但仍然可以对道面板产生支撑作用。碎石基层的这个特点表明基层与面层之间不会产生脱空，碎石基层与道面板始终会保持良好的接触，结构的整体性和完整性得到了保证。
碎石基层具有较大的空隙率，从道面表面下渗透的雨水会直接下渗，加上戈壁滩地下水位较深，下渗的雨水直接会渗透入地下水位层，不会在道面结构层次内产生积水而引起基层潮湿或过湿。
当道面板因温度而产生伸缩或翘曲时，碎石基层内的颗粒会随之产生移动，形成新的结构，保证了基层与面层的接触，避免了由于基层与面层之间的脱空而导致道面板的断裂（见图11-17和图11-18）。
图11-17 温度伸缩变形前后面层与基层保持接触的情况
图11-18 温度翘曲变形前后面层与基层仍保持接触的情况
因碎石基层是柔性材料，与水泥混凝土面层组成的道面结构与水泥稳定砂砾和水泥混凝土面层组成的道面结构相比，其整体结构的变形性较大，结构的总体刚度较小。在飞机荷载的作用下，能减轻飞机的冲击荷载，减少了飞机的颠簸，延长了飞机的使用寿命。同时，对水泥混凝土面层的冲击力也相应地减少，道面结构承受的应力也较水泥稳定砂砾石作为基层的道面结构小。因此，提高了整个道面结构的使用效能。
西北地区的砂砾石广泛存在着不同程度含盐量。这些含盐的砂砾石分布极其不均匀，很难用室内抽样试验的方法进行控制。使得含盐量超过要求的砂砾石被用来作为水泥稳定砂砾石的原材料。再者混凝土道面板施工时，需要进行养生、切缝、清洗道面等，需要用大量的水，这些水就会被流入到水泥稳定砂砾石基层中，为盐的结晶提供了充足的水分。因此，就会使水泥稳定砂砾石产生膨胀。当膨胀力超过水泥稳定砂砾石的强度时，水泥稳定砂砾石基层就会被破坏，并使道面产生隆起和错台。图11-19为新疆某机场道面因水泥稳定基层中盐分结晶后导致的体积膨胀引起的破坏。
图11-19 水泥稳定砂砾石盐胀引起道面的隆起和错台
根据《军用机场水泥混凝土道面设计规范》（GJB 1278A-2009）所提供的设计方法，可以分析基层顶面当量回弹模量不同时，道面板厚度的变化如图11-20所示。从图中可以得出，基层顶面当量回弹模量的变化对板的影响是很小的。当基层顶面当量回弹模量Et从100MPa增加到1000MPa，增大了10倍，而板厚则由0.257m减少到0.244m，减少了5.06%。新规范的设计方法不仅考虑了飞机荷载应力，而且还增加了温度应力。道面板的承受飞机和温度的共同作用。虽然基层强度的增大会增加模量值，引起飞机荷载应力的减少，但它会影响温度应力，结果使得总的影响应力减少。通过计算可以得出，采用像碎石类的粒料基层与采用像水泥稳定砂砾石的半刚性基层所导致的强度差异而引起的回弹模量的差异，对道面板厚度的影响是很小的，两者相差不到0.01m。因此，采用碎石类的粒料基层在结构不存在强度不够的问题。
图11-20 基层顶面当量回弹模量与板厚关系
表11-9是《军用机场水泥混凝土道面设计规范》（GJB 1278A-2009）中规定粒料基层和半刚性基层材料的回弹模量建议值。假定土基回弹模量E0=60MPa，级配碎石材料的回弹模量E1=200～250 MPa，基层厚度取0.2m，换算成基层顶面当量回弹模量为Et=103～108MPa。水泥稳定砂砾石材料的回弹模量E1=1300～1700MPa，基层厚度取0.2m，换算成基层顶面当量回弹模量为Et=192～234 MPa。两者基层顶面当量回弹模量相差1.8～2.3倍。可以认为碎石和水泥稳定砂砾石的基层顶面当量回弹模量值处于100～400 MPa之间，从图11-19中可以看出，其道面板厚度处于0.257～0.260m之间，板厚相差仅3mm。因此，采用碎石基层和采用水泥稳定砂砾石基层对道面结构的强度影响是很小的，在实际工程中可以忽略不计。
表11-9 基层和垫层材料回弹模量建议值
