CN112836336A - 根据灰色关联度分析水泥稳定碎石微裂程度中因素的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种根据灰色关联度分析水泥稳定碎石微裂程度中因素的方法,属于土木工程技术领域,主要包括以下步骤:步骤一:通过研究目的确定相应的系统特征变量Yi(k)和相关因素变量Xj(k);步骤二:依据试验数据和相关理论确定是否需要进行正负相关性的转换,并利用算子D0的作用进行相应转换;步骤三:对数据进行无量纲化,通过均值化算子D1作用将其转化为数量级大致相近的无量纲数据,并求各变量序列的均值象;步骤四:根据GRA原理进行灰色关联度的计算;步骤五:针对灰色关联度的数据结果,得到灰色关联矩阵E:E=[ε11 ε12 ε13],根据E中灰色关联度的大小来判断相关因素对于抗压回弹模量的影响程度的大小顺序,并进行优势分析。此方法的优点在于思路明晰,可以在很大程度上减少由于信息不对称带来的损失,并且对数据要求较低,工作量较少,其结果与定性分析结果也比较吻合。

Description

根据灰色关联度分析水泥稳定碎石微裂程度中因素的方法
技术领域
本发明涉及一种对于水泥稳定碎石微裂程度中影响影响因素的分析方法,尤其涉及一种基于系列数据以及因素之间发展趋势的相似或相异程度(亦即“灰色关联度”)、通过对数据较为科学的组合变换以寻求微裂程度影响因素的排列顺序。
背景技术
近些年来,我国公路交通事业发展迅速。我国的公路总里程自1996年至2019年,由118.58万公里增长至484.65万公里。其中半刚性基层沥青路面是我国路面结构的主要形式。水泥稳定碎石基层也成为我国高等级公路路面结构的主要基层形式,但这种路面在使用初期极易产生收缩裂缝,而后会扩展导致反射性裂缝的出现,使路面加速破坏。其关键之处在于早期的收缩应力。为此,许多专家进行对级配、水泥用量、外加剂含量等进行研究,而通过微裂技术来降低早期收缩应力的研究不多。微裂技术是基于工程措施来减小收缩应力的有效措施,应用前景广阔。通过研究发现,微裂后水泥稳定碎石基层材料力学强度的愈合过程是一个复杂的过程,影响其力学强度恢复或微裂缝自愈合能力的因素主要有水泥稳定碎石材料结构类型、水泥剂量、实施微裂的时间、微裂荷载以及愈合时间等,在进行相关研究后需对混合料的水泥剂量、微裂时间以及微裂荷载这三个主要影响因素进行有效分析。为了得到不同因素的影响程度,通常对实验数据进行分析,常见的分析方法有层次分析法、模糊综合评价以及利用SPSS显著性分析等。
为了得到不同因素的影响程度,通常对实验数据进行SPSS显著性分析,河北工业大学李娜、魏连雨在《基于微观结构分析的水泥稳定碎石微裂自愈性能》中(李娜,魏连雨.基于微观结构分析的水泥稳定碎石微裂自愈性能.《硅酸盐通报》2018年第2期)通过SPSS显著性分析方法确定水泥稳定碎石微裂程度的主要影响因素。但在其分析过程中,仅仅可以表明微裂时间和微裂荷载对试验结果影响显著,并未在两者之间确定一个最优因素。因此,对于该研究,SPSS显著性分析有一定的局限性。
而灰色关联分析是按照发展趋势做分析,通过计算得出的关联度对相关因素变量进行排序。因此对样本量的多少没有过多要求,而且计算量比较小,其结果与定性分析结果也比较吻合。因此,灰色关联分析是一种比较简单而又可靠的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以分析水泥稳定碎石微裂影响因素程度大小的方法。该方法是基于灰色关联分析法原理(GRA),并根据研究目的确定系统特征变量和相关因素变量后,通过对数据的正负相关转换、无量纲化,进而求得相应的灰色关联度,最后按照灰色关联度进行排序,得到水泥稳定碎石微裂程度影响因素的排序。
为实现上述目的,本发明的技术方案是:
一种根据灰色关联度分析水泥稳定碎石微裂程度中因素的方法,该方法包括以下步骤:
步骤一、通过研究目的确定相应的系统特征变量Y1(k)和相关因素变量X1(k)、X2(k)、X3(k)。其中Y1(k)表示系统特征量抗压回弹模量在第k次试验时的测试数据,X1(k)表示水泥用量在第k次试验时的测试数据,X2(k)表示水泥用量在第k次试验时的测试数据,X3(k)表示水泥用量在第k次试验时的测试数据。那么试验中所测得的相应数据就可以组成系统特征变量数据序列和相关因素数据数列,即:
Yi=[yi(1),yi(2),…,yi(k),…,yi(27)]
i=1
k=1,2,…,27
Xj=[xj(1),xj(2),…,xj(k),…,xj(27)]
j=1,2,3
k=1,2,…,27
式中:i表示第i个系统特征变量,j表示第j个相关因素变量,k表示第k次试验。
步骤二、依据试验数据和相关理论确定微裂荷载和抗压回弹模量呈负相关关系,则需要进行正负相关性的转换:
若X3(k)和Y1(k)呈负相关关系,通过算子D0的作用,使得X3(k)的对称化像X3D0与Y1(k)具有正相关关系。
X3D0=[x3(1)d0,x3(2)d0,…,x3(k)d0]
式中:x3(k)d0=2max(x3)-x3(k),k=1,2,3,…,27,则称D0为对称化算子,X3D0为相应对称化像。
步骤三、对数据进行无量纲化,通过均值化算子D1作用将水泥用量、微裂时间、微裂荷载对应试验数据转化为数量级大致相近的无量纲数据,并求各变量序列的均值象。
Figure BDA0002828613840000031
Figure BDA0002828613840000032
式中:
Figure BDA0002828613840000033
k=1,2,…,27
i=1
j=1,2,3
步骤四、进行相应的灰色关联度的计算,根据GRA原理进行如下运算:
Figure BDA0002828613840000034
式中:
Figure BDA0002828613840000035
为系统特征变量抗压回弹模量与第i个相关因素变量的灰色关联系数。
Figure BDA0002828613840000036
为绝对差值,
Figure BDA0002828613840000037
为两极最小差,
Figure BDA0002828613840000038
为两极最大差。分辨系数ρ取0.5,
j=1,2,3
k=1,2,…,27
根据灰色关联度定义,
Figure BDA0002828613840000039
Figure BDA00028286138400000310
的灰色关联度
Figure BDA00028286138400000311
式中,
Figure BDA00028286138400000312
是序列几何距离的一种度量。
步骤五、进行优势分析。
针对灰色关联度的数据结果,得到灰色关联矩阵E:
E=[ε11 ε12 ε13]
根据E中灰色关联度的大小来判断相关因素对于抗压回弹模量的影响程度的大小顺序,并进行优势分析。
进一步地,在步骤一中,系统特征变量在本实例中仅有抗压回弹模量Y1(k),相关因素变量有三个,分别是水泥用量X1(k)、微裂时间X2(k)、微裂荷载X3(k)。本实验的目的在于探寻影响水泥微裂的三个相关因素对于反应微裂程度的抗压回弹模量的影响程度。
进一步地,在步骤二中,首先是根据试验结果分析出微裂荷载X3(k)与抗压回弹模量Y1(k)具有负相关关系,然后对其进行转化。
进一步地,在步骤三中,进行无量纲化的常用方法有初值化法,均值化法和区间值化法等,在此次分析中,运用均值化法对27组试验数据进行处理。即先算出每个变量相对应的27组试验数据的算术平均值,然后用各个值除以平均值,最后得出均值象矩阵。
进一步地,在步骤四中,进行灰色关联度计算时,因只有一个系统特征变量,所以只有一组两极最大差和最小差。
在步骤五中,按照计算得出的灰色关联度来分析水泥用量、微裂时间和微裂荷载对于抗压回弹模量的影响程度的大小。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
本发明基于灰色关联法对水泥微裂实验繁杂的试验数据进行一系列处理,最终整理为灰色关联度矩阵,可以明显看出微裂程度相关因素间的关联性,进而得出相关因素影响程度的大小排序。
在SPSS显著性分析下,虽然能分析出微裂中某些相关因素的显著性相同,但是P值均为0的情况下,很难在多个极为显著的相关因素中分析出最为重要的优势因素,也不能给出一个微裂影响因素程度大小的排序。本发明基于灰色关联理论进一步得出水泥用量、微裂时间和微裂荷载对于抗压回弹模量的排序,突破了不能比较各因素影响程度的局限。在分析过程中对样本量的多少没有过多要求,而且计算量比较小,其结果与定性分析结果也比较吻合。通过灰色关联分析的结果可以得到影响程度大小的排序,进而可以在实践中控制其最优或准优因素来显著提高实际工程的效率。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面以基于灰度分析原理分析水泥稳定碎石微裂程度因素为例,对本发明作进一步说明。
首先整合试验数据,进行数据集的建立。对于该平行实验而言,共有三组,所以采用抗压回弹模量的算术平均值,并确定抗压回弹模量为本次试验中唯一的系统特征变量Y1。实验采用结构类型为骨架密实结构的混合料,进一步分析确定水泥用量、微裂时间和微裂荷载为相关因素变量X1、X2、X3,水泥用量分别为3%、4%、5%。微裂时间分别为1d、2d和3d,微裂荷载主要取决于振动时间,分别为90s、120s、150s。
根据各变量定义,以水泥稳定碎石抗压回弹模量为研究对象进行室内试验,将试验数据整理为表格,如表1所示:
表1
Figure BDA0002828613840000051
通过观察试验数据,发现微裂荷载X3和抗压回弹模量Y1呈负相关,而水泥用量和微裂时间均与抗压回弹模量呈正相关关系,此时需要利用对称化算子D0的作用,使微裂荷载X3与抗压回弹模量Y1也呈正相关。
X3D0=[4.543.54.543.54.543.5…]
将X3D0代替相关因素变量矩阵中的X3后,采用均值化法对相关因素变量矩阵和系统特征变量矩阵进行无量纲化,得到均值象矩阵X1和Y1,将其用表格表示,见表2。
表2
Figure BDA0002828613840000061
在均值象矩阵的基础上,求其各变量的绝对差。
Figure BDA0002828613840000071
为绝对差值,见表3。
表3
Figure BDA0002828613840000072
通过分析表格3数据,
两极最小差
Figure BDA0002828613840000073
两极最大差
Figure BDA0002828613840000074
取分辨系数ρ=0.5,根据公式
Figure BDA0002828613840000075
计算灰色关联系数
Figure BDA0002828613840000081
所得结果见表4。
表4
Figure BDA0002828613840000082
继而,根据公式:
Figure BDA0002828613840000083
可以求得
Figure BDA0002828613840000084
对,
Figure BDA0002828613840000085
的灰色关联度,见表5。
表5
Figure BDA0002828613840000086
根据所得GRA结果,对灰色关联度进行排序和优势分析,从大到小优势因素依次为:微裂时间、微裂荷载和水泥用量。并且从排序来看,最优因素为微裂时间,可以通过主控微裂时间来增强其抗压强度模量。相比于SPSS显著性分析只能得出微裂时间和微裂荷载的影响都比较显著,本发明更加区分出微裂时间才是主控因素,也是增加抗压回弹模量的关键之处。
综上所述,运用本发明可以得到关于水泥稳定碎石微裂程度影响因素的排序从大到小为:微裂时间、微裂荷载和水泥用量,并从中分析出最优因素为微裂时间。因此可以通过控制微裂时间来有效改善微裂效果,从而提升水泥稳定碎石的强度,这为工程中的优化提供了重要的依据和方向。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种根据灰色关联度分析水泥稳定碎石微裂程度中因素的方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、确定相关因素变量X1(k)、X2(k)、X3(k)和系统特征变量Y1(k),Y1(k)表示系统特征量抗压回弹模量在第k次试验时的测试数据,系统特征变量为抗压回弹模量,相关因素变量有三个,分别为水泥用量、微裂时间、微裂荷载,X1(k)表示水泥用量在第k次试验时的测试数据,X2(k)表示水泥用量在第k次试验时的测试数据,X3(k)表示水泥用量在第k次试验时的测试数据,那么试验中所测得的相应数据组成系统特征变量数据序列和相关因素数据数列,即:
Yi=[yi(1),yi(2),…,yi(k),…,yi(27)]
i=1
k=1,2,…,27
Xj=[xj(1),xj(2),…,xj(k),…,xj(27)]
j=1,2,3
k=1,2,…,27
式中:i表示第i个系统特征变量,j表示第j个相关因素变量,k表示第k次试验;
步骤二、依据试验数据和理论确定微裂荷载和抗压回弹模量呈负相关关系,进行正负相关性的转换:
若X3(k)和Y1(k)呈负相关关系,通过算子D0的作用,使得X3(k)的对称化像X3D0与Y1(k)具有正相关关系;
X3D0=[x3(1)d0,x3(2)d0,…,x3(k)d0]
式中:x3(k)d0=2max(x3)-x3(k),k=1,2,3,…,27,称D0为对称化算子,X3D0为相应对称化像;
步骤三、对数据进行无量纲化,通过均值化算子D1作用将水泥用量、微裂时间、微裂荷载对应试验数据转化为无量纲数据,并求各变量序列的均值象;
Figure FDA0002828613830000011
Figure FDA0002828613830000012
式中:
Figure FDA0002828613830000013
k=1,2,…,27
i=1
j=1,2,3;
步骤四、进行相应的灰色关联度的计算,根据GRA原理进行如下运算:
Figure FDA0002828613830000021
式中:
Figure FDA0002828613830000022
为系统特征变量抗压回弹模量与第i个相关因素变量的灰色关联系数;
Figure FDA0002828613830000023
为绝对差值,
Figure FDA0002828613830000024
为两极最小差,
Figure FDA0002828613830000025
为两极最大差;分辨系数ρ取0.5,
j=1,2,3
k=1,2,…,27
根据灰色关联度定义,
Figure FDA0002828613830000026
Figure FDA0002828613830000027
的灰色关联度
Figure FDA0002828613830000028
式中,
Figure FDA0002828613830000029
是序列几何距离的一种度量;
步骤五、进行优势分析。
针对灰色关联度的数据结果,得到灰色关联矩阵E:
E=[ε11 ε12 ε13]
根据E中灰色关联度的大小来判断相关因素对于抗压回弹模量的影响程度的大小顺序,并进行优势分析。
2.根据权利要求1所述的一种根据灰色关联度分析水泥稳定碎石微裂程度中因素的方法,其特征在于:所述步骤二中先根据试验结果分析出微裂荷载与抗压回弹模量具有负相关关系,然后进行转化。
3.根据权利要求2所述的一种根据灰色关联度分析水泥稳定碎石微裂程度中因素的方法,其特征在于:所述步骤三中进行无量纲化的常用方法有初值化法,均值化法和区间值化法,运用均值化法对27组试验数据进行处理,先算出每个变量相对应的27组试验数据的算术平均值,后用各个值除以平均值,最后得出均值象矩阵。
4.根据权利要求3所述的一种根据灰色关联度分析水泥稳定碎石微裂程度中因素的方法,其特征在于:对所述步骤四进行灰色关联度计算时,系统特征变量为1个,两极最大差和最小差为一组。
5.根据权利要求1或3或4所述的一种根据灰色关联度分析水泥稳定碎石微裂程度中因素的方法,其特征在于:对所述步骤五按照计算得出的灰色关联度来分析水泥用量、微裂时间和微裂荷载对于抗压回弹模量的影响程度的大小。
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