本课程是一门服务于卓越道路与桥梁工程师和未来领军人才培养的专业课程。东南大学《路基路面工程》课程教学已有60多年的历史。课程建设可追溯到知名的方左英教授、方福森教授分别讲授的路基工程和路面工程及分别编写的《路基工程》和《路面工程》教材、2000年邓学钧教授讲授的路基路面工程及编写的《路基路面工程》教材。自1956年院系的调整以来,一直没有中断过本课程的教学,是道路桥梁与渡河工程专业(先后称为道路工程、交通土建工程、土木工程等)的主干课程。经过几代专家学者几十年呕心沥血的努力,已经成为国内交通运输领域最具影响的课程之一。本课程是国家精品课程、国家资源共享课程、在线开放课程,“路基路面工程”教材已更新至第六版。目前《路基路面工程》已形成由核心教材、多媒体课件、室内与现场实习、课程设计及实践基地组成的立体教学模式。本课程建设依托学科是东南大学道路与铁道工程国家重点学科。
《路基路面工程》课程是道路桥梁与渡河工程专业、交通工程专业道路桥梁方向、土木工程专业道路桥梁方向的必修课。作为专业核心课程,本课程的学习将为后续课程学习、自主研学、毕业设计、研究生培养以及今后工作提供专业基础知识。同时本课程也是东南大学交通学院为测绘工程、勘察技术与工程和港口航道与海岸工程等专业开设的跨专业课程。
《路基路面工程》课程作为道路桥梁与渡河工程专业、交通工程专业道路桥梁方向、土木工程专业道路桥梁方向的必修课,在基础理论方面,它必须有土木工程材料、土质学与土力学、材料力学等课程的基础;在实践教学方面,它与道路工程认识实习、基础课程实习(如土木工程材料实习、材料力学实习)互成体系,结合其他专业课程的学习和毕业设计综合训练,实现专业培养目标。因此,在课程教学过程中,授课教师队伍始终坚持理论与实践相结合、基础课程与专业课程相结合、专业课程与专业课程相结合。
在基础理论和实践教学方面,课程结合本课程的特点,把握课程的基础理论和基本概念,对路基强度和稳定性的要求和设计方法以及路基路面工程相关的交通参数、材料参数、结构设计参数;路面材料与结构设计方法等进行详细阐述;同时深刻把握课程重点,通过课程设计、现场和室内实习,对路基稳定性设计与验算方法;路基挡土墙设计;沥青路面和水泥混凝土路面结构组合设计与厚度设计;路面施工、养护和管理的基本流程等进行有针对性的训练。并结合国内外路基路面的最新趋势和规范、最新研究成果,及时更新教学内容(如图1)。
通过本课程的教学,学生应掌握路基路面工程的结构特点与功能要求;路基土的工程特性和承载力评价指标与方法;路基路面工程相关的交通、环境、材料的特性与要求、结构设计参数;掌握路基强度和稳定性的要求和设计方法;掌握路基支挡结构分析与设计;路面结构强度(刚度)的测试方法、结构层材料模量的确定和取值方法、交通量确定方法、路基路面工程质量检测与评定方法;掌握路基层特性及选择方法;沥青混凝土路面和水泥混凝土路面材料与结构设计方法;了解路基和路面施工及养护技术;具有路基路面工程相关的设计、施工、养护和质量检测与评定的基本能力。课程重点:路基路面工程相关的基本概念、原理和方法;路基稳定性设计、路基支挡结构设计、沥青混凝土路面和水泥混凝土路面的结构组合设计与厚度设计。同时通过课程学习,了解“交通强国”、“一带一路”、“两路精神”、“愚公移山”等思想内涵,建立生态意识、服务意识、社会意识、国家意识,为交通强国建设以及世界交通建设服务。
图1 《路基路面工程》的课程教学要求
“路基路面工程”是道路桥梁与渡河工程本科专业学生的必修课程,通过本课程的教学,学生应掌握路基路面工程的结构特点与功能要求;路基土的工程特性和承载力评价指标与方法;路基路面工程相关的交通、环境、材料的特性与要求、结构设计参数;掌握路基强度和稳定性的要求和设计方法;掌握路基支挡结构分析与设计;路面结构强度(刚度)的测试方法、结构层材料模量的确定和取值方法、交通量确定方法、路基路面工程质量检测与评定方法;掌握路基层特性及选择方法;沥青混凝土路面和水泥混凝土路面材料与结构设计方法;了解路基和路面施工及养护技术;具有路基路面工程相关的设计、施工、养护和质量检测与评定的基本能力。课程重点:路基路面工程相关的基本概念、原理和方法;路基稳定性设计、路基支挡结构设计、沥青混凝土路面和水泥混凝土路面的结构组合设计与厚度设计。同时通过课程学习,了解“交通强国”、“一带一路”、“两路精神”、“愚公移山”等思想内涵,建立生态意识、服务意识、社会意识、国家意识,为交通强国建设以及世界交通建设服务。
数学、土木工程材料、材料力学、土力学、结构力学、弹性力学
1. 邓学钧 编著 路基路面工程[M](第1版)北京:人民交通出版社股份有限公司,2000.2
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5. 黄晓明 主编 路基路面工程[M](第5版)北京:人民交通出版社股份有限公司,2017.8
6. 黄晓明 主编 路基路面工程[M](第6版)北京:人民交通出版社股份有限公司,2019.6
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《路基路面工程》重点和难点指导
(1)路基强度的保障技术要求:土的基质吸力、干湿类型划分、路基临界高度、路基土的选择和要求。
解决方式:讲述基本概念,引入现场图片和现场实习,全面分析路基强度的保障技术要求。土的基质吸力则从土的组成、基质吸力形成、计算方式切入。
(2)路基强度设计参数:地基回弹模量、地基反映模量、CBR的基本概念及测试方法。
解决方式:讲述基本概念、影响因素、测试方法,明确几个强度参数的用途及参数范围,然后分别说明路基设计参数的意义和差别。
(3)路基稳定性验算:直线法、瑞典法、BISHOP法、浸水路基稳定性、地震路基稳定性。
解决方式:通过路基破坏形式和基本概念讲述,说明路基稳定验算的基本方法,并进行算例分析。重点说明瑞典法、BISHOP法的假定差别和使用要求,由此引入动水压力、地震力的大小、作用点和方向,说明主动土压力、被动土压力等的力闭合图。
(4)路基施工:路基施工方法、路基施工设备、路基施工材料。
解决方式:通过路基施工过程讲述,明确施工技术、材料要求和检测技术。重点解决施工机械的类型、差别及使用要求,由此引出施工检测方式与要求,明确材料的要求与特点。
(5)交通量的调查与统计:混合交通调查方法(针对交通等级等路面设计的差异性),不同路面类型的轴载换算。
解决方式:利用现场调查及给定两种数据类型进行分析与对比,进行不同路面轴载换算。引导学生进行实际交通调查,通过调查交通组成和实际交通量,计算当量单轴(ESAL),提升交通量在路面设计中的重要性和数据调查与取值方法。
(6)路面结构层参数:路面无机结合料稳定材料(半刚性材料)参数概念与测定、沥青混合料材料参数、水泥混凝土路面结构参数、无结合料材料参数。
解决方式:讲述参数的概念、测定方法。分析沥青混合料参数的影响因素、分析无结合料材料的基本概念及影响因素。通过无机结合料稳定材料特点分析,讲述无机结合料稳定材料的时间和温度影响,以及对路面结构设计和施工评定的影响。
(7)路面基层:路面基层包括:无机结合料稳定材料基层(半刚性基层)、沥青稳定材料基层、水泥混凝土基层(刚性基层)、无结合料稳定材料基层(级配碎石基层)。
解决方式:结合无机结合料稳定材料特点分析,讲述无机结合料稳定材料组成设计设计要求、材料要求、施工技术及控制方式。通过沥青混合料特点分析,讲述沥青稳定材料组成设计设计要求、材料要求、施工技术。通过水泥混凝土材料特点分析,讲述刚性基层材料组成设计设计要求、材料要求、施工技术。通过无结合料材料(级配碎石)特点分析,讲述级配碎石基层材料组成设计设计要求、材料要求、施工技术。
(8)沥青路面弯沉设计与弯拉应力验算:沥青路面弯沉与模量及厚度的关系,弯拉应力与模量和厚度的关系,弯沉设计和弯沉拉应力检验时参数的确定。沥青路面设计指标类型分析,我国沥青路面设计指标的变化(应力指标和应变指标、车辙指标、低温开裂指标)
解决方式:弯沉指标是我国现行沥青路面设计规范的设计指标,但是由于弯沉指标的客观局限性,弯沉指标将被应力指标和应变指标代替,这里点首先阐述弯沉指标路面结构设计方法的基本概念要求,从应力与模量参数、应变与模量参数的关系,讲述路面参数选择的原理与方法。然后讲述应力指标和应变指标的意义和相应的试验方法,由此阐述应力标准和应变标准的确定方法,说明他们相互之间的关系。
(9)沥青路面基本性能:沥青路面的高温稳定性、水稳定性、低温抗裂性、疲劳性能、抗反射裂缝等基本要求。
解决方式:沥青路面的最大特点是温度敏感性,主要是高温的推挤、泛油和车辙,低温开裂、雨季水损害、重复荷载作用下的疲劳和我过半刚性基层出现的反射裂缝,这里将通过沥青路面病害机理分析,阐述病害原因及防治技术。通过学生深入现场的沥青路面实际使用的调查,深入了解沥青路面使用要求,明确实际设计与施工要求。
(10)水泥混凝土路面:水泥混凝土路面接缝形式、基本要求。
解决方式:水泥混凝土路面的基本特点是有接缝和由此产生的接缝处的唧泥、错台和断板,这里将通过水泥混凝土路面实际调查,了解水泥混凝土路面的使用特点。通过水泥混凝土路面接缝伸长、收缩的特性,施工要求等特征分析,明确水泥混凝土路面胀缝、缩缝、施工缝、纵向接缝的设计与施工要求。
(11)水泥混凝土路面的荷载应力:荷载应力的基本理论、计算公式、不同结构状态的计算公式。
解决方式:水泥混凝土板由于板中、板边和板角受力特性不同,通过板的特性分析及讲述弹性地基上小扰度薄板的基本理论、荷载应力计算有限元法计算,说明规范荷载应力计算公式的来历及基本使用条件。针对不同基层水泥混凝土路面板特性分析,讲述不同基层条件水泥混凝土路面设计公式的差异性。
(12)水泥混凝土路面的温度应力:温度应力产生的条件,温度应力的计算方法,温度应力疲劳与荷载应力疲劳的迭加。
解决方式:水泥混凝土路面由于温度变化和自身约束,路面板在不同季节间的温度差会产生板长度方向的变化,由此引申出设置胀缝、缩缝、施工缝的必要性。同时结合一天中板表面和板底部温度差异,说明板产生翘曲的基本特点,再由于板的约束,导致水泥混凝土路面的温度翘曲应力。通过分析温度应力产生的条件,或到现场调查温度应力破坏实例。从力学和现场两方面说明考虑温度翘曲应力的必要性和计算方法。
(13)水泥混凝土路面设计:水泥混凝土路面结构设计的满足条件、参数确定及设计。
解决方式:水泥混凝土路面设计包括分仓设计、厚度设计、配筋设计等,这里将结合道路路面的环境实际,如广场、交叉口等,说明水泥混凝土路面分仓的必要性,同时说明板分仓的基本要求,由此通过实际调查分析分仓设计的基本原理与方法。再通过水泥混凝土路面交通参数的分析,说明如何确定累计交通轴载;通过荷载作用特点分析,确定单次作用的临界荷位荷载应力的计算公式和疲劳系数计算公式,确定疲劳荷载应力;通过温度疲劳概念,确定温度疲劳应力计算公式,从温度差、温度应力等引入温度疲劳应力;再通过基本要求确定路面设计基本关系。结合实际极重荷载的实际,讨论极重荷载验算方法,最后通过基本示例确定水泥混凝土路面结构设计方法。
(14)路基路面排水设计:路界地表排水、路界地下排水、路面内部排水
解决方式:路基路面排水设计主要结合路基路面来的来源及造成的路基路面病害进行,通过讲述病害,主要讲述排水设计典型案例。
(15)路面施工:无机结合料稳定材料施工、沥青稳定基层施工、水泥混凝土路面施工。
解决方式:路面施工主要应该结合现场进行,在多年的教学过程中课程组已经积累了不同材料的施工过程视频,在讲课过程中将通过示例和视频讲述路面施工。同时通过不同施工材料和施工特点分析,讲述施工的重要性和避免施工质量隐患的基本要求与方法。
(16)路面检测与评价:路面检测方法、设备、评价指标与标准。
解决方式:路面职工质量检测是保证路面施工质量的保证,不同的规范、不同的材料有相应的使用要求和施工检测指标与标准,这两将结合沥青路面施工、水泥混凝土路面施工、无机结合料稳定材料、级配碎石等施工过程与检测内容分析,说明路面施工检测的重要性和必要性,同时通过施工检测方法介绍,说明施工检测的基本方法和检测要求,通过规范要求说明路面检测与数据评价。
(17)路面管理系统:路面管理系统的基本概念、要求与应用。
解决方式:路面管理包括数据库建立、路面使用性能数据检测、路面使用性能性能评价、路面使用性能预测、路面养护方案的排序与优化等,通过示例讲述路面管理系统的作用和应用。