共振柱儀的引進(jìn)和試驗技術(shù)的發(fā)展

何啟智

共振柱儀測試土的動(dòng)力特性，早在1938年日本有個(gè)工程師，根據古老的共振柱試驗的理論，在土試件上完成了土的縱向振動(dòng)和扭轉振動(dòng)試驗，提供了土的動(dòng)模量參數。改革開(kāi)放后在涉外交流中得到一些該試驗儀的信息。稍后又趕上唐山地震的中美協(xié)作項目，美方對口單位是加州大學(xué)戴維斯土木工程學(xué)院沈智剛教授。當沈教授得知我們有建立共振柱試驗儀的想法后，無(wú)償提供了一種試驗機的簡(jiǎn)要圖紙和一份開(kāi)發(fā)共振柱試驗的資料，并告知他正在搞新共振柱試驗技術(shù)的工作。他提出，我們可在人員交流中學(xué)習和引進(jìn)該技術(shù)，唯一的要求是要我們盡快為中美協(xié)作項目提供唐山地區土的共振柱試驗數據。

首先由張占吉同志根據現有資料設計機械主機，選定美國近十年來(lái)新型主機為參考范本進(jìn)行設計及機加工。

1981年去美國完成中美協(xié)作項目工作。在美國期間除了完成協(xié)作項目?jì)热萃?，重點(diǎn)學(xué)習新的共振柱儀的試驗技術(shù)。該試驗室沒(méi)有動(dòng)三軸儀，沈教授去別的學(xué)校友人（也是華人）處借設備，利用學(xué)校閑置儀表我臨時(shí)組裝和調試成一套動(dòng)三軸儀，供石兆吉同志完成協(xié)作項目的試驗工作。新共振柱儀正在試驗階段，所以我們先學(xué)習這套設備的操作和試驗技術(shù)，同時(shí)籌備在這里組裝微機控制需要的外部設備。

新共振柱試驗方法是我們合作方沈智剛教授的學(xué)生李相崧先生（曾就讀清華力學(xué)系）在美國讀研究生時(shí)提出用自由振動(dòng)代替傳統的共振法試驗的設想，在沈教授的支持下完成了此項改革性的工作。此項工作的論文經(jīng)美國土動(dòng)力學(xué)界的仔細審核后，于我們引進(jìn)該技術(shù)后不久，發(fā)表在美國具有國際影響和權威性期刊上。在引進(jìn)和學(xué)習過(guò)程中，我的任務(wù)是全套設備技術(shù)性工作，組裝調試成一套微機控制的試驗系統，回來(lái)后配上其它儀表就可開(kāi)展試驗；石兆吉是掌握試驗技術(shù)，學(xué)會(huì )包括試驗數據計算和分析的微機控制軟件。在那里工作期間，李相崧先生的工作較多，除了自身研究生論文等工作外還要為沈教授其它學(xué)生試驗準備工作。我們按他的想法為其它學(xué)生準備好高速公路隔聲墻樁基模型樁受側向力時(shí)應力應變的測試，以及離心機內土壓力及孔壓測試的試驗準備工作，這里所有傳感器的二次儀表都是配直流橋壓和模擬運算放大器來(lái)工作。當時(shí)所用的元器件在國內還未見(jiàn)到過(guò)，傳到國內也是2～3年后的事。

我們在那里組裝試驗系統的費用全是沈教授墊付的，臨回國時(shí)我們把兩個(gè)人三個(gè)月的生活費，以及在美國工作學(xué)習四個(gè)月后結余的錢(qián)支付了這筆費用。出去前我們室也曾囑咐，希望我們生活上簡(jiǎn)樸些，省下錢(qián)為試驗室買(mǎi)些國內沒(méi)有或不過(guò)關(guān)的東西給試驗室，所里也去地震局備過(guò)案。錢(qián)不多也就我們總生活費的一半，買(mǎi)了這些東西后算作我們上繳國家。

西方國家曾有過(guò)禁止向共產(chǎn)黨國家出口計算機技術(shù)的巴黎協(xié)議，還有傳說(shuō)與我們協(xié)作的另一美籍斯里蘭卡教授對我們帶回微機有些不同看法，并說(shuō)如果聯(lián)邦調查局要知道的話(huà)會(huì )阻止我們把計算機帶回國內。為此我們特地去拜訪(fǎng)過(guò)這位先生，雖說(shuō)回來(lái)前與他道個(gè)別是應該的，但也消除了給我們制造麻煩的可能性?；貋?lái)時(shí)把計算機等分作兩個(gè)行李順利地通過(guò)美國海關(guān)，沒(méi)想到在北京中國海關(guān)把這二箱儀器給扣下了，經(jīng)過(guò)幾次交涉都不行，最后還是地震局出面給弄出來(lái)了。

回來(lái)后為配置微機控制振動(dòng)用的直流功率放大器，此項工作由王德潤同志完成，另外還配一套用傳統共振法做試驗的控制和測試儀表。通過(guò)二種試驗方法對比的確可以看出新方法有簡(jiǎn)便直觀(guān)的好處。用共振法中找共振點(diǎn)的儀器操作不像拿試驗數據去寫(xiě)發(fā)表文章那么簡(jiǎn)單，整個(gè)試驗中幾乎都是我親手操作下完成的。

1986年我們工廠(chǎng)制造了5套共振柱試驗儀供全國各地單位使用，這幾年國內自行組裝微型計算機，我們選用的蘋(píng)果II微機比我們先用的TRS80II稍好些，但對共振柱儀整機性能提高有限。

1996年配置共振柱時(shí)，發(fā)現以前配置的試驗控制和測試軟件已不能用了。當時(shí)的情況也不允許找搞軟件的做了。因而找了一門(mén)暫時(shí)能用的與先前軟件相近的語(yǔ)言，邊學(xué)邊改，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間總算把程序調通并用當時(shí)流行的微機開(kāi)始了試驗工作。通過(guò)這幾年的摸索發(fā)現，引進(jìn)的那套做出的試驗結果在較大應變區的模量比偏小，分析其原因是：前用計算機主頻才1～2兆，1990年前一、二年，一般機器主頻為50～100兆，速度慢的后果是激發(fā)出振動(dòng)前一段沒(méi)有采著(zhù)這是其一；其二激發(fā)出的振動(dòng)初期波形較亂，影響計算自振頻率，在先期機器上又去掉一些波，這樣把應變算小了，因而造成這種的現象。此時(shí)我已退休，而且了解到原我室給出共振柱試驗結果時(shí)早已根據經(jīng)驗調整過(guò)了。

以后，有機會(huì )幫我們所去外單位工作的同志建立動(dòng)三軸和共振柱試驗儀，重新設計了機械主機手繪零部件草圖，好在所有控制和測試儀器都有專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家提供，而且儀器儀表的質(zhì)量也有很大的提高，電氣控制方面只有小量的工作要自己制作。建成后很快用于工程試驗工作，而且由于工作量大又逐步增加設備數量。

共振柱試驗儀發(fā)展過(guò)程得益于土動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，如早期的共振柱試驗只能做到把試驗數據記錄在紙上，改到由打印機打出來(lái)，以后把數據繪成圖表，從圖表上計算出所需的參數，這時(shí)實(shí)驗數據的處理分析過(guò)程，一個(gè)熟練試驗人員也得花二個(gè)小時(shí)左右才能處理完。計算機技術(shù)的逐步發(fā)展可以在試驗結束后，接著(zhù)進(jìn)行數據處理，選點(diǎn)刪除壞死試驗點(diǎn)，統計分析，直至最后給出試驗結果繪出最后圖表。

約2005年，我們所工廠(chǎng)為廣東地震局提供的共振柱試驗設備，采用更新微機和更新軟件組裝成試驗設備，作到試驗完成打印出圖表可直接供地震安評中應用。一、二年后，又提供第二臺，完成更多的試驗任務(wù)。

約2010年在所的支持下，我還幫助原來(lái)我所在的研究室把動(dòng)三軸和共振柱試驗設備改造成全新的試驗設備，而后又增加一臺共振柱試驗儀。

我雖不知國外共振柱儀的發(fā)展情況，但在我們引進(jìn)這套設備后十年左右，英國有類(lèi)似的工作消息。在國內能掌握這套新試驗技術(shù)的只有我們工力所。

作者系工力所巖土工程室高級工程師