沥青混合料诸参数对性能指标影响的数学建模

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解放军理工大学学报(自然科学版)
cover letter第10卷增刊2009年12月V01.10No.SDec.2009
JournalofPLAUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)
沥青混合料诸参数对性能指标影响的数学建模
范鹏贤,马喜斌,姜鹏飞王明洋
(解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007)
摘要:为提高沥青路面的使用性能,依据全国第四届研究生数学建模竞赛C题提供的数据,采用灰关联分析、回归分析及F检验方法对沥青混合料诸多参数与路面性能指标之间的关系进行了详细分析,建立了描述路面抗水损害性能、高温性能、低温性能的三类4个性能指标和影响路面性能的沥青混合料诸参数之间关系的数学模型。该数学模型在对大量试验数据进行处理后,准确地从诸多影响因素中找到了影响沥青路面各类性能的主要参数。结果与相关领域研究成果一致,具有很强的实用性。
关键词:沥青混合料;数据处理;灰关联分析;F一检验;数学建模
中图分类号:0141.4;U414文献标识码:A文章编号:1009—3443(2009)增千U一0069—05
Mathematicalmodelingofrelationshipbetweenpavementqualityindexesand
parametersofasphaltmixture
FANPeng—xian,MAXi—bin,(EngineeringInstituteofCorpsofEngineers,
JIANGPeng—fei,WANGMing—yang
PLAUniv.ofSci.&Tech.,Nanjing210007.China)
Abstract:Toimprovetheserviceperformanceofpavement,massdataofobservationandtestwereaeca—mulated.AccordingtOthedataprovidedbythe4”NationalPost—graduateMathematicalContestinMod—eling,therelationshipbetweenqualityindexesofpav
ementandparametersofasphaltmixturewereana,lyzedusinggreycorrelationanalysistheory,regressionanalysisandFtestmethod.ThemathematicaImodelwasestablishedtoevaluatetherelationshipbetweenqualityindexesofpavementandparametersofasphaltmixture.Themathematicmodelingperformedwellinprocessingquantitativedata,andsuccessful,lyselectedoutthemaininfluencingfactorsofpavementqualityindexesfromtheprovidedparameters.Theresultsagreewiththeachievementsinrelativefields,whichsuggeststhevalidityofthemodel.
Keywords:asphaltmixture;dataprocessing;greycorrelationanalysis;Ftest;mathematicmodeling
沥青路面具有良好的行车舒适性和优异的使用性能,建设速度快,维修方便,是高等级公路建设的首选材料。交通工程和材料工程界很早即对混合料诸参数对路面性能指标的影响进行了研究。但由于试
验技术和数据处理方法的限制,早期的试验多是针对某单一参数的研究,缺乏对沥青混合料诸多参数与路面性能指标之间关系的总体认识。
收稿日期:2008—06—20.
作者简介:范鹏贤(1983一).男。博士生.
联系人;王明洋,教授.博士生导师;研究方向:岩石力学、武器效应及其防护;E—mail:wmyrf@163.corn.
经过二十几年的发展,研究人员为延长高速公路路面寿命,提高路面使用性能做了大量的试验和调查研究,积累了一批宝贵的数据,如何将不同研究者不同实验对象的数据综合利用,成为公路工程界的迫切需要解决的问题。目前已有学者使用灰色理论[1]对部分路面使用性能进行评估和预测Ez,s],但总体来讲,研究尚处于起步阶段。对多次试验积累的数据进行的分析尚未见于文献。
由于影响因素很多,对已有的试验、检测数据进行综合分析具有很大难度。亟需解决的问题包括路面性能指标(冻融劈裂强度比尺ST,浸水马歇尔稳定
genuine什么意思万方数据
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度比S。,均为反映混合料抗水损害性能的指标;动稳定度5D,反映混合料的高温性能;弯拉应变Srr,反映混合料的低温变形能力)和影响高速公路路面性能的混合料诸参数之间的关系,以及如何建立描述它们之间关系的数学模型。
为了从繁杂的数据中提取有用的信息,本文从数学的角度对混合料诸参数和路面性能指标之间的关系建立模型,并利用第四届全国研究生数学建模大赛提供的试验观测数据通过模型找到影响路面性能的主要因素。
1数据的简化和参数的优选
问题给出的对路面质量有较大影响或有影响的因素很多,在考察它们对路面质量的影响时,如果全部纳入考察范围,将大大增加工作量,有必要对题给的诸多因素进行筛选和简化。
筛选和简化的主要原则为:成人英语怎么说
(1)保留的参数应相互独立;
(2)保留的参数应能全面反映沥青混合料基本的和重要的信息;
(3)优先保留可直接测量的或可由直接测量数据简单换算得到的参数;
(4)优先保留数据量较大的参数。
1.1筛孔通过率数据的简化
按照胶浆理论,沥青混合料是由矿质骨架和沥青胶结物构成的,具有空闾网络结构的多相分散体系。不同分散系所占的比例对混合料性质有很大影响。一般认为4.75mm是粗细集料的分界点,它反映了粗细集料的比例,决定混合料的结构特点,而0.075mm筛孔通过率是细集料和矿粉的分界点,它决定了微分散系的比例,其他孔径的筛孔通过率虽有一定参考价值,但对沥青路面的结构性特征没有重要影响。
综合考虑,选择4.75mm筛孔通过率和0.075mm筛孔通过率作为表征集料级配的参数。
1.2混合料参数的优选
根据相关的定义可知,粉胶比、油石比和0.075mm筛孔通过率是直接相关的,饱和度可由空隙率和矿料间隙率唯一决定,毛体积密度可以由油石比和集料特性确定,矿料间隙率、油石比和孔隙率之间存在着确定的函数关系,最大理论密度是油石比的函数,又由压实度的定义G=100—y。可知,压实度和空隙率y是线性负相关的。
上述诸参数之间互相制约,互相影响,存在着各种函数关系,根据前文所述的参数优选原则,最终选
取油石比、4.75mm筛孔通过率、0.075mm筛孔通过率、空隙率和最初压实度五组数据作为主要影响因素,建立数学模型,重点考察它们对各路面性能指标的影响。
2指标与诸参数的灰关联分析
2.1灰关联分析的基本步骤
2个系统或2个因素之间关联性大小的度量称为关联度。关联度描述了系统发展过程中,因素之间相对变化的情况,也就是变化大小、方向、速度等的相对性。如果两者在发展过程中,相对变化基本一致,则认为两者关联度大;反之,两者关联度就小‘¨。
灰关联分析时,由于系统中各因素的物理意义不同,导致数据的量纲或量级不一定相同,为了便于分析,保证各因素具有等效性和同序性,需要对原始数据进行处理,使之无量纲化和归一化。常用的数据变化方法有:初值化处理、均值化处理、区间值化处理和归一化处理。在进行灰关联分析时,需对路面性能指标数列进行均值化处理。
灰关联分析的基本理论可参考文献[4~6],步骤如下:
(1)确定参考数列:
X。={X。(点)Ik=1,2,…,以},
确定比较数列:
Xi={Xf(愚)lk=1,2,…,九)(i=1,2,…,优)。
(2)将上述数列初值化处理,得到变换后的数列:
参考数列Yo一---tkXo(k)I忌=1,2,…,升l,
参考数列忌。1’z’…川,,
比较数列yi:tkXj(k)I七=1,2,…,以l,
比较数列yl=扣1’2’…川J}’
i一1,2,…,m。
(3)各时刻(指标和空间)比较数列与参考数列的关联系数:
rainminAf(正)+JDmaxmaxAf(愚)铴‘2—1丽丁F两五■面磊取矿’式中,△(忌)=IY。(志)~yj(是)l;p为分辨系数,一般P∈(o,1),通常取值为0.5;minmin△(矗)为两级最小差;maxmax△(走)为两级最大差。
(4)求关联度,'toi=i1∑亭。;(点)。
万方数据
增刊范鹏贤,等:沥青混合料诸参数对性能指标影响的数学建模71
(5)排出关联序:Xi与X。的关联度rf越大,Xi与X。发展趋势越接近,Xi对X。的影响越大。
根据以上灰关联分析理论和方法,研究了5个参数对路面各性能指标的影响程度。
brando路面的性能指标有4个,可分为3类,分别是抗水损害性能、高温性能和低温性能,影响沥青路面性能的参数有5个,它们依次是油石比、集料的4.75mm筛孔通过率尸4.75、0.075mm筛孔通过率P。。75、空隙率和最初状态的压实度。
2.2分析结果
分别以4个路面性能指标为参考数列,5个混合料参数分别做均值化处理,通过灰关联分析,得到5个混合料参数和路面性能指标之间的关联度。结果如表1所示。
表I诸参数和路面性能指标的关联度
Tab.1Correlativedegreesbetweenpavementqualityin-dexesandasphaltmixtureparameters
从表中可以看出:对于路面抗水损害性能,关联度最大的参数是最初状态的压实度和空隙率。其他3个参数关联度大小相当,相对较小;对于路面高温性能,油石比和粗集料比例与车辙的关系最密切,但其他3个参数与动稳定度的关联度也相差不大;对于路面低温性能,关联最大的参数是最初状态的压实度,其次为空隙率、粗集料比例和油石比,矿粉的影响较小。
道路材料领域的研究表明[7 ̄1¨:影响沥青路面抗水损害性能的主要因素是空隙率以及集料和沥青问的粘结性能;影响路面高温性能的主要因素是粗集料的摩擦嵌挤作用和适当的油石比;影响路面低温性能的主要因素则主要是沥青本身的性质,空隙率也有一定的影响。本文采用灰关联分析法确定的主要影响因素与已有的研究成果是吻合的。
3回归模型的建立和求解
3.1回归模型及回归参数
灰关联分析法只能对各因素对沥青路面性能指标的影响做定性判断,要想得到它们之间的数量关系,需要对沥青混合料参数和路面性能指标进行回归分析。
分析中采用多元非线性回归模型,根据灰关联分析的结果,视情况选择参数。对于影响因素影响较小的因素,可以暂不纳入,根据F检验的结果再引进新的解释变量。本文回归分析时采用5个参数,再通过淘汰分析法剔除多余的解释变量。
数据首先用标准化方法处理,采用以下多元二次多项式回归模型,其函数形式可表示为:
y=口0+∑QiXi+∑尼z;+∑∑%x,xj,
j—i+1
式中:嘶,(i一0,1,2,…,n),屈,(i=1,2,…,咒),以i,(i=1,2,…,以;歹=i+1,…,T/)均为回归模型参数,Y为性能指标,z;为影响因素,i=1~5时,五依次代表油石比、集料的4.75mm筛孔通过率、集料的0.075mm筛孔通过率、空隙率和最初状态的压实度。
利用上述回归模型及Origin7.5的求解功能,得到各性能指标与沥青混合料诸参数间的回归分析结果,如表2所示。
表2路面性能指标与沥青混合料诸参数问的回归模型参数计算值
Tab.2Parametervaluesoftheregressionmodelbetweenqualityindexesofpavementandparametersof
phaltmixture
万方数据
72解放军理工大学学报(自然科学版)第lo卷
3.2回归模型的显著性检验
回归模型只是未知真实模型的一个近似展开式,其是否合适,应该通过检验做出评价。
从统计学的角度来讲,有2个问题需要检验:
(1)问题的显著性检验:即因变量Y与自变量z之间是否存在函数关系;
(2)回归的拟合不佳检验:模型作为真实模型的近似展开式,是否需要更高阶展式来拟合。
以上2个检验都要用到F统计量。具体的F检验参见相关文献I-4J,本文只给出几个关键性定义:残差平方和:sn。=∑(yJ一多,)2,自由度为^。=咒一P(以为试验次数,户为回归
模型中展开函数个数);回归平方和SR=芝:(为一了)2,自由度为厶=户一1;总平方和S丁=S一+Sn。,其自由度为^=咒一1。
回归平方和在总平方和中所占的份额R2=5R/S丁称为复相关系数,可用来评价回归模型的显著性水平。平方和S除以相应的自由度,称为均方,记为M。F(fR^)=甏=端(1)F是一个统计量,给定自由度厶、,R。及显著性水平口,可从F分布的统计表中查出一个F值,记为F。(厶,^。)。若F(^,A)>凡(厶,^),则认为回归模型在口水平下是显著的,参数之间存在显著的函数关系。
根据表2中的回归系数和式(1),计算可得各指标的显著性指标F(^,^。),计算结果列于表3。通过查表可得F。.。5(^,^。)=1.75。
表3各指标回归模型的显著性检验
Tab.3Significancetestofregressionmodels
从表3中数据可知,对浸水马歇尔稳定度比S。和动稳定度SD,有F(厂R,氏)>F005(^,^。),认为模型在口=0.05显著性水平下与影响因素之间存在显著的函数关系;对冻融劈裂强度比尺sT和弯拉应变Srr,有F(^,厂R。)<F。。。(^,^。),认为模型在口=0.05显著性水平下与影响因素之间不存在显著的函数关系。
显著性检验的结果说明,冻融劈裂强度比尺。T和弯拉应变SFT与选取的5个混合料参数关系不是很密切。动稳定度SD和5个混合料参数之间的函数关系相对显著。
3.3模型的求解
评价一个解释变量在模型中的重要性可用偏回归平方和来衡量。给定一组解释变量后,可以计算残差平方和,现在假定剔除其中一个解释变量,同样可以计算残差平方和,新的残差平方和比原来的残差平方和要大,其增加值称为相应解释变量的偏回归平方和。
iEs产=岛2/cJ,,歹=1,2,…,P为第歹个解释变量的偏回归平方和。其中岛为第歹个回归系数估计值,C』,为x’X逆矩阵中的第.『对角元素。从给定的户个解释变量中剔除一个解释变量的原则是:从S』中找出最小的偏回归平方和,不妨记为Sc跏
令F(1,^。)=茜},(2)
JYJ[u
若F(1,^。)=茜}<F。(1,厂R。)则将这个解释
』rIuRo
变量除去,反之则该变量不能去除。
浸水马歇尔稳定度比、动稳定度2个性能指标和沥青混合料诸参数之间的函数关系是显著的,需要对回归模型进行进一步的选择。
表4动稳定度回归模型选择步骤
Tab.4Procedureofmodelselectionofthedynamic
stability
模型选择采用淘汰法,利用Matlab7.0自编程序进行运算。浸水马歇尔稳定度比和动稳定度两个回归模型的求解过程类似,在此仅以表格的形式列出关于动稳定度SD的模型的计算参数淘汰过程如
万方数据
years ago什么意思
增刊范鹏贤,等:沥青混合料诸参数对性能指标影响的数学建模73
表4所示。
经过淘汰法处理以后,得到动稳定度与沥青混合料诸参数之间的函数关系为:
Y=(1.7+1.2X1—5.4xlz2—0.3xlX3+7.7锄z3)×10一。(3)函数式(3)表明,沥青混合料的动稳定度只与X。、z:、z。有关,即油石比和集料的级配。这与相关领域的研究成果是一致的。
4结语
通过对4个路面性能指标和沥青混合料诸参数之间的关联分析,建立了一个基于灰色理论和多元回归分析的数学模型,通过数学模型对大量的观测、实验数据进行了处理,确定了沥青混合料诸参数对路面各种性能指标的影响程度大小。
分析表明:影响路面抗水损害性能最大的是空隙率;影响路面高温性能的主要参数有粗集料筛孔通过率、油石比和空隙率;影响路面低温性能的主要参数是油石比。冻融劈裂强度比和弯拉应变与混合料诸参数之间的函数关系不明显,浸水马歇尔稳定度比和动稳定度与沥青混合料诸参数的函数关系较明显。以动稳定度为例,对非线性回归模型进行了求解,给出了具体的函数形式。
该数学模型综合利用了灰色理论、非线性回归分析和F检验理论,不仅分析结果与相关领域的研究成果符合良好,而且分析过程明晰,计算量不大,对具有大数据量和影响因素不确定的相关问题具有较强的实用性。
本论文在第四届研究生数学建模大赛中荣获全国一等奖,具有一定的推广应用价值,经过适当修正后,可在土力学试验、混凝土性能试验等试验数据的处理中得到应用。
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(责任编辑:汤雪峰)
万方数据
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