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击实试验数据的数值分析方法
击实试验数据的数值分析方法
俞文生1 蒲 华2
江西交通工程咨询监理中心 南昌 330008)
江西省交通质量监督站 南昌 330008)
摘 要:对于公路填方路基工程,土的最大干密度和最佳含水量是路基施工质量控制的两个重要因素,是路基填土压实度的主要判定指标。规范推荐通过绘制-曲线图的求解方法,因曲线的任意性空间较大,容易引起人为误差。为此,本文结合数值分析原理,提出了按最小二乘原则求解击实试验数据的拟合曲线,从而为理论求解最大干密度和最佳含水量提供了依据。在实践运用中,将其移植到EXECL或相关程序中,极大提高了工作效率和减少人为误差,具有一定的推广应用价值。
关键词:道路工程;数值分析;最大干密度;最佳含水量;最小二乘;曲线拟合
0 前 言
对于公路填方路基工程,土压实是最重要的工作,填方路堤的质量主要由路基土的压实度来判断的。按照公路工程施工技术规范的规定,土的最大干密度和最佳含水量是路基施工质量控制的两重要因素,是路基填土压实度的主要判定指标。按照《公路土工试验规程》(JTJ051)的规定,土的最大干密度和最佳含水量是根据击实试验结果,手工绘制-曲线图,按曲线的峰值点来确定和。从各公路项目的试验结果调查分析来看,这种采用击实曲线求解的方法,往往因不同试验人员的经验、对数据的处理方法、绘制比例等,导致求解的最大干密度和最佳含水量结果差异较大。这种差异主要是因为绘制-曲线的任意性空间较大容易引起人为误差所致。针对上述击实试验数据处理存在的问题,本文结合数值分析原理,提出了按最小二乘原则确定对应试验数据的拟合曲线,从而为理论求解最大干密度和最佳含水量提供了依据,并给示例进行计算。
1 数值分析原理
1.1曲线拟合原理
设在直角坐标系中给定对数据(即相应和的坐标)
①
其中。又选定个在区间[]上连续且在点集上线性无关的基函数,其中。问题是要在曲线族
②
中寻找一曲线按照最小二乘原则去拟合击实试验数据①,用所得的拟合曲线去代替击实试验数据①所反映的函数关系。因数据①是在试验室通过击实试验测量计算所得的最佳含水量和最大干密度,一般在试验中总会带有观测误差,因此不必要求曲线一定要通过数据①表示的所有点。
若曲线
③
使得
④
成立,则称曲线为曲线族②中按最小二乘原则确定对于数据①的拟合曲线。
1.2最小二乘法求拟合曲线
所谓最小二乘法求拟合曲线,就是按条件④求出系数。根据离散型的最佳平方逼近的相关原理可知,满足条件④的拟合曲线存在且唯一,并且从法方程
⑤
中求解出,就得到拟合曲线③。
拟合曲线对数据①的拟合精度,用误差平方和σ来描述。
⑥
另外,当时,矩阵A是非奇异的方阵。此时,法方程⑤成为。这表明,拟合曲线
满足插值条件
而成为插值曲线。
1.3基函数和阶数的确定
作曲线拟合,选择基函数是至关重要的,根据击实试验和的坐标点分布情况,可选择幂函数作基数,这时,拟合曲线是n次多项式曲线
⑦
对于多项式⑦,阶数n的取值是关键,取得太低,拟合就粗糙;阶数n取得太高,拟合过头,相应的法方程往往是病态的,且n越大病态越严重。根据击实试验数据一般都是5组数据的实际情况,在下面结合算例,分别对阶数n取2,3,4的三种情况按误差平方和σ来进行选定。
2 算例
本算例采用《公路土工试验规程》(JTJ051-93)中击实试验表16.0.5的试验数据,具体如下表1:
表1
(%) 8.1 10.2 13.0 15.8 19.0 (g/cm3) 1.67 1.71 1.80 1.83 1.76 2.1不同阶数多项式的求解
(1)取n=2时的情况
当n=2时,拟合曲线为
⑧
则:
法方程的解为
=1.08675,=0.09573,=-0.00315
所求二次多项式为
=1.08675+0.09573ω-0.00315ω2
误差平方和σ2=0.001224
(2)取n=3时的情况
当n=3时,拟合曲线为
⑨
则:
法方程的解为
=2.05971,=-0.14171,=0.01517
=-0.00045
所求三次多项式为
=2.05971-0.14171ω+0.01517ω2-0.00045ω3
误差平方和σ3=0.000094
(3)取n=4时的情况
当n=4,即m=n,此时,拟合曲线就成为了插值曲线。所求得的四次多项式为
=3.67316-0.67299ω+0.07857ω2-0.00370ω3+0.00006ω4
误差平方和σ4=0
2.2多项式阶数的选定
根据上述求解的不同阶数的多项,绘制出相应的拟合曲线图如下图1。
图1 不同阶次多项式的拟合曲线图
从上图1可以看出,当n=2时,所拟合的曲线误差较大,误差平方和σ2=0.001224,不宜采用;当n=4时,所拟合的曲
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