一種實(shí)際環(huán)境凍融作用次數(shù)預(yù)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于一種凍融作用次數(shù)的預(yù)測方法，具體涉及一種實(shí)際環(huán)境凍融作用次數(shù) 預(yù)估方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 氣候環(huán)境條件對(duì)土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的穩(wěn)定性、耐久性、使用性能有顯著的影響，對(duì) 于具有線性特征的公路工程，氣候環(huán)境對(duì)其影響尤為顯著。氣候環(huán)境對(duì)土木工程基礎(chǔ)設(shè)施 的影響比較間接、隱蔽、變異性大，且與荷載作用交織在一起，故要定量地分離出環(huán)境因素 的影響十分困難。
[0003] 凍融作用是溫度與水分兩種因素的綜合作用，是指由于溫度降到零度以下和升至 零度以上而產(chǎn)生凍結(jié)和融化的一種物理作用和現(xiàn)象，凍融作用一般都有水分（或冰體）參 與。融化時(shí)結(jié)構(gòu)體表面或內(nèi)部冰體融化，水分將沿著結(jié)構(gòu)表面的孔隙或毛細(xì)孔通路向結(jié)構(gòu) 內(nèi)部滲透；凍結(jié)時(shí)水分結(jié)成冰，產(chǎn)生膨脹，膨脹應(yīng)力較大時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。凍結(jié)和融化的交 替出現(xiàn)，稱為凍融循環(huán)，凍融循環(huán)作用已逐漸成為影響土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的另一主要?dú)夂?環(huán)境因素。
[0004] 我國凍融作用影響主要分布在高煒度東北地區(qū)和高海拔的青藏高原地區(qū)及西北 高山區(qū)，2008年1月南方大范圍凍雨冰雪災(zāi)害使全國18個(gè)省級(jí)行政區(qū)遭受了低溫、雨雪、冰 凍等災(zāi)害影響，相應(yīng)土木工程基礎(chǔ)設(shè)施也遭受了不同程度的凍融影響，使得凍融破壞引起 了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。冰凍與凍融作用不僅造成土木工程結(jié)構(gòu)物大量損壞，也造成嚴(yán)重的 經(jīng)濟(jì)損失。
[0005] 孔隙水及凍融循環(huán)作用會(huì)降低集料與粘合劑（水泥、瀝青）的粘結(jié)作用，會(huì)引起裂 縫與表面集料剝落；更嚴(yán)重的是會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)徹底破壞。此外，凍融循環(huán)作用還會(huì)改變集料的 物理力學(xué)性能，如強(qiáng)度、抗壓性能、空隙率、滲透性等。水對(duì)瀝青混合料性能的影響除了對(duì)瀝 青膜的置換作用之外，在寒冷地區(qū)還存在水分相態(tài)變化導(dǎo)致的混合料的凍融損傷。凍融循 環(huán)作用加劇了瀝青混合料高溫穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)力水平的敏感性；瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度及回彈 模量均隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加而降低；凍融作用后，瀝青混合料的抗疲勞性能降低，疲 勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的變化更為敏感。
[0006] 自然界實(shí)際凍融環(huán)境和室內(nèi)試驗(yàn)凍融環(huán)境存在明顯差異，室內(nèi)標(biāo)融試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以 直接應(yīng)用于評(píng)價(jià)實(shí)際凍融作用，因此建立室內(nèi)凍融試驗(yàn)與現(xiàn)場凍融之間的關(guān)系是評(píng)價(jià)凍融 作用常采用的方法。
[0007] 由于實(shí)際環(huán)境凍融作用受到氣候環(huán)境條件的影響，變化及其復(fù)雜，目前關(guān)于實(shí)際 環(huán)境凍融作用次數(shù)的預(yù)測研究鮮有報(bào)道，這就使得實(shí)際環(huán)境凍融作用的量化存在一定困 難。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0008] 本發(fā)明的目的在于克服目前對(duì)實(shí)際環(huán)境凍融作用次數(shù)分析及預(yù)測的不足，提供一 種基于Mann-Kendall檢驗(yàn)、Morlet小波分析、R/S分析法建模的凍融作用次數(shù)預(yù)測方法；利 用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)反映凍融作用次數(shù)隨時(shí)間變化的長期趨勢，小波分析揭示凍融 作用的周期性變化，R/S分析為未來的凍融作用次數(shù)預(yù)測提供依據(jù)，反映未來變化趨勢的不 規(guī)則性；通過上述三種方法的綜合應(yīng)用，從而可以對(duì)凍融作用次數(shù)未來變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。
[0009] 為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0010] -種實(shí)際環(huán)境凍融作用次數(shù)預(yù)估方法，包括如下步驟：
[0011] 步驟一：獲取當(dāng)?shù)貧鉁財(cái)?shù)據(jù)，以日最高溫度為正與日最低溫度為負(fù)的原則篩選實(shí) 際環(huán)境凍融作用，并對(duì)凍融作用次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；
[0012] 步驟二：采用M-K單調(diào)趨勢檢驗(yàn)方法，對(duì)該地區(qū)實(shí)際環(huán)境凍融作用隨時(shí)間序列的 變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，得到該地區(qū)凍融作用次數(shù)隨時(shí)間的波動(dòng)變化以及增減趨勢；
[0013] 步驟三：利用Morlet小波分析方法，對(duì)該地區(qū)實(shí)際環(huán)境凍融作用的周期性變化進(jìn) 行分析，得到該地區(qū)凍融作用的時(shí)間序列小波系數(shù)實(shí)部等值線圖和小波方差圖，獲得凍融 作用周期；
[0014] 步驟四：采用R/S分析方法，對(duì)該地區(qū)實(shí)際環(huán)境凍融作用的未來變化趨勢進(jìn)行判 斷，得到凍融作用的Hurst系數(shù)，以此預(yù)測未來凍融作用變化趨勢；
[0015] 步驟五：基于步驟二至步驟四建立凍融作用次數(shù)預(yù)測模型，采用凍融作用次數(shù)預(yù) 測模型對(duì)該地區(qū)實(shí)際環(huán)境凍融作用次數(shù)進(jìn)行預(yù)估。
[0016] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：所述步驟一中，根據(jù)收集或通過當(dāng)?shù)貧庀笳精@取的當(dāng) 地氣溫?cái)?shù)據(jù)，以日最高溫度與日最低溫度的正負(fù)交替變化為原則，對(duì)該地區(qū)實(shí)際環(huán)境凍融 作用次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
[0017] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：所述步驟二中，采用M-K單調(diào)趨勢檢驗(yàn)方法，對(duì)凍融作 用次數(shù)隨時(shí)間序列的變化趨勢進(jìn)行分析；其中，
[0018] 凍融作用次數(shù)的時(shí)間序列IxJ，凍融作用次數(shù)時(shí)間序列{Xl}的對(duì)偶數(shù)S，且
[0021] U>0時(shí)，表示時(shí)間序列{Xl}為上升趨勢；IKO時(shí)，表示時(shí)間序列{ Xl}為下降趨勢； υ|>υα(]5/2= 1.96表示序列變化趨勢顯著；
[0022] 使用M-K法檢驗(yàn)突變時(shí)，假設(shè)凍融作用次數(shù)時(shí)間序列IxJ，構(gòu)造一新序列
[0023] 其中叫為X i>x.j的樣本累計(jì)數(shù)，2彡k彡η，1彡j彡i;
[0024] dk的均值以及方差定義如下：
[0027] 在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立假設(shè)下，定義統(tǒng)計(jì)量：
[0029] 給定顯著性水平，查正態(tài)分布表得到零界值t，當(dāng)|UFk|>t時(shí)，表明時(shí)間序列存在明 顯的上升或下降趨勢，所有1]匕將組成一條曲線UF，把同樣的方法引用到反序列中，得到另 一條曲線UB ;將統(tǒng)計(jì)量曲線UF、UB以及土 t的兩條直線繪在統(tǒng)一坐標(biāo)系上，如果UF>0,表示 時(shí)間序列呈上升趨勢，UF〈0,表示時(shí)間序列呈下降趨勢，當(dāng)它們超過臨界值直線時(shí)，表明上 升或下降趨勢顯著；如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)為突變點(diǎn)。
[0030] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：所述步驟三中，采用Morlet小波分析方法，對(duì)該地區(qū) 實(shí)際環(huán)境凍融作用的周期性變化進(jìn)行分析；其中，
[0033] 其中，Ut)為子小波，a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為平移因子，反應(yīng) 時(shí)間上的平移；
[0034] 利用小波函數(shù)計(jì)算不同時(shí)間尺度下的小波系數(shù)：
[0036] 其中，以a為縱坐標(biāo)，b為橫坐標(biāo)做的Wf (a，b)等值線圖稱為小波系數(shù)實(shí)部等值線 圖；
[0037] 對(duì)時(shí)間域上關(guān)于a的所有小波系數(shù)的平方積分，即為小波方差：
[0039] 以尺度因子a為橫坐標(biāo)，小波方差為縱坐標(biāo)的圖像稱為小波方差圖，它能反映信 號(hào)波動(dòng)的能量隨尺度因子a的分布，小波方差圖用來確定信號(hào)中不同種尺度擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng) 度和存在的主要時(shí)間尺度，即主周期；其中，小波方差圖較明顯的峰值數(shù)量表示主周期數(shù) 量，峰值最大的周期為第1主周期，第2峰值為第2主周期，以此類推；
[0040] 通過小波分析，得到凍融作用次數(shù)時(shí)間序列f(x)在任意時(shí)刻的頻率特征及在時(shí) 間一頻率上的變化特征。
[0041] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：所述步驟四中，采用R/S分析方法，對(duì)該地區(qū)實(shí)際環(huán)境 凍融作用未來變化趨勢行分析；其中，
[0042] 對(duì)凍融作用次數(shù)時(shí)間序列X(t)，X = 1，2,…，，計(jì)算均值序列：

[0047] 通過R/S分析可知，R(U)與S(U)存在著一定的關(guān)系：
[0051] 對(duì)上式進(jìn)行線性模擬，得出Hurst指數(shù)，于是不同的H意味著序列不同的趨勢變 化，其中〇〈Η〈1 :當(dāng)H = 0. 5時(shí)，表明序列是完全獨(dú)立的，是一個(gè)隨機(jī)變化過程；當(dāng)0〈H〈0. 5 時(shí)，表明未來的變化趨勢與過去的變化趨勢相反，即反持續(xù)性，H越小，意味著反持續(xù)性越 強(qiáng)；相反，H>0. 5時(shí)，表示未來的變化與過去的一致，即表現(xiàn)出持續(xù)性，H越大則說明持續(xù)性 越強(qiáng)。
[0052] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于：所述步驟五中，采用凍融作用次數(shù)預(yù)估模型，對(duì)該地區(qū) 實(shí)際環(huán)境凍融作用次數(shù)進(jìn)行預(yù)估；其中，
[0053] 將凍融作用次數(shù)的預(yù)估分為三部分：長期變化趨勢、周期性變化和不規(guī)則變動(dòng)； 其中周期性變化和不規(guī)則變化采用乘法模型反映，長期變化趨勢則采用加法模型，凍融作 用次數(shù)預(yù)測模型表示為：
[0055] 其中，隨時(shí)間變化的長期趨勢T ;季節(jié)性變動(dòng)S ;不規(guī)則變動(dòng)I ;循環(huán)變動(dòng)C ;
[0056] 根據(jù)M-K檢驗(yàn)，凍融作用長期變化趨勢采用線性變化，表示為：
[0058] 式中：N-一時(shí)間序列年限；yi-一第i年凍融作用次數(shù)；k一一凍融作用次數(shù)隨年 序列的變化率；t--年序列；t。--年序列的中值；
[0059] 由小波分析和R/S分析確定周期變化和不規(guī)則變化，根據(jù)小波分析方法的特點(diǎn)， 采用求余和求商的形式反應(yīng)其周期性；不規(guī)則變化采用指數(shù)函數(shù)形式反映其變化的不規(guī)律 性；另外凍融作用次數(shù)的方差σ也是預(yù)估模型的重要組成部分，能夠反映凍融作用次數(shù)的 離散程度，用作不規(guī)則變化及周期性變化的基準(zhǔn)參考值；
[0060] 周期性變化C的表達(dá)形式如下：
[0062] 不規(guī)則變化I的表達(dá)形式如下：
[0064] 式中：D--小波周期長度，通過前面分析取5年；r--H指數(shù)；
[0065] 通過計(jì)算得到了某地區(qū)實(shí)際環(huán)境