土工試驗研究分析論文

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1引言

眾所周知，微軟公司的Word軟件在文字處理方面功能強大，已廣泛應用于科學研究的各個領域。但Word本身不具備數據運算功能，繪圖功能也有限。Matlab是MathWorks公司推出的一套高性能的數值計算和可視化軟件。它是一個高度集成的系統，集科學計算、圖像處理、聲音處理于一體，具有極高的編程效率。如何把Matlab的數值處理和繪圖功能與Word結合起來，擴展Word的功能，使二者能協調地進行工作，本文將就此問題作一探討(以Matlab6.5和Word2002為例)。

在土工試驗的數據處理過程中，經常需要用圖形法來描述試驗結果，然后通過查圖法來求得所需試驗參數，例如在土的顆粒分析試驗中，需要繪制級配曲線來確定土料的限制粒徑和有效粒徑以及，從而計算土的不均勻系數和曲率系數；在土的擊實試驗中，需要用擊實曲線來體現試驗結果，通過查圖找出最大干密度和最優含水率；在土的三軸試驗中，需要繪制摩爾圓來確定土的凝聚力C和內摩擦角φ。以前的處理方法是手工繪制或使用EXCEL工具中的圖表功能，但是僅局限于其圖形功能，而不能進行數值計算，相應的數值計算則需要人工進行。MATLAB不僅提供了圖形功能，還增加了計算功能，使數據處理工作進一步簡化。

2Matlab和Word的鏈接

2.1安裝MatlabNotebook

有兩種方法：一種是從Matlab系統中安裝：首先啟動Matlab6.5，在命令窗口運行函數命令“notebook-setup”(中間有一空格)。回車后命令窗口出現如下提示：

>>Notebook-setup

WelcometotheutilityforsettinguptheMATLABNotebookforinterfacingMATLABtoMicrosoftWord(歡迎建立MatlabNotebook與Word的公用程序)

ChooseyourversionofMicrosoftWord：(選擇你所使用的Word版本)

[1]MicrosoftWord97

[2]MicrosoftWord2OOO

[3]MicrosoftWord2002(XP)

[4]Exit，makingnochanges

MicrosoftWordVersion：3(我們這里選擇3)

然后命令窗口出現如下提示：

Notebooksetupiscomplete．(MatlabNotebook安裝完成)

另一種方式是把C：/Matlab6p5/notebook/pc/M_book.dot文件直接拷貝到C：/ProgramFiles/Microsoftoffice/office10/2052目錄下。

Matlab與Word互相調用的方法：(也可以作為安裝是否成功的檢測方法)

(1)在Matlab中調用Word：在Matlab命令窗口直接輸入notebook命令，系統會自動啟動Word，其主菜單欄中將增加Notebook一欄。

(2)在Word中調用Matlab：啟動Word，然后選擇“文件”菜單下的“新建”，在“根據模板新建”中選擇“通用模板”，然后選擇M-book文檔。按確定后系統會自動啟動Matlab。

2.2Notebook的使用指令

Notebook某種意義上即是Word中的M-book，Notebook是通過動態連接庫和Matlab交互的，交互的基本單位稱為細胞(Cel1)。交換的信息，稱為“細胞(群)”。M-book需要把在Word中輸入的Matlab命令或者語句組成細胞(群)，傳送到Matlab中運行，運行輸出結果再以細胞(群)的方式傳送回M-book中。這樣Word中的輸入細胞(群)下面會出現計算結果以及仿真圖形。

“輸入細胞”是由M-book傳送給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。“輸出細胞”是由Matlab回傳給M-book的計算結果。“自活細胞”是用[Notebook]菜單中[DefineAutoInitCel1]命令定義的輸入細胞，它和輸入細胞不同之處是：每次打開M-book時會自動運行自活細胞，而不會運行輸入細胞；自活細胞字符用深藍色標注，而輸入細胞用綠色標注。“細胞群”是包含多句Matlab命令的多行輸入細胞或自活細胞。

生成輸入細胞：在Word中，用文本格式輸入指令，然后選中該部分，在[Notebook]菜單中用[DefineInputCel1]命令，這樣M-book會把普通文本生成“輸入細胞”，并用黑色括號把指令括起來，指令變為綠色字體。

然后在[Notebook]菜單中用[EvaluateCell]選項，可以實現把生成細胞傳送到Matlab中運算，運算結果會自動回傳到M—book中，運算結果為藍色標識。細胞群和細胞的操作相似。

Notebook還提供了計算區(CalcZone)，它把M-book分成幾個相互獨立的部分，包括：描述一個特定問題或特定操作文本，輸入細胞，輸出細胞。當定義一個計算區時，Notebook將該部分和M-book其它部分獨立出來，它的定義以及運行和輸入細胞的操作相似。

Notebook還提供了細胞的循環運行，首先選定欲重復運行的輸入細胞(一定要是綠色細胞)，接著在[Notebook]菜單中選[EvaluateLoop]選項。[Notebook]菜單功能如下表l所示。

表1Notebook菜單功能

菜單項

快捷鍵

功能

DefineInputCell

Alt+I

定義輸入細胞

DefineAutoInitCell

Alt+A

定義自活細胞

DefineCalcZone

Alt+Z

定義計算區

UndefineCells

Alt+U

將細胞轉為文本

PurgeSelectedOutputCells

Alt+P

從所選篇幅中刪除所有輸出細胞

GroupCells

Alt+G

生成細胞群

UngroupCells

將細胞群轉換為輸入細胞和自活細胞

Hide(Show)CellsMarkers

Alt+C

顯示（隱藏）生成細胞中的中括號

ToggleGraphOutputforCell

是否嵌入生成圖形

EvaluateM-book

Alt+R

運行整個M-book中的所有輸入細胞

EvaluateLoop

Alt+L

多次運行輸入細胞

EvaluateCell

Ctrl+Enter

運行輸入細胞

EvaluateCalcZone

Alt+Enter

運行計算區

BringMATLABtoFront

Alt+F

將MATLAB命令窗口調到前臺

NotebookOptions…

Alt+O

設置數值和圖形輸出格式

3MATLAB軟件在土工試驗中的應用

3.1圖形的形成

顆粒分析試驗是測定干土中各種粒組所占該土總質量的百分數的方法，借以明了顆粒大小分布情況，供土的分類及概略判斷土的工程性質及選料之用。其試驗結果需要提供級配曲線、不均勻系數和曲率系數。表2為一組顆粒分析試驗測定值：

表2土料級配

顆粒直徑（mm）

0.1

0.05

0.02

0.01

0.005

0.001

顆粒含量（％）

100

94.68

72.10

41.82

27.13

11.69

在使用MATLAB軟件進行資料處理時，首先調用已有的數據文件，把顆粒直徑數組附值給x，把對應的百分含量數組附值給y，對顆粒直徑取對數，建立關于顆粒直徑的對數與小于該粒徑的百分含量的三次樣條函數關系，在給定的粒徑范圍內，細化粒徑數組，對于給定的取對數后的顆粒直徑求解其對應的百分含量，進行內插，然后利用MATLAB的圖形功能在半對數坐標中繪制級配曲線(包括試驗數據(虛線)和三次樣條曲線(實線))。操作過程如下：在安裝好Notebook后，啟動Word，然后選擇“文件”菜單下的“新建”，在“根據模板新建”中選擇“通用模板”，然后選擇“M—book文檔”，按“確定”后Matlab就會自動啟動，Notebook即可使用。

在M—book輸入如下內容：

x=[0.10.050.020.010.0050.001];

y=[10094.6872.1041.8227.1311.69];

x1=log10(x);

y1=y;

xx=-3.0:0.04:-1;

pp=spline(x1,y1);%三次樣條插值

y2=ppval(pp,xx);%分段多項式估計函數

x2=10.^xx;

semilogx(x,y,''''--'''',x2,y2)

xlabel(''''顆粒直徑（mm）'''')

ylabel(''''小于某粒徑之百分含量（％）'''')

title(''''級配曲線'''')

選中這些文字，在[Notebook]菜單中選用[DefineInputCel1]，然后選用[EvaluateCel1]，即可在Word中繪出圖1所示圖形。

3.2參數計算

通過上述過程．生成了該土料的級配曲線，而試驗提供的各項參數則需要通過計算求得。利用MATLAB軟件提供的函數功能對已經形成的三次樣條曲線重新建立關于小于某粒徑的百分含量與顆粒直徑的對數之間的函數關系，即原函數的反函數，求解給定含量所對應的顆粒直徑的對數值，并將其還原，分別計算，然后利用公式：

計算不均勻系數和曲率系數。

在M-book輸入如下內容：

pp=spline(y2,xx);

x10=ppval(pp,10);

d10=10^x10

x30=ppval(pp,30);

d30=10^x30

x60=ppval(pp,60);

d60=10^x60

Cu=d60/d10

Cc=d30^2/(d60*d10)

選中這些文字，在[Notebook]菜單中選用[DefineInputCel1]，然后選用[EvaluateCel1]，則可在Word中直接計算并輸出結果：d10=9.4293e-004，d30=0.0063，d60=0.0152，Cu=16.1330，Cc=2.7415

通過以上過程，利用MATLAB程序設計語言在Word中完成了對土的顆粒分析試驗的數據處理過程。

4結語與說明

把Matlab6.5和Word結合，充分利用兩者的優點，實現軟件的“強強聯合”，會給我們在撰寫科技報告，論文、專著以及電子教案時提供了很大的方便，程序、計算結果以及仿真出的圖形都可以同時在Word文檔中，并且可以隨時修改計算命令，隨時計算并繪制圖形。當然，它也存在一些不足，如帶鼠標的圖形交互指令不能在M-book文檔中運行，Matlab指令在M-book文檔中運行速度較慢等。

MATLAB最重要的特點是易于擴展。它允許用戶自行建立完成指定功能的M文件，從而構成適合于其它領域的工具箱。對于一個從事特定領域工作的工程師，不僅可利用MATLAB所提供的函數及基本工具箱函數，而且可以方便地構造出專用的函數，從而大大擴展了其應用范圍。MATLAB語言具有強大的圖形及計算功能，尤其是在矩陣運算方面更是如此。本文所涉及的內容僅是其中很少的一部分。如果能建立一個數字模擬系統來模擬土工試驗，將會產生極大的影響。

參考文獻：

[1]張養安、劉林章，MATLAB軟件在數據處理中的應用，水土保持研究，2005年8月.

[2]姜長元，Matlab和Word的鏈接及應用，洛陽師范學院學報，2005年第二期.

[3]王沫然編著，MATLAB與科學計算（第二版），電子工業出版.

[4]張伯平、黨進謙編著，土力學與地基基礎，西安地圖出版社，3－6.