CN110411861A - 一种应变控制式直剪试验数据优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种应变控制式直剪试验数据优化方法及系统，电动四联等应变直剪仪对试验样品进行试验过程中，数据采集器获取百分表位移传感器发送的试验数据；数据采集器将采集到的试验数据发送给数据处理终端一次处理后生成试验数据文件进行存储；分别建立剪切面积修正模型、剪切应力修正模型和正应力修正模型；将试验数据文件分别通过剪切面积修正模型、剪切应力修正模型和正应力修正模型处理后，获取试验样品的抗剪强度参数，抗剪强度参数包括：黏聚力和内摩擦角。建立了剪切面积、剪切应力与正应力的修正模型，通过对试验数据的二次处理，对试验中操作偏差产生的试验误差进行修正，不仅可以提高试验效率，而且提高了试验数据的准确率。
Description
技术领域
本申请涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种应变控制式直剪试验数据优化方法及系统。
背景技术
在岩土工程领域，土/岩材料的力学性质(应力-应变关系、抗剪强度指标等)是工程调查与设计过程中的重要依据，同时也是地/路基承载力计算和稳定性评价的关键，所以，如何更加准确、有效地确定土/岩材料的力学性质对岩土工程研究具有重要意义。
传统技术中常采用直剪试验的方法，通过土/岩的剪切应力-剪切位移关系、峰值应力-方向应力关系等，来获取材料的本构关系、抗剪强度指标等。最初的等应变直剪仪每次可进行一组法向应力状态下的直剪试验，试验效率较低。
为提高效率，电动四联动应变控制式直剪仪应运而生，可同时开展四组法向应力状态下的直剪试验。但试验过程中仍存在较多问题，一是传统直剪试验往往需要多名人员的共同参与，分担百分表位移计读数、秒表计时等工作，二是采用人工计时、读数带来的偶然误差不可避免，三是传统的计算方法忽视了直剪过程中剪切面积的变化，将其误视为定值，以该类计算方法的剪切强度-剪切位移关系、抗剪强度参数等自身会存在较大的误差，以此为基础建立的材料本构关系同样存在也会问题；四是试验所得数据不能直接转化为结果，缺乏数据的优化与自动化处理。因此传统的直剪试验的试验数据存在偶然误差，影响了试验数据的准确性。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种应变控制式直剪试验数据优化方法，采用电动四联等应变直剪仪，所述电动四联等应变直剪仪设置有百分表位移传感器，所述百分表位移传感器与数据采集器的信号输入端电连接，所述数据采集器的信号输出端与数据处理终端电连接，所述数据采集器用于将所述百分表位移传感器获得的数据传输给所述数据处理终端，所述方法包括：采用所述电动四联等应变直剪仪对试验样品进行试验过程中，所述数据采集器获取所述百分表位移传感器发送的试验数据；所述数据采集器将采集到的试验数据发送给数据处理终端一次处理后生成试验数据文件进行存储；分别建立剪切面积修正模型、剪切应力修正模型和正应力修正模型；将所述试验数据文件分别通过所述剪切面积修正模型、所述剪切应力修正模型和所述正应力修正模型处理后，获取所述试验样品的抗剪强度参数，所述抗剪强度参数包括：黏聚力和内摩擦角。
采用上述实现方式，建立了剪切面积、剪切应力与正应力的修正模型，通过对试验数据的二次处理，对试验中操作偏差产生的试验误差进行修正，不仅可以提高试验效率，而且提高了试验数据的准确率。
而且还可自动呈现真实的“剪切应力-剪切位移图”、“峰值应力-正应力图”、抗剪强度指标等。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述建立所述剪切面积修正模型包括：在所述试验样品在剪切过程中，当所述剪切位移为s时，计算1/4的剪切面积A/4；
扇形面积：
其中，
三角形面积：
修正剪切面积：A＝4(A扇形-A三角形)＝πr2-2r2θ0-r2sin 2θ0 (5)。
结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述建立所述剪切应力修正模型包括：设修正后的剪切应力值为τ，传统方法计算的剪切应力为τ’，建立如下关系：
τ'＝kR (6)
τA＝τ0A0 (7)
修正剪切应力：
式中k为量力环的劲度系数，R为百分表示数。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述建立所述正应力修正模型包括：
求解抗剪强度参数时，普遍采用的是摩尔-库伦公式：
其中，τ为剪切应力，σ为法向/正应力，为内摩擦角，C为黏聚力；
应变控制式直剪过程可视为匀速运动，符合牛顿第二定律，对上部剪切试样进行受力分析：
其中A0为圆的面积，xP为σ1的等效力与P点的距离，由形心计算可得：
联立式(10-12)可得修正应力σ为：
结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述将所述试验数据文件分别通过所述剪切面积修正模型、所述剪切应力修正模型和所述正应力修正模型处理后，获取所述试验样品的抗剪强度参数包括：
定义系统自变量，包括：通过Dim语句完成直剪试验的剪切速度、试样的剪切半径、量力环的劲度系数、法向应力及参数的定义；
利用MsgBox、InputBox语句完成弹窗内容设计，弹窗内容包括：请输入剪切速度v、请输入剪切半径r、请输入劲度系数k1,k2,k3,k4、请输入法向应力F1,F2,F3,F4；
然后分别计算剪切位移、修正后剪切应力和计算修正后正应力，包括：依据公式(9)，其剪切应力按公式(8)计算，其正应力按公式(13)计算，采用一元线性方程(y＝kx+b)对峰值应力正应力散点图进行拟合，得出材料的抗剪强度参数：
黏聚力：C＝b (16)
内摩擦角：
结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，还包括：选取平滑曲线绘制剪切应力剪切位移图，选取散点绘制峰值应力正应力图；通过AddChart、Name、XValues、Values、Axes等语句，依次完成图像生成、曲线命名、坐标选取，坐标轴命名。
结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，还包括：筛选峰值应力，通过Max语句完成对峰值应力的筛选，记录峰值应力及对应的剪切位移。
第二方面，本申请实施例提供了一种应变控制式直剪试验数据优化系统，包括：获取模块，用于采用所述电动四联等应变直剪仪对试验样品进行试验过程中，所述数据采集器获取所述百分表位移传感器发送的试验数据；第一处理模块，用于所述数据采集器将采集到的试验数据发送给数据处理终端一次处理后生成试验数据文件进行存储；模型建立模块，用于分别建立剪切面积修正模型、剪切应力修正模型和正应力修正模型；第二处理模块，用于将所述试验数据文件分别通过所述剪切面积修正模型、所述剪切应力修正模型和所述正应力修正模型处理后，获取所述试验样品的抗剪强度参数，所述抗剪强度参数包括：黏聚力和内摩擦角。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种应变控制式直剪试验装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种直剪试验流程示意图。
图3为本申请实施例提供的一种应变控制式直剪试验数据优化方法的流程示意图；
图4为本申请实施例提供的一种剪切示意图；
图5为本申请实施例提供的一种面积计算示意图；
图6为本申请实施例提供的一种应力计算示意图；
图7为本申请实施例提供的一种应变控制式直剪试验数据优化方法程序运行图；
图8为本申请实施例提供的一种应变控制式直剪试验数据优化方法的程序示意图；
图9为本申请实施例提供的一种应变控制式直剪试验数据优化系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
图1为本申请实施例提供的一种应变控制式直剪试验装置的结构示意图,参见图1，应变控制式直剪试验装置包括：电动四联等应变直剪仪1，所述电动四联等应变直剪仪设置有百分表位移传感器2，所述百分表位移传感器2与数据采集器3的信号输入端电连接，所述数据采集器3的信号输出端与数据处理终端4电连接，所述数据采集器3用于将所述百分表位移传感器2获得的数据传输给所述数据处理终端4。
本实施例中的电动四联等应变直剪仪1相比传统的电动四联等应变直剪仪1，使用百分表位移传感器2替换了传统的百分表位移计，这样在进行直剪测试时，电动四联等应变直剪仪1的量力环的形变量被百分表位移传感器2以信号的形式传输。
如图2所示，进行直剪试验前将电动四联等应变直剪仪1、数据采集器3和数据处理终端4接通电源，完成试样的装盒、放置。试验时先在试样上施加正压力，然后对电动四联等应变直剪仪1中的下直剪盒施加水平推力，上下直剪盒之间发生相对位移，直至试验结束。
基于上述应变控制式直剪试验装置，参见图3，本申请实施例提供的一种应变控制式直剪试验数据优化方法，所述方法包括：
S101，采用所述电动四联等应变直剪仪对试验样品进行试验过程中，所述数据采集器获取所述百分表位移传感器发送的试验数据。
由图1可知，本申请实施例提供的应变控制式直剪试验装置包含有多个百分表位移传感器，因此所述百分表位移传感器通过数据线与数据采集器连接，所述数据采集器具有多个通道，可同时与多个百分表位移传感器连接。因此，所述数据采集器可以同时获得多个所述百分表位移传感器发送来的数据。
S102，所述数据采集器将采集到的试验数据发送给数据处理终端一次处理后生成试验数据文件进行存储。
所述数据传感器通过数据线与数据处理终端(例如具有数据处理能力的电子计算机)连接，传输的数据信号中携带的直剪试验数据在数据处理终端中以EXCEL表格的形式存储。
S103，分别建立剪切面积修正模型、剪切应力修正模型和正应力修正模型。
本申请实施例中的直剪试验数据在传输给数据处理终端生成EXCEL表格后，还需要对EXCEL表格进行二次处理，进一步优化。本实施例中进行优化的修正模型包括剪切面积修正模型、剪切应力修正模型和正应力修正模型。
首先建立剪切面积修正模型，如图4和图5所示，试样在剪切过程中，上下剪切盒产生相对位移，剪切面积逐渐减小，当剪切位移为s时，根据对称性，可先计算1/4的剪切面积A/4。
扇形面积：
其中，
三角形面积：
修正剪切面积：A＝4(A扇形-A三角形)＝πr2-2r2θ0-r2 sin 2θ0 (5)。
在计算剪切应力时，传统方法是将百分表位移计显示的数值与量力环的劲度系数相乘，此时反映的是同时刻剪切面积的受力情况，由公式(5)可以看出剪切面积是剪切位移的函数，在剪切过程中不断减小，因此，按照传统方法计算得出的剪切应力比实际值偏小，需要对原计算模型进行修正。设修正后的剪切应力值为τ，传统方法计算的剪切应力为τ’，建立如下关系：
τ'＝kR (6)
τA＝τ0A0 (7)
修正剪切应力：
式中k为量力环的劲度系数，R为百分表示数。
在求解抗剪强度参数时，普遍采用的是摩尔-库伦公式：
其中，τ为剪切应力，σ为法向/正应力，为内摩擦角，C为黏聚力，显然材料的黏聚力、内摩擦角的求解与峰值应力、正应力有关，而传统方法是正应力视为固定值，忽略了剪切面积减小对正应力的影响，同样需要对原计算模型进行修正。
其剪切过程的受力情况如图6所示，应变控制式直剪过程可视为匀速运动，符合牛顿第二定律，对上部剪切试样进行受力分析：
其中A0为圆的面积，xP为σ1的等效力与P点的距离，由形心计算可得：
联立式(10-12)可得修正应力σ为：
S104，将所述试验数据文件分别通过所述剪切面积修正模型、所述剪切应力修正模型和所述正应力修正模型处理后，获取所述试验样品的抗剪强度参数。
如图7所示，利用VBA对EXCEL进行二次开发，完成对数据优化程序设计，以实现数据的自动优化处理。参见图8，所述数据优化程序包括如下步骤：
a.定义系统变量
通过Dim语句完成直剪试验的剪切速度、试样的剪切半径、量力环的劲度系数、正应力及参数的定义；
b.输入试验参数
利用MsgBox、InputBox语句完成弹窗内容设计，弹窗内容包括：请输入剪切速度v、请输入剪切半径r、请输入劲度系数k1,k2,k3,k4、请输入正应力F1,F2,F3,F4。
c.计算剪切位移
剪切位移按下式计算：
d.计算修正后剪切应力
修正后剪切应力按照公式(8)计算；
e.筛选峰值应力
通过Max语句完成对峰值应力的筛选，记录峰值应力及对应的剪切位移；
f.计算修正后正应力
修正后正应力按照公式(13)计算；
g.绘制图像
选取平滑曲线绘制剪切应力vs.剪切位移图，选取散点绘制峰值应力vs正应力图，通过AddChart、Name、XValues、Values、Axes等语句，依次完成图像生成、曲线命名、坐标选取，坐标轴命名等；
h.求解抗剪强度参数
依据公式(9)，其剪切应力按公式(8)计算，其正应力按公式(13)计算，采用一元线性方程(y＝kx+b)对峰值应力vs正应力散点图进行拟合，得出材料的抗剪强度指标如下：
黏聚力：C＝b (16)
内摩擦角：
由上述实施例可知，本实施例提供了一种应变控制式直剪试验数据优化方法，可以完成土/岩、土与多种材料接触面的直剪试验，实现试验数据的自动采集与优化处理，优化后的剪切应力-剪切位移关系曲线更能反映真实的材料本构关系，优化后的抗剪强度与抗剪强度参数更加精确。总而言之，本发明既可以降低试验过程中的偶然误差，确保试验数据的真实准确，又能减少科研人员的不必要投入，达到提高试验效率的目的。
与上述实施例提供的一种应变控制式直剪试验数据优化方法相对应，本申请还提供了一种应变控制式直剪试验数据优化系统的实施例。参见图9，应变控制式直剪试验数据优化系统20包括：获取模块201、第一处理模块202、模型建立模块203和第二处理模块204。
所述获取模块201，用于采用所述电动四联等应变直剪仪对试验样品进行试验过程中，所述数据采集器获取所述百分表位移传感器发送的试验数据。所述第一处理模块202，用于所述数据采集器将采集到的试验数据发送给数据处理终端一次处理后生成试验数据文件进行存储。所述模型建立模块203，用于分别建立剪切面积修正模型、剪切应力修正模型和正应力修正模型。所述第二处理模块204，用于将所述试验数据文件分别通过所述剪切面积修正模型、所述剪切应力修正模型和所述正应力修正模型处理后，获取所述试验样品的抗剪强度参数，所述抗剪强度参数包括：黏聚力和内摩擦角。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。
Claims (8)
1.一种应变控制式直剪试验数据优化方法，其特征在于，采用电动四联等应变直剪仪，所述电动四联等应变直剪仪设置有百分表位移传感器，所述百分表位移传感器与数据采集器的信号输入端电连接，所述数据采集器的信号输出端与数据处理终端电连接，所述数据采集器用于将所述百分表位移传感器获得的数据传输给所述数据处理终端，所述方法包括：
采用所述电动四联等应变直剪仪对试验样品进行试验过程中，所述数据采集器获取所述百分表位移传感器发送的试验数据；
所述数据采集器将采集到的试验数据发送给数据处理终端一次处理后生成试验数据文件进行存储；
分别建立剪切面积修正模型、剪切应力修正模型和正应力修正模型；
将所述试验数据文件分别通过所述剪切面积修正模型、所述剪切应力修正模型和所述正应力修正模型处理后，获取所述试验样品的抗剪强度参数，所述抗剪强度参数包括：黏聚力和内摩擦角。
2.根据权利要求1所述的应变控制式直剪试验数据优化方法，其特征在于，所述建立所述剪切面积修正模型包括：
在所述试验样品在剪切过程中，当所述剪切位移为s时，计算1/4的剪切面积A/4；
扇形面积：
其中，
三角形面积：
修正剪切面积：A＝4(A扇形-A三角形)＝πr2-2r2θ0-r2sin2θ0 (5)。
3.根据权利要求2所述的应变控制式直剪试验数据优化方法，其特征在于，所述建立所述剪切应力修正模型包括：
设修正后的剪切应力值为τ，传统方法计算的剪切应力为τ’，建立如下关系：
τ'＝kR (6)
τA＝τ0A0 (7)
修正剪切应力：
式中k为量力环的劲度系数，R为百分表示数。
4.根据权利要求3所述的应变控制式直剪试验数据优化方法，其特征在于，所述建立所述正应力修正模型包括：
求解抗剪强度参数时，普遍采用的是摩尔-库伦公式：
其中，τ为剪切应力，σ为法向/正应力，为内摩擦角，C为黏聚力；
应变控制式直剪过程可视为匀速运动，符合牛顿第二定律，对上部剪切试样进行受力分析：
其中A0为圆的面积，xP为σ1的等效力与P点的距离，由形心计算可得：
联立式(10-12)可得修正应力σ为：
5.根据权利要求4所述的应变控制式直剪试验数据优化方法，其特征在于，所述将所述试验数据文件分别通过所述剪切面积修正模型、所述剪切应力修正模型和所述正应力修正模型处理后，获取所述试验样品的抗剪强度参数包括：
定义系统自变量，包括：通过Dim语句完成直剪试验的剪切速度、试样的剪切半径、量力环的劲度系数、法向应力及参数的定义；
利用MsgBox、InputBox语句完成弹窗内容设计，弹窗内容包括：请输入剪切速度v、请输入剪切半径r、请输入劲度系数k1,k2,k3,k4、请输入法向应力F1,F2,F3,F4；
然后分别计算剪切位移、修正后剪切应力和计算修正后正应力，包括：依据公式(9)，其剪切应力按公式(8)计算，其正应力按公式(13)计算，采用一元线性方程(y＝kx+b)对峰值应力与正应力散点图进行拟合，得出材料的抗剪强度参数：
黏聚力：C＝b (16)
内摩擦角：
6.根据权利要求5所述的应变控制式直剪试验数据优化方法，其特征在于，还包括：
选取平滑曲线绘制剪切应力剪切位移图，选取散点绘制峰值应力正应力图；
通过AddChart、Name、XValues、Values、Axes等语句，依次完成图像生成、曲线命名、坐标选取，坐标轴命名。
7.根据权利要求5所述的应变控制式直剪试验数据优化方法，其特征在于，还包括：筛选峰值应力，通过Max语句完成对峰值应力的筛选，记录峰值应力及对应的剪切位移。
8.一种应变控制式直剪试验数据优化系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于采用电动四联等应变直剪仪对试验样品进行试验过程中，数据采集器获取百分表位移传感器发送的试验数据；
第一处理模块，用于所述数据采集器将采集到的试验数据发送给数据处理终端一次处理后生成试验数据文件进行存储；
模型建立模块，用于分别建立剪切面积修正模型、剪切应力修正模型和正应力修正模型；
第二处理模块，用于将所述试验数据文件分别通过所述剪切面积修正模型、所述剪切应力修正模型和所述正应力修正模型处理后，获取所述试验样品的抗剪强度参数，所述抗剪强度参数包括：黏聚力和内摩擦角。
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2019
- 2019-08-27 CN CN201910793992.0A patent/CN110411861A/zh active Pending
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