新規范下“路面結構設計”教學大綱實時改革研究

摘要：文章為了適應新編規范的要求，根據專業建設目的和學校教學大綱文件的規定，修改了路基路面工程課程現有教學大綱：增加了瀝青路面結構設計章節中多層體系換算的授課內容；對水泥混凝土路面結構設計章節的內容全部按新規范進行了替換；增加了路面章節中的習題課；重新編寫了基于新規范的課程多媒體課件。此次課程的教學改革有利于完善教學大綱，提高教學質量，使學生及時掌握最新知識。

關鍵詞：路面結構設計；教學大綱；教學改革

中圖分類號：G6420 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2013）02-0098-05

路基路面工程是土木工程（交通土建）專業和交通工程專業實踐性很強的主要專業課之一，對培養道路工程應用型人才起重要作用。課程主要研究路基路面的基本概念、設計原理、計算方法和施工管理技術等內容。由于公路工程技術的不斷發展，交通部在1995年后陸續頒布了《公路路基設計規范》（1995年）、《公路路基施工技術規范》（1995年）、《公路軟土地基路堤設計與施工技術規范》（1996年）、《公路排水設計規范》（1996年）、《公路瀝青路面設計規范》（2006年）、《公路改性瀝青路面施工技術規范》（1998年）、《水泥混凝土路面設計規范》（2011年）等。但是，全國多數高校所用的路基路面工程教材的出版跟不上規范更新的步法，規范中的新內容在教科書中沒有及時更新，這就給正常的授課帶來較大困難。如果完全依照現有教材講解，有些內容已經在道路工程實際設計或使用中不再適用，這樣的教學會對學生形成一種誤導。如果按照新出版規范授課，無論學生還是教師，都沒有可作為授課的合適教材，這就給課堂教學帶來極大困難。為此也有一些學者對這方面的教學內容進行了探討和研究^[1-2]。

基于上述原因，針對新舊規范的不同之處，結合課程對應的不同授課學時要求和教育部關于土木工程專業建設的要求^[3]，對2009版路基路面工程課程教學大綱^[4]進行了修改。重點是教學內容的增減、教學方法的改變、作業布置方案的變化、習題課的增加等。根據瀝青路面結構設計和水泥路面結構設計的新規范^[5-6]，重點介紹新規范中主要的修改內容，包括設計理論和設計方法，講解現行瀝青和水泥路面結構設計分析的詳細計算過程。通過對比論述，提醒學生注意新規范的修改之處對實際工程中道路設計結果的影響。根據上述修改內容，基于實際工程結構資料，編寫了多個適用的算例，方便學生學習使用。

一、基于新規范下教學內容的修改和增補

（一）瀝青路面設計章節教學內容的修改增補

1.新規范中修改內容簡介

較上一版規范（JTJ 014—97）《公路瀝青路面設計規范》，新規范^[5]中新增內容主要表現在：

（1）強調按實際情況做好交通荷載分析與預測，按照全壽命周期成本的理念進行路面設計。

（2）采取防止早期損壞的技術措施，加強材料、混合料和路面結構組合設計的要求，增加柔性基層、貧混凝土基層等設計內容。

（3）細化半剛性基層混合料繼配類型，調整集料繼配范圍，補充了二灰穩定集料抗凍性設計要求。

（4）路面厚度計算方法在參數取值和舊路補強公式上有所改進。

（5）增加了舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層設計內容。

（6）補充了水泥混凝土橋面瀝青鋪裝設計內容。

2.多層體系路面結構向三層體系轉換

由于最新規范的設計計算是基于配套出版或其他正式出版的路面結構設計軟件（如HPDS2011）而進行設計計算的，如果沒有這些軟件，路面結構設計就無從下手。換句話說，最新規范中在已知某些路面結構設計參數（如交通量、道路等級、設計年限、各層路面結構材料參數等）的基礎上，只介紹了如何基于軟件進行道路最終結構的調試和設計，沒有介紹這些軟件是基于哪些計算公式，如何對路面進行中間的計算和最后結果的選擇。況且，最新出版的相關教材，也沒有再介紹如何利用手算方法進行多層路面結構的設計和計算。另外，以學校目前的教學條件，在授課過程中，還不能做到所有學生均配備計算機，加上軟件計算的中間過程學生不熟悉，無法更深層次地理解多層路面結構的理論設計過程，即使課程學習結束，對瀝青路面結構的設計也不會用手算。針對這些情況，筆者在最近幾年的授課中，為使學生學會用手算方法進行瀝青路面結構的設計計算，加深對瀝青路面結構設計理論和具體計算方法的理解，增加了多層體系向三層體系的轉換方法講解，這也是目前瀝青路面結構設計軟件中采用的中間計算方法。

在進行多層體系向三層體系的轉換中，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校教務處的精品課程網站上，作為結構設計計算的輔助資料供學生自由下載和打印。根據計算目的的不同，三層體系轉換的計算公式也不盡相同，大致有以下幾類。

（1）彎沉等效換算法：結合已知的三層體系彎沉諾模圖，將多層體系路面結構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。對應的具體換算公式為

（二）水泥路面設計章節教學內容的修改增補

1新規范中修改內容

較前一版規范相比，新規范^[6]中新增內容有：

（1）混凝土板極限斷裂的驗算標準和貧混凝土及碾壓混凝土基層的疲勞斷裂設計標準。

（2）考慮特重車輛和專用道路結構設計，增加了極重交通荷載等級。

（3）改進接縫設計及填縫材料的選型。

（4）完善連續配筋的裂縫間距和裂縫寬度兩個設計指標的計算公式。

（5）提高混凝土板錯臺量和接縫傳荷能力的評級標準。

（6）完善材料設計參數經驗參考值。

由于最新規范在2011年12月才出版，較上一版規范改動量非常大，尤其是在水泥路面結構設計過程中所用公式與前一版規范完全不同，現有教材水泥路面結構設計章節的計算公式全部不再適用，而且目前還未見針對最新規范出版相應的教材，這就造成已有教材的水泥路面結構設計章節與新規范不符，不能繼續講授。在這種情況下，作為一線授課教師，必須提前給學生準備補充講義，并且在課堂教學中把最新規范的設計理念和計算公式講授給學生。另外，新規范的設計計算是基于規范配套出版或其他正式出版的路面結構設計軟件（如HPDS2011）而進行設計計算的，不便于學生熟練掌握和運用。為此，從2012年開始，針對水泥路面結構設計章節，筆者重新編寫了教案、講義、課程課件，以及作業習題等授課資料。

2新規范下水泥路面結構應力計算

由于規范中規定的水泥混凝土路面結構設計理論是采用設計驗算法，根據已知的交通量、道路等級、地區區劃，以及建筑材料等資料，初步擬定待設計結構組合，然后對該結構進行荷載應力和疲勞應力的分析計算，最后利用可靠度系數對結構進行應力的校核。新規范中突出的一點是除了上述驗算之外，還增加了道路最大荷載作用下結構的應力校核計算。新規范中對應水泥路面結構設計時的應力計算方法如下^[6]。

（1）荷載應力。設計軸載在臨界荷位處產生的荷載疲勞應力σpr=krkfkcσps。

最重軸載在臨界荷位處產生的最大荷載應力σp，max=krkcσpm。

其中，σpm為最重荷載在四邊自由板臨界荷位處產生的混凝土板的最大荷載應力。

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

kc為考慮偏載和動載等因素對路面疲勞損壞影響的綜合系數，按公路等級查表16-24確定。

kf=Nνe為考慮設計基準期內荷載應力累計疲勞作用的疲勞應力系數。

特別的，設計軸載PS和最重軸載Pm在四邊自由板臨界荷位處產生的荷載應力（MPa）為：

σps=1.47×10-3r0.70h-2cP0.94s，

σpm=1.47×10-3r0.70h-2cP0.94m，

（3）極限狀態的校核。水泥混凝土路面“單層板”結構設計中，根據水泥路面結構設計的一些已知參數，查閱規范中相應的表格，選定待設計路面結構的可靠度系數，以及路面材料的彎拉強度標準值fr，在上面荷載應力和溫度應力計算的基礎上，最后利用γr （σp r + σtr ）≤fr ，γr （σp ，max + σt，max ）≤fr 進行校核。如果滿足，說明前面擬定的水泥路面結構滿足荷載和溫度對它的綜合作用效果；否則對已擬定的水泥路面結構各層進行重新擬定，并重復上述步驟進行計算。

關于水泥混凝土路面彈性地基“雙層板”“復合板”“有瀝青上面層”的水泥混凝土板的荷載應力和溫度應力，以及“加筋”水泥混凝土路面結構設計詳見最新規范。

二、教材選用和教學大綱的修改

（一）教材的選用

土木工程專業和交通工程專業培養方案中，都有路基路面工程這門課，分別為56和42學時。前幾年采用同濟大學出版社出版的教材^[7]，瀝青路面結構設計新規范出版后，全國陸續出版了基于新規范編寫的教材，故兩年前已經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計規范》在2011年底才出版，目前使用的教材在水泥路面結構設計章節也還是舊的內容，為此，筆者負責編寫了補充講義，作為這部分教學內容的補充教材使用，使學生在校學習期間便能夠學到最新的技術規范、標準和先進的科技知識，實現了教學內容與科技進步、行業技術規范的緊密結合。

（二）教學大綱的調整

由于上述教學內容的增加和補充，致使2009年補充制定的路基路面工程課程教學大綱^[3]與目前實際教學要求不符，為此將上述瀝青路面結構設計時涉及的多層體系換算教學內容增加到教學大綱中，約2學時。考慮土木工程專業已提前開設彈性力學課程，講解了多層體系的理論分析內容，因此，在滿足瀝青路面設計章節總學時不變的前提下，在路基路面工程授課中減少了2學時路面結構彈性多層體系理論分析的授課內容。

對水泥混凝土路面結構設計章節，由于新規范中的設計理論基本沒變，只是對應的計算公式發生了變化，故將原來的授課內容進行相應的替換即可，授課學時基本不變。

另外，由于新規范出版后路面結構設計內容和計算項目的增加，原來教學大綱中的習題課學時（4學時）已經不能滿足授課需求。為了增加習題課授課學時，針對土木工程專業和交通工程專業的學生，從2010年開始另外增開了32學時的路基路面檢測選修課，其中有一部分試驗教學內容和路基路面工程課程類似，經學科組討論決定，將原來課程中試驗部分的授課學時（約4學時左右）減少2學時，用于增加瀝青和水泥路面結構設計的習題課學時。

三、結語

根據教育部下發的有關普通高等學校本科專業建設的要求和內蒙古工業大學教學大綱文件中關于課程建設的要求，課題組對最新出版規范進行研究。經過學院教學委員會的同意，對路基路面工程課程的授課內容和教學大綱作了部分修改和調整，涉及的內容有以下4點：

（1）增加了瀝青路面結構設計章節中多層體系換算的授課教學計劃，對應地減少了路面結構彈性多層體系理論分析的授課學時。

（2）根據最新規范，對水泥混凝土路面結構設計章節的內容全部進行替換。

（3）增加路面結構設計章節中的習題課授課內容，同時減少路基路面工程課程中試驗方面的授課學時。

（4）針對上述修改內容，編寫了課程的多媒體課件，具體修改、制定了2009版教學大綱和對應的教學計劃。

另外，還將已經購買的正版HPDS2006路面設計軟件升級到HPDS2011，方便按最新規范進行演示教學。在2009級學生的實踐和調查回訪中，學生普遍反映教學效果良好，說明基于最新出版規范，對路基路面工程課程教學內容的改革有利于提高教學質量。

參考文獻：

[1] 宋高嵩，張春萍，王劍英.路基路面工程課程教學改革探討[J].哈爾濱學院學報，2002，23（8）：152-153.

[2] 馬培建，朱亞光.土木工程專業路基路面課程教學內容及方法探討[J].高等建筑教育，2003，12（3）：41-43.

[3]內蒙古工業大學理論課教學大綱（土木工程學院道交系部分）[Z].2009.

[4] 教育部高等教育司.普通高等學校本科專業目錄和業介紹[M].北京：高等教育出版社，1998.

[5] 中華人民共和國交通部.JTG D5—2006瀝青混凝土路面設計規范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[6] 中華人民共和國交通部.JTG D40—2011公路水泥混凝土路面設計規范[S].北京：人民交通出版社，2011.

[7] 陸鼎中，陳家駒.路基路面工程[M].上海：同濟大學出版社，2006.

[8] 鄧學均.路基路面工程[M].3版.北京：人民交通出版社，2009.

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