新規(guī)范下“路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”教學(xué)大綱實(shí)時(shí)改革研究

摘要：文章為了適應(yīng)新編規(guī)范的要求，根據(jù)專業(yè)建設(shè)目的和學(xué)校教學(xué)大綱文件的規(guī)定，修改了路基路面工程課程現(xiàn)有教學(xué)大綱：增加了瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)中多層體系換算的授課內(nèi)容；對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)的內(nèi)容全部按新規(guī)范進(jìn)行了替換；增加了路面章節(jié)中的習(xí)題課；重新編寫(xiě)了基于新規(guī)范的課程多媒體課件。此次課程的教學(xué)改革有利于完善教學(xué)大綱，提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生及時(shí)掌握最新知識(shí)。

關(guān)鍵詞：路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；教學(xué)大綱；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G6420 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2013）02-0098-05

路基路面工程是土木工程（交通土建）專業(yè)和交通工程專業(yè)實(shí)踐性很強(qiáng)的主要專業(yè)課之一，對(duì)培養(yǎng)道路工程應(yīng)用型人才起重要作用。課程主要研究路基路面的基本概念、設(shè)計(jì)原理、計(jì)算方法和施工管理技術(shù)等內(nèi)容。由于公路工程技術(shù)的不斷發(fā)展，交通部在1995年后陸續(xù)頒布了《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（1995年）、《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（1995年）、《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（1996年）、《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（1996年）、《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（2006年）、《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（1998年）、《水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（2011年）等。但是，全國(guó)多數(shù)高校所用的路基路面工程教材的出版跟不上規(guī)范更新的步法，規(guī)范中的新內(nèi)容在教科書(shū)中沒(méi)有及時(shí)更新，這就給正常的授課帶來(lái)較大困難。如果完全依照現(xiàn)有教材講解，有些內(nèi)容已經(jīng)在道路工程實(shí)際設(shè)計(jì)或使用中不再適用，這樣的教學(xué)會(huì)對(duì)學(xué)生形成一種誤導(dǎo)。如果按照新出版規(guī)范授課，無(wú)論學(xué)生還是教師，都沒(méi)有可作為授課的合適教材，這就給課堂教學(xué)帶來(lái)極大困難。為此也有一些學(xué)者對(duì)這方面的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了探討和研究^[1-2]。

基于上述原因，針對(duì)新舊規(guī)范的不同之處，結(jié)合課程對(duì)應(yīng)的不同授課學(xué)時(shí)要求和教育部關(guān)于土木工程專業(yè)建設(shè)的要求^[3]，對(duì)2009版路基路面工程課程教學(xué)大綱^[4]進(jìn)行了修改。重點(diǎn)是教學(xué)內(nèi)容的增減、教學(xué)方法的改變、作業(yè)布置方案的變化、習(xí)題課的增加等。根據(jù)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新規(guī)范^[5-6]，重點(diǎn)介紹新規(guī)范中主要的修改內(nèi)容，包括設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，講解現(xiàn)行瀝青和水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。通過(guò)對(duì)比論述，提醒學(xué)生注意新規(guī)范的修改之處對(duì)實(shí)際工程中道路設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。根據(jù)上述修改內(nèi)容，基于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)資料，編寫(xiě)了多個(gè)適用的算例，方便學(xué)生學(xué)習(xí)使用。

一、基于新規(guī)范下教學(xué)內(nèi)容的修改和增補(bǔ)

（一）瀝青路面設(shè)計(jì)章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的修改增補(bǔ)

1.新規(guī)范中修改內(nèi)容簡(jiǎn)介

較上一版規(guī)范（JTJ 014—97）《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，新規(guī)范^[5]中新增內(nèi)容主要表現(xiàn)在：

（1）強(qiáng)調(diào)按實(shí)際情況做好交通荷載分析與預(yù)測(cè)，按照全壽命周期成本的理念進(jìn)行路面設(shè)計(jì)。

（2）采取防止早期損壞的技術(shù)措施，加強(qiáng)材料、混合料和路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)的要求，增加柔性基層、貧混凝土基層等設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（3）細(xì)化半剛性基層混合料繼配類型，調(diào)整集料繼配范圍，補(bǔ)充了二灰穩(wěn)定集料抗凍性設(shè)計(jì)要求。

（4）路面厚度計(jì)算方法在參數(shù)取值和舊路補(bǔ)強(qiáng)公式上有所改進(jìn)。

（5）增加了舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（6）補(bǔ)充了水泥混凝土橋面瀝青鋪裝設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2.多層體系路面結(jié)構(gòu)向三層體系轉(zhuǎn)換

由于最新規(guī)范的設(shè)計(jì)計(jì)算是基于配套出版或其他正式出版的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（如HPDS2011）而進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的，如果沒(méi)有這些軟件，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就無(wú)從下手。換句話說(shuō)，最新規(guī)范中在已知某些路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)（如交通量、道路等級(jí)、設(shè)計(jì)年限、各層路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)等）的基礎(chǔ)上，只介紹了如何基于軟件進(jìn)行道路最終結(jié)構(gòu)的調(diào)試和設(shè)計(jì)，沒(méi)有介紹這些軟件是基于哪些計(jì)算公式，如何對(duì)路面進(jìn)行中間的計(jì)算和最后結(jié)果的選擇。況且，最新出版的相關(guān)教材，也沒(méi)有再介紹如何利用手算方法進(jìn)行多層路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。另外，以學(xué)校目前的教學(xué)條件，在授課過(guò)程中，還不能做到所有學(xué)生均配備計(jì)算機(jī)，加上軟件計(jì)算的中間過(guò)程學(xué)生不熟悉，無(wú)法更深層次地理解多層路面結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)過(guò)程，即使課程學(xué)習(xí)結(jié)束，對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也不會(huì)用手算。針對(duì)這些情況，筆者在最近幾年的授課中，為使學(xué)生學(xué)會(huì)用手算方法進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，加深對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和具體計(jì)算方法的理解，增加了多層體系向三層體系的轉(zhuǎn)換方法講解，這也是目前瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中采用的中間計(jì)算方法。

在進(jìn)行多層體系向三層體系的轉(zhuǎn)換中，需要查閱一些諾模圖，為此，課題組將這些諾模圖整理后上傳至學(xué)校教務(wù)處的精品課程網(wǎng)站上，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的輔助資料供學(xué)生自由下載和打印。根據(jù)計(jì)算目的的不同，三層體系轉(zhuǎn)換的計(jì)算公式也不盡相同，大致有以下幾類。

（1）彎沉等效換算法：結(jié)合已知的三層體系彎沉諾模圖，將多層體系路面結(jié)構(gòu)按照面層頂面彎沉相等的原則換算為三層體系，如圖1所示。對(duì)應(yīng)的具體換算公式為

（二）水泥路面設(shè)計(jì)章節(jié)教學(xué)內(nèi)容的修改增補(bǔ)

1新規(guī)范中修改內(nèi)容

較前一版規(guī)范相比，新規(guī)范^[6]中新增內(nèi)容有：

（1）混凝土板極限斷裂的驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)和貧混凝土及碾壓混凝土基層的疲勞斷裂設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）考慮特重車(chē)輛和專用道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加了極重交通荷載等級(jí)。

（3）改進(jìn)接縫設(shè)計(jì)及填縫材料的選型。

（4）完善連續(xù)配筋的裂縫間距和裂縫寬度兩個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)的計(jì)算公式。

（5）提高混凝土板錯(cuò)臺(tái)量和接縫傳荷能力的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（6）完善材料設(shè)計(jì)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)參考值。

由于最新規(guī)范在2011年12月才出版，較上一版規(guī)范改動(dòng)量非常大，尤其是在水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中所用公式與前一版規(guī)范完全不同，現(xiàn)有教材水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)的計(jì)算公式全部不再適用，而且目前還未見(jiàn)針對(duì)最新規(guī)范出版相應(yīng)的教材，這就造成已有教材的水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)與新規(guī)范不符，不能繼續(xù)講授。在這種情況下，作為一線授課教師，必須提前給學(xué)生準(zhǔn)備補(bǔ)充講義，并且在課堂教學(xué)中把最新規(guī)范的設(shè)計(jì)理念和計(jì)算公式講授給學(xué)生。另外，新規(guī)范的設(shè)計(jì)計(jì)算是基于規(guī)范配套出版或其他正式出版的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件（如HPDS2011）而進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的，不便于學(xué)生熟練掌握和運(yùn)用。為此，從2012年開(kāi)始，針對(duì)水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)，筆者重新編寫(xiě)了教案、講義、課程課件，以及作業(yè)習(xí)題等授課資料。

2新規(guī)范下水泥路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

由于規(guī)范中規(guī)定的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論是采用設(shè)計(jì)驗(yàn)算法，根據(jù)已知的交通量、道路等級(jí)、地區(qū)區(qū)劃，以及建筑材料等資料，初步擬定待設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)組合，然后對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載應(yīng)力和疲勞應(yīng)力的分析計(jì)算，最后利用可靠度系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力的校核。新規(guī)范中突出的一點(diǎn)是除了上述驗(yàn)算之外，還增加了道路最大荷載作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力校核計(jì)算。新規(guī)范中對(duì)應(yīng)水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)力計(jì)算方法如下^[6]。

（1）荷載應(yīng)力。設(shè)計(jì)軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的荷載疲勞應(yīng)力σpr=krkfkcσps。

最重軸載在臨界荷位處產(chǎn)生的最大荷載應(yīng)力σp，max=krkcσpm。

其中，σpm為最重荷載在四邊自由板臨界荷位處產(chǎn)生的混凝土板的最大荷載應(yīng)力。

kr為考慮接縫傳荷能力應(yīng)力折減系數(shù)，縱縫為設(shè)拉桿平縫時(shí)，kr=0.87～0.92（剛性和半剛性基層取低值，柔性基層取高值）；縱縫為設(shè)拉桿企口縫時(shí)，kr=0.76～0.84；縱縫為不設(shè)拉桿平縫或自由邊時(shí)kr=1.0。

kc為考慮偏載和動(dòng)載等因素對(duì)路面疲勞損壞影響的綜合系數(shù)，按公路等級(jí)查表16-24確定。

kf=Nνe為考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)荷載應(yīng)力累計(jì)疲勞作用的疲勞應(yīng)力系數(shù)。

特別的，設(shè)計(jì)軸載PS和最重軸載Pm在四邊自由板臨界荷位處產(chǎn)生的荷載應(yīng)力（MPa）為：

σps=1.47×10-3r0.70h-2cP0.94s，

σpm=1.47×10-3r0.70h-2cP0.94m，

（3）極限狀態(tài)的校核。水泥混凝土路面“單層板”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些已知參數(shù)，查閱規(guī)范中相應(yīng)的表格，選定待設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)的可靠度系數(shù)，以及路面材料的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fr，在上面荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力計(jì)算的基礎(chǔ)上，最后利用γr （σp r + σtr ）≤fr ，γr （σp ，max + σt，max ）≤fr 進(jìn)行校核。如果滿足，說(shuō)明前面擬定的水泥路面結(jié)構(gòu)滿足荷載和溫度對(duì)它的綜合作用效果；否則對(duì)已擬定的水泥路面結(jié)構(gòu)各層進(jìn)行重新擬定，并重復(fù)上述步驟進(jìn)行計(jì)算。

關(guān)于水泥混凝土路面彈性地基“雙層板”“復(fù)合板”“有瀝青上面層”的水泥混凝土板的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力，以及“加筋”水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳見(jiàn)最新規(guī)范。

二、教材選用和教學(xué)大綱的修改

（一）教材的選用

土木工程專業(yè)和交通工程專業(yè)培養(yǎng)方案中，都有路基路面工程這門(mén)課，分別為56和42學(xué)時(shí)。前幾年采用同濟(jì)大學(xué)出版社出版的教材^[7]，瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新規(guī)范出版后，全國(guó)陸續(xù)出版了基于新規(guī)范編寫(xiě)的教材，故兩年前已經(jīng)改換為人民交通出版社出版的教材^[8]。但由于JTG D40—2011《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》在2011年底才出版，目前使用的教材在水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)也還是舊的內(nèi)容，為此，筆者負(fù)責(zé)編寫(xiě)了補(bǔ)充講義，作為這部分教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充教材使用，使學(xué)生在校學(xué)習(xí)期間便能夠?qū)W到最新的技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的科技知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容與科技進(jìn)步、行業(yè)技術(shù)規(guī)范的緊密結(jié)合。

（二）教學(xué)大綱的調(diào)整

由于上述教學(xué)內(nèi)容的增加和補(bǔ)充，致使2009年補(bǔ)充制定的路基路面工程課程教學(xué)大綱^[3]與目前實(shí)際教學(xué)要求不符，為此將上述瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)涉及的多層體系換算教學(xué)內(nèi)容增加到教學(xué)大綱中，約2學(xué)時(shí)。考慮土木工程專業(yè)已提前開(kāi)設(shè)彈性力學(xué)課程，講解了多層體系的理論分析內(nèi)容，因此，在滿足瀝青路面設(shè)計(jì)章節(jié)總學(xué)時(shí)不變的前提下，在路基路面工程授課中減少了2學(xué)時(shí)路面結(jié)構(gòu)彈性多層體系理論分析的授課內(nèi)容。

對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)，由于新規(guī)范中的設(shè)計(jì)理論基本沒(méi)變，只是對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式發(fā)生了變化，故將原來(lái)的授課內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的替換即可，授課學(xué)時(shí)基本不變。

另外，由于新規(guī)范出版后路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容和計(jì)算項(xiàng)目的增加，原來(lái)教學(xué)大綱中的習(xí)題課學(xué)時(shí)（4學(xué)時(shí)）已經(jīng)不能滿足授課需求。為了增加習(xí)題課授課學(xué)時(shí)，針對(duì)土木工程專業(yè)和交通工程專業(yè)的學(xué)生，從2010年開(kāi)始另外增開(kāi)了32學(xué)時(shí)的路基路面檢測(cè)選修課，其中有一部分試驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和路基路面工程課程類似，經(jīng)學(xué)科組討論決定，將原來(lái)課程中試驗(yàn)部分的授課學(xué)時(shí)（約4學(xué)時(shí)左右）減少2學(xué)時(shí)，用于增加瀝青和水泥路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的習(xí)題課學(xué)時(shí)。

三、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)教育部下發(fā)的有關(guān)普通高等學(xué)校本科專業(yè)建設(shè)的要求和內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教學(xué)大綱文件中關(guān)于課程建設(shè)的要求，課題組對(duì)最新出版規(guī)范進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)學(xué)院教學(xué)委員會(huì)的同意，對(duì)路基路面工程課程的授課內(nèi)容和教學(xué)大綱作了部分修改和調(diào)整，涉及的內(nèi)容有以下4點(diǎn)：

（1）增加了瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)中多層體系換算的授課教學(xué)計(jì)劃，對(duì)應(yīng)地減少了路面結(jié)構(gòu)彈性多層體系理論分析的授課學(xué)時(shí)。

（2）根據(jù)最新規(guī)范，對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)的內(nèi)容全部進(jìn)行替換。

（3）增加路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)章節(jié)中的習(xí)題課授課內(nèi)容，同時(shí)減少路基路面工程課程中試驗(yàn)方面的授課學(xué)時(shí)。

（4）針對(duì)上述修改內(nèi)容，編寫(xiě)了課程的多媒體課件，具體修改、制定了2009版教學(xué)大綱和對(duì)應(yīng)的教學(xué)計(jì)劃。

另外，還將已經(jīng)購(gòu)買(mǎi)的正版HPDS2006路面設(shè)計(jì)軟件升級(jí)到HPDS2011，方便按最新規(guī)范進(jìn)行演示教學(xué)。在2009級(jí)學(xué)生的實(shí)踐和調(diào)查回訪中，學(xué)生普遍反映教學(xué)效果良好，說(shuō)明基于最新出版規(guī)范，對(duì)路基路面工程課程教學(xué)內(nèi)容的改革有利于提高教學(xué)質(zhì)量。

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Research on the timely innovation of teaching program for pavement structural design based on the new specification

SONG Yunlian，LIN Min，HU Bing

（Civil Engineering Institute， Inner Mongolia University of Technology， Huhhot 010051， P. R. China）

Abstract：On the basis of the aim of subject construction and the rule of teaching program file published by university， the teaching program of the curricula subgrade and pavement engineering is modified based on the new specification in this article. The contents modified are as follows： the teaching contents， about the multilayer system of asphalt pavement structure is turned into three layer system， is added into the chapter of asphalt pavement structure design； the teaching contents of the cement pavement structure is replaced with new contents in the new specification of cement pavement structure design； the exercises teaching contents and its class period of pavement structure design is added； the teaching courseware of the pavement engineering curricula based on the new specifications is compiled. This teaching reform about subgrade and pavement engineering can help to perfect the teaching program， improve the teaching quality， and make the students master the newest knowledge in time.

Keywords：pavement structure design； teaching program； teaching reform