CN108426785A - 一种基于大数据的岩土介质强度测试分析方法 - Google Patents

一种基于大数据的岩土介质强度测试分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于强度测试技术领域，公开了一种基于大数据的岩土介质强度测试分析方法，设置有：试样、试样夹持器、轴压系统、内压系统、拉剪点捕获装置、压力传感器、显示器、控制机箱。在试样夹持器内安装试样；轴压系统和试样连接，进行加载，通过压力传感器记录轴压；内压系统和试样连接，进行加载，压力传感器进行记录内压；拉剪点捕获装置和试样连接。本发明利用厚壁圆筒式致裂仪实现岩土拉剪破坏试验；拉剪强度计算方法及拉剪强度曲线绘制。本发明实验操作简单方便，自动化程度高，可重复性好，通过显示器可以直观显示压力值，便于记录数据；本发明还可几乎不加修改地应用于岩土介质压剪强度的测试，拓展了传统厚壁筒压裂实验技术的应用范围。

Description

一种基于大数据的岩土介质强度测试分析方法
技术领域
本发明属于强度测试技术领域，尤其涉及一种基于大数据的岩土介质强度测试分析方法。
背景技术
目前，岩土的压剪力学行为的研究无论在数量上还是深度上均占压倒性优势，而对拉剪强度的研究则很少，但日益受到重视。研究岩土介质拉剪应力下的变形破坏行为一般采用直接拉剪实验，但有较多的局限，如许多岩石在拉力的直接控制上十分不便，难以实现复杂应力环境等。对岩土拉剪破坏的刻画一般是在压剪破坏准则的压剪破坏线延伸至拉应力区并作跌落或线性延伸处理。由于关于拉剪的试验数据非常稀少，理论模型和实验数据缺乏系统的校对，目前关于岩土介质拉剪强度的测试方法研究较少，而且已有的研究成果大多试验过程繁琐，不易操作，精度不高，亟待改进。
综上所述，现有技术存在的问题是：试验过程繁琐，不易操作，精度不高，无法满足使用者的需要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于大数据的岩土介质强度测试分析方法。
本发明是这样实现的，一种基于大数据的岩土介质强度测试分析方法设置有：试样、试样夹持器、轴压系统、内压系统、拉剪点捕获装置、压力传感器、显示器、控制机箱。
在试样夹持器内安装试样；轴压系统和试样连接，进行加载，通过压力传感器记录轴压；
内压系统和试样连接，进行加载，压力传感器进行记录内压；拉剪点捕获装置和试样连接，实现拉剪点的捕获；通过显示器将压力值以及拉剪点显示。
所述显示器图像传输方法首先比较相邻两帧图像，找出所有图像变化的区域，然后根据变化像素点的坐标得到面积最小的不重叠矩形区域的集合；每次只发送矩形区域集合所包含的图像数据和对应坐标信息；
根据像素点的坐标得到变化矩形区域，式(1)和式(2)是根据变化像素点来判断矩形R范围的算式；
Rl≤Px AND Rt＝Pyi (1)
Rr≥Px AND Rb≥Py (2)
其中Rl和Rt代表矩形左上角的横坐标和纵坐标，Rr和Rb代表矩形右下角的横坐标和纵坐标，Px和Py代表变化像素点的横坐标和纵坐标，Py0代表第一次变化像素点的纵坐标；根据式(1)和式(2)求得变化矩形区域的范围；先将前后相邻两幅位图的数据保存下来，并判断前后两帧屏幕所对应像素的值是否变化；当第一次检测到变化的采样点时，会将变化采样点的坐标(PX0,PY0)进行记录，作为变化矩形区域的左上角坐标(Rl,Rt)，并且将行无变化标识为false；继续对比，当再次检测到不同采样点时，先将行无变化标识为false，接着将采样点的横坐标Px同矩形左上角的横坐标Rl进行比较并取最小值，同时矩形右下角的坐标(Rr,Rb)会和点的坐标(Px,Py)比较并取最大值；即：
Rl＝min(Pxi,Rl)(i>1) Rt＝Pyi(i＝1)
Rr＝max(Rxi,Rr)(i>1) Rb＝max(Ryi,Rb)(i>1)
当检测到某行采样点值全部都相同时，得到一个变化的矩形区域块；
在一个扫描区域中对变化区域进行矩形分割算法采用隔列直接比较法判断前后图像缓冲区中两帧屏幕图像所对应像素是否变化从而找出变化的矩形区域；按照从上到下，从左到右的原则，基于矩形分割隔列扫描的图像传输方法找出后一帧图像相对于前一帧图像所有变化区域并基于矩形分割算法得到面积最小的不重叠矩形区域的集合；
所述显示器中图像的全差分重构算法具体包括：
1)基于非局部均值正则项的全差分重构算法的基本模型可以表示为：
其中α为非局部均值正则项的权值，Du为图像的梯度，通过引入辅助变量Du＝w，u＝x，并利用增广拉格朗日方法可得：
其中α,β以及θ分别表示对应惩罚项的系数，v，γ以及λ表示相应的拉格朗日乘子，通过将其划分为对w，u，x三个子问题进行迭代求解；
2)通过对u子问题的求解，以获取图像u的新的迭代重构值，具体模型可表示为：
uk+1＝uk-ηd；
其中η＝abs(dTd/dTGd)表示最优步长，G＝(βDTD+θΙ+μATA)，Ι是单位矩阵，d＝DT(βDu-v)-γ+θ(u-x)-βDTw+AT(μ(Au-y)-λ)为梯度方向，k用于索引迭代次数，得到当前迭代结果uk+1后，送入到后续进程，用于判断迭代条件是否满足以及多假设处理；
所述压力传感器的量测模型如下：
YA(tk-1)、YA(tk)、YA(tk+1)分别为压力传感器A对目标在tk-1,tk,tk+1时刻的本地笛卡尔坐标系下的量测值，分别为：
其中，Y'A(tk-1)、Y'A(tk)、Y'A(tk+1)分别为压力传感器A在tk-1,tk,tk+1时刻的本地笛卡尔坐标系下的真实位置；CA(t)为误差的变换矩阵；ξA(t)为压力传感器的系统误差；为系统噪声，假设为零均值、相互独立的高斯型随机变量，噪声协方差矩阵分别为RA(k-1)、RA(k)、RA(k+1)。
其方法包括下列步骤：
①利用厚壁圆筒式致裂仪实现岩土拉剪破坏试验
A、将试样安装在试样夹持器内，采用热收缩管包裹空心圆柱形岩土试样的内壁和外周；
B、连接管线并安装好试样夹持器，连接轴压系统和内压系统；
C、不施加外部围压，即外部围压为零，通过轴压系统加载轴压q至设定值，内压系统施加内压pi直至压力读数突然降低，试样破坏，试验结束；
D、试验过程中，通过拉剪点捕获装置捕获试样发生拉剪破坏的时机，同时读取此时的内压值和轴压值；
E、利用扫描或摄像等技术量测拉剪破坏面的位置和角度的几何信息；
F、对于一组内的其他试样，重复以上步骤，获取不同轴压下试样拉剪破坏的多组数据；
②拉剪强度计算方法及拉剪强度曲线绘制
将测得的破裂面角度转换为破坏面法线与直角坐标系中三个坐标轴x、y、z夹角的余弦值l′、m′、n′，捕捉不同轴压q下岩土试件发生拉剪破坏时的内压值pi，则计算出岩土介质发生拉剪破坏时破坏面上的正应力σ′n和切应力τ′n：
其中，γi为岩土试样的内半径ri与外半径ro之比的平方，
其余符号与上述操作步骤中提及的一致；
将不同轴压下试样发生拉剪破坏时破坏面上的正应力切应力的多个组合(σ′n，τ′n)绘制在正应力-剪应力坐标系下，得到该类型岩土介质的拉剪强度曲线，通过拟合可得拉剪强度的模型和参数；
本发明实验操作简单方便，自动化程度高，可重复性好，通过显示器可以直观显示压力值，便于记录数据；本发明还可几乎不加修改地应用于岩土介质压剪强度的测试，拓展了传统厚壁筒压裂实验技术的应用范围。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于大数据的岩土介质强度测试分析方法结构示意图；
图中：1、试样；2、试样夹持器；3、轴压系统；4、内压系统；5、拉剪点捕获装置；6、压力传感器；7、显示器；8、控制机箱。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例所述的基于大数据的岩土介质强度测试分析方法包括：试样1、试样夹持器2、轴压系统3、内压系统4、拉剪点捕获装置5、压力传感器6、显示器7、控制机箱8。
在试样夹持器2内安装试样1；轴压系统3和试样1连接，进行加载，通过压力传感器6记录轴压；
内压系统4和试样1连接，进行加载，压力传感器6进行记录内压；拉剪点捕获装置5和试样1连接，实现拉剪点的捕获；通过显示器7将压力值以及拉剪点显示。
所述显示器图像传输方法首先比较相邻两帧图像，找出所有图像变化的区域，然后根据变化像素点的坐标得到面积最小的不重叠矩形区域的集合；每次只发送矩形区域集合所包含的图像数据和对应坐标信息；
根据像素点的坐标得到变化矩形区域，式(1)和式(2)是根据变化像素点来判断矩形R范围的算式；
Rl≤Px AND Rt＝Pyi (1)
Rr≥Px AND Rb≥Py (2)
其中Rl和Rt代表矩形左上角的横坐标和纵坐标，Rr和Rb代表矩形右下角的横坐标和纵坐标，Px和Py代表变化像素点的横坐标和纵坐标，Py0代表第一次变化像素点的纵坐标；根据式(1)和式(2)求得变化矩形区域的范围；先将前后相邻两幅位图的数据保存下来，并判断前后两帧屏幕所对应像素的值是否变化；当第一次检测到变化的采样点时，会将变化采样点的坐标(PX0,PY0)进行记录，作为变化矩形区域的左上角坐标(Rl,Rt)，并且将行无变化标识为false；继续对比，当再次检测到不同采样点时，先将行无变化标识为false，接着将采样点的横坐标Px同矩形左上角的横坐标Rl进行比较并取最小值，同时矩形右下角的坐标(Rr,Rb)会和点的坐标(Px,Py)比较并取最大值；即：
Rl＝min(Pxi,Rl)(i>1) Rt＝Pyi(i＝1)
Rr＝max(Rxi,Rr)(i>1) Rb＝max(Ryi,Rb)(i>1)
当检测到某行采样点值全部都相同时，得到一个变化的矩形区域块；
在一个扫描区域中对变化区域进行矩形分割算法采用隔列直接比较法判断前后图像缓冲区中两帧屏幕图像所对应像素是否变化从而找出变化的矩形区域；按照从上到下，从左到右的原则，基于矩形分割隔列扫描的图像传输方法找出后一帧图像相对于前一帧图像所有变化区域并基于矩形分割算法得到面积最小的不重叠矩形区域的集合；
所述显示器中图像的全差分重构算法具体包括：
1)基于非局部均值正则项的全差分重构算法的基本模型可以表示为：
其中α为非局部均值正则项的权值，Du为图像的梯度，通过引入辅助变量Du＝w，u＝x，并利用增广拉格朗日方法可得：
其中α,β以及θ分别表示对应惩罚项的系数，v，γ以及λ表示相应的拉格朗日乘子，通过将其划分为对w，u，x三个子问题进行迭代求解；
2)通过对u子问题的求解，以获取图像u的新的迭代重构值，具体模型可表示为：
uk+1＝uk-ηd；
其中η＝abs(dTd/dTGd)表示最优步长，G＝(βDTD+θΙ+μATA)，Ι是单位矩阵，d＝DT(βDu-v)-γ+θ(u-x)-βDTw+AT(μ(Au-y)-λ)为梯度方向，k用于索引迭代次数，得到当前迭代结果uk+1后，送入到后续进程，用于判断迭代条件是否满足以及多假设处理；
所述压力传感器的量测模型如下：
YA(tk-1)、YA(tk)、YA(tk+1)分别为压力传感器A对目标在tk-1,tk,tk+1时刻的本地笛卡尔坐标系下的量测值，分别为：
其中，Y'A(tk-1)、Y'A(tk)、Y'A(tk+1)分别为压力传感器A在tk-1,tk,tk+1时刻的本地笛卡尔坐标系下的真实位置；CA(t)为误差的变换矩阵；ξA(t)为压力传感器的系统误差；nYA(t)为系统噪声，假设为零均值、相互独立的高斯型随机变量，噪声协方差矩阵分别为RA(k-1)、RA(k)、RA(k+1)。
其方法包括下列步骤：
①利用厚壁圆筒式致裂仪实现岩土拉剪破坏试验
A、将试样安装在试样夹持器内，采用热收缩管包裹空心圆柱形岩土试样的内壁和外周；
B、连接管线并安装好试样夹持器，连接轴压系统和内压系统；
C、不施加外部围压，即外部围压为零，通过轴压系统加载轴压q至设定值，内压系统施加内压pi直至压力读数突然降低，试样破坏，试验结束；
D、试验过程中，通过拉剪点捕获装置捕获试样发生拉剪破坏的时机，同时读取此时的内压值和轴压值；
E、利用扫描或摄像等技术量测拉剪破坏面的位置和角度的几何信息；
F、对于一组内的其他试样，重复以上步骤，获取不同轴压下试样拉剪破坏的多组数据；
②拉剪强度计算方法及拉剪强度曲线绘制
将测得的破裂面角度转换为破坏面法线与直角坐标系中三个坐标轴x、y、z夹角的余弦值l′、m′、n′，捕捉不同轴压q下岩土试件发生拉剪破坏时的内压值pi，则计算出岩土介质发生拉剪破坏时破坏面上的正应力σ′n和切应力τ′n：
其中，γi为岩土试样的内半径ri与外半径ro之比的平方，
其余符号与上述操作步骤中提及的一致；
将不同轴压下试样发生拉剪破坏时破坏面上的正应力切应力的多个组合(σ′n，τ′n)绘制在正应力-剪应力坐标系下，得到该类型岩土介质的拉剪强度曲线，通过拟合可得拉剪强度的模型和参数；
本发明主要利用厚壁圆筒式致裂仪，通过轴压系统3和内压系统4实现不同轴压和内压的加载及记录，使岩土试样出现拉剪组合应力状态及拉剪破坏，再测定拉剪破坏面的位置、几何、时机等信息，利用空间轴对称问题的弹性力学解析解获得试样破坏面上的拉剪强度，通过多组破坏点数据的拟合得出拉剪强度曲线和参数。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种基于大数据的岩土介质强度测试分析系统，其特征在于，所述基于大数据的岩土介质强度测试分析系统设置有：试样、试样夹持器、轴压系统、内压系统、拉剪点捕获装置、压力传感器、显示器、控制机箱；
在试样夹持器内安装试样；轴压系统和试样连接，进行加载，通过压力传感器记录轴压；
内压系统和试样连接，进行加载，压力传感器进行记录内压；拉剪点捕获装置和试样连接，实现拉剪点的捕获；通过显示器将压力值以及拉剪点显示；
所述显示器图像传输方法首先比较相邻两帧图像，找出所有图像变化的区域，然后根据变化像素点的坐标得到面积最小的不重叠矩形区域的集合；每次只发送矩形区域集合所包含的图像数据和对应坐标信息；
根据像素点的坐标得到变化矩形区域，式(1)和式(2)是根据变化像素点来判断矩形R范围的算式；
Rl≤Px AND Rt＝Pyi (1)
Rr≥Px AND Rb≥Py (2)
其中Rl和Rt代表矩形左上角的横坐标和纵坐标，Rr和Rb代表矩形右下角的横坐标和纵坐标，Px和Py代表变化像素点的横坐标和纵坐标，Py0代表第一次变化像素点的纵坐标；根据式(1)和式(2)求得变化矩形区域的范围；先将前后相邻两幅位图的数据保存下来，并判断前后两帧屏幕所对应像素的值是否变化；当第一次检测到变化的采样点时，会将变化采样点的坐标(PX0,PY0)进行记录，作为变化矩形区域的左上角坐标(Rl,Rt)，并且将行无变化标识为false；继续对比，当再次检测到不同采样点时，先将行无变化标识为false，接着将采样点的横坐标Px同矩形左上角的横坐标Rl进行比较并取最小值，同时矩形右下角的坐标(Rr,Rb)会和点的坐标(Px,Py)比较并取最大值；即：
Rl＝min(Pxi,Rl)(i>1) Rt＝Pyi(i＝1)
Rr＝max(Rxi,Rr)(i>1) Rb＝max(Ryi,Rb)(i>1)
当检测到某行采样点值全部都相同时，得到一个变化的矩形区域块；
在一个扫描区域中对变化区域进行矩形分割算法采用隔列直接比较法判断前后图像缓冲区中两帧屏幕图像所对应像素是否变化从而找出变化的矩形区域；按照从上到下，从左到右的原则，基于矩形分割隔列扫描的图像传输方法找出后一帧图像相对于前一帧图像所有变化区域并基于矩形分割算法得到面积最小的不重叠矩形区域的集合；
所述显示器中图像的全差分重构算法具体包括：
1)基于非局部均值正则项的全差分重构算法的基本模型可以表示为：
其中α为非局部均值正则项的权值，Du为图像的梯度，通过引入辅助变量Du＝w，u＝x，并利用增广拉格朗日方法可得：
其中α,β以及θ分别表示对应惩罚项的系数，v，γ以及λ表示相应的拉格朗日乘子，通过将其划分为对w，u，x三个子问题进行迭代求解；
2)通过对u子问题的求解，以获取图像u的新的迭代重构值，具体模型可表示为：
uk+1＝uk-ηd；
其中η＝abs(dTd/dTGd)表示最优步长，G＝(βDTD+θΙ+μATA)，Ι是单位矩阵，d＝DT(βDu-v)-γ+θ(u-x)-βDTw+AT(μ(Au-y)-λ)为梯度方向，k用于索引迭代次数，得到当前迭代结果uk+1后，送入到后续进程，用于判断迭代条件是否满足以及多假设处理；
所述压力传感器的量测模型如下：
YA(tk-1)、YA(tk)、YA(tk+1)分别为压力传感器A对目标在tk-1,tk,tk+1时刻的本地笛卡尔坐标系下的量测值，分别为：
其中，Y'A(tk-1)、Y'A(tk)、Y'A(tk+1)分别为压力传感器A在tk-1,tk,tk+1时刻的本地笛卡尔坐标系下的真实位置；CA(t)为误差的变换矩阵；ξA(t)为压力传感器的系统误差；为系统噪声，假设为零均值、相互独立的高斯型随机变量，噪声协方差矩阵分别为RA(k-1)、RA(k)、RA(k+1)。
2.如权利要求1所述基于大数据的岩土介质强度测试分析系统，其特征在于，所述基于大数据的岩土介质强度测试分析系统的岩土介质强度测试分析方法包括下列步骤：
①利用厚壁圆筒式致裂仪实现岩土拉剪破坏试验；
A、将试样安装在试样夹持器内，采用热收缩管包裹空心圆柱形岩土试样内壁和外周；
B、连接管线并安装好试样夹持器，连接轴压系统和内压系统；
C、不施加外部围压，即外部围压为零，通过轴压系统加载轴压q至设定值，内压系统施加内压pi直至压力读数突然降低，试样破坏，试验结束；
D、试验过程中，通过拉剪点捕获装置捕获试样发生拉剪破坏的时机，同时读取此时的内压值和轴压值；
E、利用扫描或摄像等技术量测拉剪破坏面的位置和角度的几何信息；
F、对于一组内的其他试样，重复以上步骤，获取不同轴压下试样拉剪破坏的多组数据；
②拉剪强度计算方法及拉剪强度曲线绘制
将测得的破裂面角度转换为破坏面法线与直角坐标系中三个坐标轴x、y、z夹角的余弦值l′、m′、n′，捕捉不同轴压q下岩土试件发生拉剪破坏时的内压值pi，则计算出岩土介质发生拉剪破坏时破坏面上的正应力σ′n和切应力τ′n：
其中，γi为岩土试样的内半径ri与外半径ro之比的平方，
其余符号与上述操作步骤中提及的一致；
将不同轴压下试样发生拉剪破坏时破坏面上的正应力切应力的多个组合(σ′n，τ′n)绘制在正应力-剪应力坐标系下，得到该类型岩土介质的拉剪强度曲线，通过拟合可得拉剪强度的模型和参数。
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