土工试验检测论文

Matlab 和 Word 的链接在土工试验中的应用 [2009-03-16 15:47] 免费论文，内容包括 matlab word notebook 数据处理 链接 土工试验 试验 摘要：Matlab是功能强大的工程计算和数据分析软件，Word是一个功能强大的文字处理软件。通过二者结合，可以在Word中实现数据可视化操作，并很方便地在科技报告、论文和专著的中实现图文并茂；再通过MATLAB软件在土工试验数据处理方面应用过程的探索，介绍一种新型的数据处理软件，为今后的试验数据处理提供一种新的思路。 关键词：Matlab;Word Notebook;数据处理 ;1 引言众所周知，微软公司的Word软件在文字处理方面功能强大，已广泛应用于科学研究的各个领域。但Word本身不具备数据运算功能，绘图功能也有限。Matlab是MathWorks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件。它是一个高度集成的系统，集科学计算、图像处理、声音处理于一体，具有极高的编程效率。如何把Matlab的数值处理和绘图功能与Word结合起来，扩展Word的功能，使二者能协调地进行工作，本文将就此问题作一探讨(以Matlab 和Word 2002为例)。在土工试验的数据处理过程中，经常需要用图形法来描述试验结果，然后通过查图法来求得所需试验参数，例如在土的颗粒分析试验中，需要绘制级配曲线来确定土料的限制粒径和有效粒径以及，从而计算土的不均匀系数和曲率系数；在土的击实试验中，需要用击实曲线来体现试验结果，通过查图找出最大干密度和最优含水率；在土的三轴试验中，需要绘制摩尔圆来确定土的凝聚力C和内摩擦角φ。以前的处理方法是手工绘制或使用EXCEL工具中的图表功能，但是仅局限于其图形功能，而不能进行数值计算，相应的数值计算则需要人工进行。MATLAB不仅提供了图形功能，还增加了计算功能，使数据处理工作进一步简化。2 Matlab 和 Word 的链接 安装Matlab Notebook有两种方法：一种是从Matlab系统中安装：首先启动Matlab ，在命令窗口运行函数命令“notebook -setup”(中间有一空格)。回车后命令窗口出现如下提示：>> Notebook -setupWelcome to the utility for setting up the MATLAB Notebook for interfacing MATLAB to Microsoft Word(欢迎建立Matlab Notebook与Word的公用程序)Choose your version of Microsoft Word：(选择你所使用的Word版本)[1]Microsoft Word 97[2]Microsoft Word 2OOO[3]Microsoft Word 2002(XP)[4]Exit，making no changesMicrosoft Word Version：3(我们这里选择3)然后命令窗口出现如下提示：Notebook setup is complete．(Matlab Notebook安装完成)另一种方式是把C：\Matlab6p5\notebook\pc\文件直接拷贝到C：\Program Files\Microsoft office\office 10\2052目录下。Matlab与Word互相调用的方法：(也可以作为安装是否成功的检测方法)(1)在Matlab中调用Word：在Matlab命令窗口直接输入notebook命令，系统会自动启动Word，其主菜单栏中将增加Notebook一栏。(2)在Word中调用Matlab：启动Word，然后选择“文件”菜单下的“新建”，在“根据模板新建”中选择“通用模板”，然后选择M-book文档。按确定后系统会自动启动Matlab。 Notebook 的使用指令Notebook某种意义上即是Word中的M-book，Notebook是通过动态连接库和Matlab交互的，交互的基本单位称为细胞(Cel1)。交换的信息，称为“细胞(群)”。M-book需要把在Word中输入的Matlab命令或者语句组成细胞(群)，传送到Matlab中运行，运行输出结果再以细胞(群)的方式传送回M-book中。这样Word中的输入细胞(群)下面会出现计算结果以及仿真图形。“输入细胞”是由M-book传送给Matlab的命令，可以多行，也可以是包含在文本中的命令或者一段Matlab程序。“输出细胞”是由Matlab回传给M-book的计算结果。“自活细胞”是用[Notebook]菜单中[Define AutoInit Cel1]命令定义的输入细胞，它和输入细胞不同之处是：每次打开M-book时会自动运行自活细胞，而不会运行输入细胞；自活细胞字符用深蓝色标注，而输入细胞用绿色标注。“细胞群”是包含多句Matlab命令的多行输入细胞或自活细胞。生成输入细胞：在Word中，用文本格式输入指令，然后选中该部分，在[Notebook]菜单中用[Define Input Cel1]命令，这样M-book会把普通文本生成“输入细胞”，并用黑色括号把指令括起来，指令变为绿色字体。然后在[Notebook]菜单中用[Evaluate Cell]选项，可以实现把生成细胞传送到Matlab中运算，运算结果会自动回传到M—book中，运算结果为蓝色标识。细胞群和细胞的操作相似。Notebook还提供了计算区(Calc Zone)，它把M-book分成几个相互独立的部分，包括：描述一个特定问题或特定操作文本，输入细胞，输出细胞。当定义一个计算区时，Notebook将该部分和M-book其它部分独立出来，它的定义以及运行和输入细胞的操作相似。Notebook还提供了细胞的循环运行，首先选定欲重复运行的输入细胞(一定要是绿色细胞)，接着在[Notebook]菜单中选[Evaluate Loop]选项。[Notebook]菜单功能如下表l所示。表1 Notebook菜单功能菜单项 快捷键 功能 Define Input Cell Alt+I 定义输入细胞 Define AutoInit Cell Alt+A 定义自活细胞 Define Calc Zone Alt+Z 定义计算区 Undefine Cells Alt+U 将细胞; 转为文本 Purge Selected Output Cells Alt+P 从所选篇幅中删除所有输出细胞 Group Cells Alt+G 生成细胞群 Ungroup Cells ; 将细胞群转换为输入细胞和自活细胞 Hide(Show) Cells Markers Alt+C 显示（隐藏）生成细胞中的中括号 Toggle Graph Output for Cell ; 是否嵌入生成图形 Evaluate M-book Alt+R 运行整个M-book中的所有输入细胞 Evaluate Loop Alt+L 多次运行输入细胞 Evaluate Cell Ctrl+Enter 运行输入细胞 Evaluate Calc Zone Alt+Enter 运行计算区 Bring MATLAB to Front Alt+F 将MATLAB命令窗口调到前台 Notebook Options… Alt+O 设置数值和图形输出格式3 MATLAB软件在土工试验中的应用 图形的形成颗粒分析试验是测定干土中各种粒组所占该土总质量的百分数的方法，借以明了颗粒大小分布情况，供土的分类及概略判断土的工程性质及选料之用。其试验结果需要提供级配曲线、不均匀系数和曲率系数。表2为一组颗粒分析试验测定值：表2 土料级配颗粒直径（mm） 颗粒含量（％） 100 在使用MATLAB软件进行资料处理时，首先调用已有的数据文件，把颗粒直径数组附值给x，把对应的百分含量数组附值给y，对颗粒直径取对数，建立关于颗粒直径的对数与小于该粒径的百分含量的三次样条函数关系，在给定的粒径范围内，细化粒径数组，对于给定的取对数后的颗粒直径求解其对应的百分含量，进行内插，然后利用MATLAB的图形功能在半对数坐标中绘制级配曲线(包括试验数据(虚线)和三次样条曲线(实线))。操作过程如下：在安装好Notebook后，启动Word，然后选择“文件”菜单下的“新建”，在“根据模板新建”中选择“通用模板”，然后选择“M—book文档”，按“确定”后Matlab就会自动启动，Notebook即可使用。在M—book输入如下内容：x=[ ];y=[100 ];x1=log10(x);y1=y;xx=;pp=spline(x1, y1);;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; %三次样条插值y2=ppval(pp,xx);;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; %分段多项式估计函数x2=10.^xx;semilogx(x,y,'--',x2,y2); xlabel('颗粒直径（mm）')ylabel('小于某粒径之百分含量（％）')title('级配曲线') 选中这些文字，在[Notebook]菜单中选用[Define Input Cel1]，然后选用[Evaluate Cel1]，即可在Word中绘出图1所示图形。; 参数计算通过上述过程．生成了该土料的级配曲线，而试验提供的各项参数则需要通过计算求得。利用MATLAB软件提供的函数功能对已经形成的三次样条曲线重新建立关于小于某粒径的百分含量与颗粒直径的对数之间的函数关系，即原函数的反函数，求解给定含量所对应的颗粒直径的对数值，并将其还原，分别计算，然后利用公式：计算不均匀系数和曲率系数。在M-book输入如下内容：pp=spline(y2,xx);x10=ppval(pp,10);d10=10^x10x30=ppval(pp,30);d30=10^x30x60=ppval(pp,60);d60=10^x60Cu=d60/d10Cc=d30^2/ (d60*d10)选中这些文字，在[Notebook]菜单中选用[Define Input Cel1]，然后选用[Evaluate Cel1]，则可在Word中直接计算并输出结果：d10=，d30 =，d60 =，Cu =，Cc =通过以上过程，利用MATLAB程序设计在Word中完成了对土的颗粒分析试验的数据处理过程。4 结语与说明把Matlab 和Word结合，充分利用两者的优点，实现软件的“强强联合”，会给我们在撰写科技报告，论文、专著以及教案时提供了很大的方便，程序、计算结果以及仿真出的图形都可以同时在Word文档中，并且可以随时修改计算命令，随时计算并绘制图形。当然，它也存在一些不足，如带鼠标的图形交互指令不能在M-book文档中运行，Matlab指令在M-book文档中运行速度较慢等。MATLAB最重要的特点是易于扩展。它允许用户自行建立完成指定功能的M文件，从而构成适合于其它领域的工具箱。对于一个从事特定领域工作的工程师，不仅可利用MATLAB所提供的函数及基本工具箱函数，而且可以方便地构造出专用的函数，从而大大扩展了其应用范围。MATLAB语言具有强大的图形及计算功能，尤其是在矩阵运算方面更是如此。本文所涉及的内容仅是其中很少的一部分。如果能建立一个数字模拟系统来模拟土工试验，将会产生极大的影响。

土工试验常见问题探讨论文

摘 要：根据工作经验与国家现行规范及行业标准相结合，针对土工试验中存在的问题，从试样制备、土物理性质试验及力学性质试验三个方面进行了剖析，提出了解决问题的办法。

关键词：土工试验；试样制备；土的物理性质试验；土的力学性质试验

土工试验是岩土工程勘察的重要组成部分，是野外勘察工作的延续。野外勘探与室内土工试验有机地结合，将准确完成土样的定性、定量分析与评价，为建设单位提交符合现场实际情况的勘察成果。由于岩土体的不均匀性，取样、运输、保管过程中的扰动，试验仪器及操作方法的差异等使得岩土试验结果出现部分失真，在一定程度上影响勘察成果的真实性与准确性。本文就岩土样试验中经常出现的部分问题进行剖析，以便勘察单位在过程质量控制中采取相应措施，为设计部门提交真实、准确的勘察成果。

1、试样的制备

岩土工程勘察市场竞争激烈，勘察费用较低，勘察单位的设备技术更新改造投入较少，勘察手段的单一，导致采取的原状岩土样质量较差，土体结构受到严重扰动和破坏(尤其是采用岩芯管岩芯切样)；部分样品采集后没有在现场用蜡封堵，水分蒸发；冬天没有防冻措施，使样品受冻；运输过程中没有减震措施，特别是灵敏度较高的粉土和软塑土。由以上原因造成的土体结构破坏和含水量变化，严重影响到岩土体的原状，该类样品根本不能作为力学试验样使用。

采样不合格的岩土样，在试样制备时应注意。开启土样筒后，先检查土样结构，确定土样是否已受扰动或取土质量是否符合规定，对不符合规范要求的试样必须舍弃。

对合格土样用环刀切取时，首先应做好以下几点：

①应在环刀内壁涂一薄层凡士林，目的是为减少环刀与土样间的摩擦，避免土样压密扰动。

②将环刀垂直下压，环刀垂直下压是避免环刀偏向受压时环刀一侧出现相对压密而另一侧出现样品与环刀间的小缝隙，造成土的容重失真及压缩时压缩模量偏小。

③环刀下压过程中，边压边削，可避免土样受到环刀外侧壁与土样间的过大摩擦而使土样受到一定程度的压密。

④压入环刀后对土样的上下端面削平，对于软土要用钢丝锯修复平整，若用切土刀整平则刀面极易带起软土形成二次扰动，对其它土可采用切土刀削平。这四种措施都可有效避免土样在室内试验时受到扰动。

在制样过程中要对土样的颜色、名称、包含物、矿物成分、软硬程度、塑性状态、结构构造等进行描述，不仅是判定土类别的依据，也有利于后期数据整理时进行对比和综合分析处理，得出符合工程实际的数据。

2、土的物理性质试验

含水率试验

土层的不均匀、取样扰动或进水、取土器和筒壁的挤压、原状样密封不严、土样在运输和存放期间保护不当而失水等均会引起含水率的变化。除此之外在试验室若操作不当对土样含水率的测试结果也会造成偏差：

①取样点的位置不同，尤其是对粉质含量高的粉质粘土、粉土、砂土，样的上、中、下不同部位含水量会有较大的差别，为克服这种影响可分上中下不同部位同时取等量样品，加以混合后再取为含水量试验样品。

②铝盒烘干时应开口，以利水的充分蒸发。铝盒质量应定期标定：铝盒在长期使用过程中由于氧化、磨损其质量也有一定变化，定期标定能有效降低试验误差。

③烘干时间及温度对含水量测试数据影响较大，从而影响到地基土承载力基本值。以粉土为例，含水量每提高5%，承载力基本值降低约5%～10%。因而应严格掌握烘干时间和温度。

红粘土、膨胀土等粘粒含量很高的土类，有较大的比表面积，吸附水能力强，需在105℃～110℃温度下烘干8h，粉土、粉砂土不得小于6h，但对含有机质的土(尤其是有机质含量大于5%的土)，应在65℃～70℃烘至恒重，温度过高会造成有机质的损失，使含水量偏大。决不能为赶工期而省时省工，更不能不分土类别、不分温度、不分时间地进行烘干。

土粒比重试验

从理论上讲要得到一个准确的土粒比重值较为困难，因为国标中采用的试验方法存在下列因素的影响：

①结合水的影响。土粒带负电荷，与其周围的水相互作用，形成结合水，结合水吸附在粘粒表面，使测出的土粒体积大于实际体积，导致测试结果偏小。

②土粒间胶结物固化的影响。制备试样在烘干过程中，不可溶的胶质矿物如SiO2、Al2O3、粘土矿物等易固化形成团粒，形成的团粒较难靠水的作用分散，加热煮沸对团粒不能达到完全分散的作用，使计算出的'土粒相对密度偏小。

土粒比重是土的基本物理指标之一，是一个相对稳定的值，它决定于土的矿物成分，一般无机物矿物颗粒的比重为～，有机质为～，泥炭为～，土粒的比重变化幅度很小，同一地区同一类型的土相对密度基本接近，通常可按地区经验数据选用。由于土粒比重试验相对复杂且费时，但也不能在一个地区根本就没有进行过土粒比重试验，而盲目套用其它地区的经验，这是不科学的。

界限含水量试验

液、塑限联合测定法的界限含水量土样制备方式对比较均匀的土可采用天然含水状态的土样；对不均匀的土样，采用风干土样。当试样中含有粒径大于的土粒和杂物时，应过的筛。进行界限含水率试验时应将试验样品加入不同水量充分调和均匀，填入试样杯中，按规范测定三个不同含水率的点。

在实际试验时操作人员能够对含砾石、岩屑、杂物的土样过筛后进行试验，但当土中含原生的铁、锰质结核时而往往忽视过筛，直接将土中的铁、锰质结核压碎混入土中，这种方法造成土的液、塑限含水量偏小。

土样加水后应充分拌和，拌合后试验样品的含水量必须均匀，否则锥体下落试验点处的含水量难以代表实际样品的含水量。

试样调好后填入盛土杯也是一个关键环节，填入的样品要均匀，不能有空洞，杯口土面应平整。低含水量的试验样易在盛土杯中产生土体密实度差异现象，高含水量试验样易出现盛土杯土体空洞现象，操作时应注意。杯口土面平整时，不能用调土刀过分抹平，尤其对易失水的粉土更容易造成杯表面含水量降低，产生试验误差。在具体试验过程中可在一杯土的不同位置测试两次，以此来检验试样是否均匀。对于搓条法进行塑限试验，虽然规范允许，试验时人为影响因素较大，试验误差过大。这种方法虽然简便，但应慎重选用。

土体的定名

土体定名应规范，在土体定名时经常出现粉土定名的误区。规范规定：粉土是粒径大于的颗粒质量不超过总质量的50%，且塑性指数不大于10的土。在实际运用中，由于颗分试验较繁杂，仍采用按塑性指数不大于10来划定粉土的做法。土工试验时，粉砂有时也具有一定的塑性指数，若仅按塑性指数划分粉土可能会造成误判。另外，按《建筑地基基础设计规范》(GB50021-2001)规定粉土承载力特征值深宽修正时、按《建筑抗震设计规范》(GB5007-2002)进行液化判别时，均需根据粉土粘粒含量数值来进行计算和判别，虽然对地震烈度小于等于6度的地区，对非持力层粉土一般建筑不需进行液化判别和承载力特征值深宽修正，但也不能仅以塑性指数作为判定粉土的条件。

3、土力学性质试验

固结试验

土的固结试验是测定土体在压力作用下的压缩特性，以此计算建筑物的沉降量，是地基设计的重要参数之一。在试验时常有以下因素影响其准确度。

①由于频繁折卸仪器、透水石磨损、滤纸规格的变化等因素，均会影响测试结果，因而仪器应定期校正。

②上透水石的含水量差异会对土体固结产生一定程度的变化，这种变化对一般的土样影响比较隐蔽，不易发现，但对具膨胀性的土样会有很大的影响，当透水石的含水量较土样含水量大时会引起土样吸水膨胀，出现前后级荷载百分表读数差别很小的现象，有时甚至出现后级读数较前级读数小的异常情况。在透水石含水量较土样含水量小时，会加速土样的失水呈收缩趋势，造成压缩量过大。因而下透水石的含水量未接近土的天然含水量。

③安装试样仪器归零必须严格到位，环刀上、下土面必须紧密与上、下透水石处的滤纸接触。由于环刀使用时外力破坏会出现外径变化情况，使得环刀不能有效放入规定限位，造成透水石不能与环刀上、下土面有效接触，使初级压缩偏大，产生实验误差。

④百分表归零时应使百分表量测的活动轴杆有足够的量程，以避免压缩变形量较大时，仪器量程小于土样压缩变形而造成压缩试验的失真。

⑤试验稳定标准在《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)中规定：施加每级压力后，每小时变形达时，测定试验高度变化作为稳定标准。

原来的1h快速法由于缺少理论依据而不再使用，但实际工作中，由于固结仪器数量的限制、试验工期的紧迫仍会沿用，这种违背规范的现象，应禁止。

抗剪强度试验

直剪试验受力条件复杂(如发生剪切位移时法向加荷由最初轴心受压变为偏心受压，剪切破坏面人为限制)，排水条件不易控制，按《土工试验方法标准》GB/T50123-1999第18条规定快剪试验一般适用于渗透系数小于10-6cm/s的细粒土，粉质粘土渗透系数一般大于10-5cm/s，粉土K值更大，用直剪试验已非常勉强，在室内试验对较软的粉土及粉质粘土直剪时，发现四级荷载下很少存在峰值强度，绝大部分需剪切至位移6mm处，剪切强度指标回归性差(尤其最后一级荷载强度偏低，再现性差)，剪切强度指标仅能作为参考。另外较软弱的土即使渗透系数满足要求，当后二级荷载加上时会发生土样挤入透水石与剪切盒之间缝隙的情况而无法剪切。虽然直剪试验方便简单，但其对粉土、粉质粘土及较软弱土强度指标可信度较差，三轴试验可取得较好的效果，在一个勘查项目的土工试验中可进行一定数量的三轴剪切试验进行对比。

另外在进行固结快剪及快剪试验时，应严格控制剪切速度，对粘性土速度控制在为宜，严禁提高剪切速度，造成剪切强度偏低，误导设计。

4、体会

土工试验是对野外采取的土样进行试验，土样在采取、保管、运输的各个环节稍有不慎都会对“原状土样”试验数据的真实性产生重大影响，因此：一是务必要求野外勘察机台选用符合国家规范要求的标准取样器静压取样，严禁采用轻锤多击法取样或岩芯管回转岩芯切样；二是在取样过程中精心操作，特别是要防止压取长度超过取样器长度，造成土样挤压；三是对取出的土样立即密封妥善保管，做到防晒、防冻；四是对取出的土样及时送到试验室，在运送时装箱置于减震垫上，防止互相碰撞；五是在试验过程中应尽可能地减少对土样的再次扰动，采取有效措施保证试验结果的可靠性，并对试验过程中易出现问题的环节引起高度重视，在试验结果分析整理时应结合具体土样特点进行对比，充分考虑试验过程中可能引起试验结果误差的影响，提交真实、合理的工程试验数据，更好地为工程建设服务。