基于Python数据处理的落锤式弯沉与贝克曼梁弯沉线性相关性提升研究

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摘要：为提高落锤式弯沉与贝克曼梁弯沉线性相关性，利用Python对三种路面类型的弯沉值进行优选。试验表明，优选后落锤式弯沉与贝克曼梁弯沉线性回归系数提升65%以上，R2均大于0.7，皮尔逊相关系数呈现显著相关。相同条件下，落锤式弯沉法得到的数据稳定性更好，更适用于沥青面层的弯沉检测。

关键词：道路检测；弯沉；Python数据处理；相关性

1 引言

路面弯沉作为反映路面结构承载力水平的重要指标，在路面建设期的质量控制与运营维护期的评估决策中发挥着关键作用。贝克曼梁法（BB）是我国目前常用的规范化弯沉检测方法，具有操作简单的特点，但人为操作为主，测试速度较慢，精度和准度较低，数据的可靠性受客观因素影响较大[1]。落锤式弯沉（FWD）检测通过测定同一高度下标准落锤对路面产生的瞬时变形反映路面承载力水平，具有操作方便，测试速度快，数据准度和精度高的特点[2]。因路面结构类型、材料、温度等条件存在差异，需针对不同情况进行相关性试验，同时BB受不确定因素影响数据波动较大，其相关性往往较低。

2 试验方法及数据处理

2.1 试验路段基本信息

对路面进行弯沉值的测定，三个测试路段分别代表了土路床、水泥稳定碎石基层、沥青面层三种路面结构。

2.2 数据处理

为提高FWD和BB数据的相关性，减少试验检测过程客观因素对试验结果的影响，现采用Python编程对原始数据处理。对已有n组数据进行筛选处理，具体方法为随机去除1组数据得到A1，其相关性可能提升也可能降低，n-1组情况组成Group1。同样处理方法随机去除2组、3组…（n-1）组，计算每一组筛选后数据的相关性。

3 试验结果及分析

3.1 FWD和BB对比分析

FWD和BB均为路面弯沉指标，但两者之间仍存在一定差别。FWD为动态总弯沉，BB为静态回弹弯沉[3]，为探究两者间的关系，现对三种类型路面结构的FWD和BB进行对比分析，如图3.1所示。

由图3.1可知，整体上FWD大于BB，这主要是因为FWD所测为路面结构的瞬时总弯沉，而BB侧重于路面结构回弹弹性变形量的测定，无法对残差变形量进行有效测定，从而导致相同情况下的FWD值略小于BB值。观察不同路面类型的FWD和BB的变异系数，测试路段1中FWD和BB的变异系数分别为0.24、0.22；测试路段2分别为0.36、0.51；测试路段3分别为0.14、0.51。发现测试路段1中FWD的变异系数略大于BB的变异系数，测试路段2和3，FWD的变异系数均小于BB的变异系数，且分别降低了29.4%和72.6%。变异系数越小，说明数据离散程度和波动性越小，稳定性越好，由此可知，FWD检测得到的数据稳定性较BB好。基于变异系数，发现利用FWD方法在土路床、水泥稳定碎石基层、沥青面层的测得数据变异系数一次递减，表明FWD检测方法更适用于沥青路面的检测，同样也对水泥稳定基层的弯沉检测具有良好的指导性。

3.2 FWD和BB线性相关性分析

已有研究提出FWD和BB间具有良好的线性相关，为此本研究现对原始数据和基于Python筛选处理后的数进行线性拟合。

由图3.2可知，弯沉值在无处理前的线性拟合度较差，土路床、水泥稳定碎石、沥青面层的线性回归方程的R2分别为0.29、0.28、0.017，FWD和BB间的皮尔逊相关系数分别为0.54、0.52、0.04。相关性整体而言较低，其中沥青面层的R2和皮尔逊相关系数异常，考虑该测试路段承载力水平较大，同一试验条件下弯沉值跨度范围较小。基于Python数据筛选处理后的线性回归方程的R2分别为0.81、0.86、0.73，FWD和BB间的皮尔逊相关系数分别为0.90、0.93、0.86。对比原有数据，R2均大于0.7，说明筛选后的线性回归模型适用性更强。此外，土路床和水泥稳定碎石基层FWD和BB皮尔逊相关系数分别提升了66.7%、78.8%，说明了两则间的相关程度显著。

4 结论

为提高落锤式弯沉与贝克曼梁弯沉线性相关性，利用Python对三种不同类型路面结构的FWD和BB数据进行筛选处理发现：

（1）落锤式弯沉法测得的整体数据变异系数更小，数据稳定性更好，可重复性更高，而贝克曼梁法受客观因素影响较大，数据离散度相对较大；

（2）对于土路床、水泥稳定碎石基层、沥青面层三种不同路面结构而言，落锤式弯沉法在沥青面层结构的变异系数最小，更适用于沥青面层的检测；

（3）基于Python数据筛选处理后，落锤式弯沉和贝克曼梁弯沉间线性回归方程的R2和皮尔逊相关系数均显著提升。

参考文献：

[1]马建，赵祥模，贺拴海，宋宏勋，赵煜，宋焕生，程磊，王建锋，袁卓亚，黄福伟，张健，杨澜.路面检测技术综述[J].交通运输工程学报，2017，17（05）：121-137.

[2]陈森. 沥青路面FWD标准检测规程与弯沉温度修正研究[D].重庆交通大学，2011.

[3]张震韬.落锤式弯沉仪与贝克曼梁测定的弯沉值之间相关性研究[J].内蒙古农业大学学报（自然科学版），2012，33（02）：152-154.DOI：10.16853/j.cnki.1009-3575.2012.02.034.

作者简介：王锦余（出生年—1995.10），男，汉，湖南常德，武汉汇科质量检测有限责任公司技术员，研究方向：工程检测。

（作者单位：武汉汇科质量检测有限责任公司）