共振柱儀的引進(jìn)和試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展

何啟智

共振柱儀測試土的動力特性，早在1938年日本有個工程師，根據(jù)古老的共振柱試驗(yàn)的理論，在土試件上完成了土的縱向振動和扭轉(zhuǎn)振動試驗(yàn)，提供了土的動模量參數(shù)。改革開放后在涉外交流中得到一些該試驗(yàn)儀的信息。稍后又趕上唐山地震的中美協(xié)作項(xiàng)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(dāng)沈教授得知我們有建立共振柱試驗(yàn)儀的想法后，無償提供了一種試驗(yàn)機(jī)的簡要圖紙和一份開發(fā)共振柱試驗(yàn)的資料，并告知他正在搞新共振柱試驗(yàn)技術(shù)的工作。他提出，我們可在人員交流中學(xué)習(xí)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(xiàng)目提供唐山地區(qū)土的共振柱試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

首先由張占吉同志根據(jù)現(xiàn)有資料設(shè)計(jì)機(jī)械主機(jī)，選定美國近十年來新型主機(jī)為參考范本進(jìn)行設(shè)計(jì)及機(jī)加工。

1981年去美國完成中美協(xié)作項(xiàng)目工作。在美國期間除了完成協(xié)作項(xiàng)目內(nèi)容外，重點(diǎn)學(xué)習(xí)新的共振柱儀的試驗(yàn)技術(shù)。該試驗(yàn)室沒有動三軸儀，沈教授去別的學(xué)校友人（也是華人）處借設(shè)備，利用學(xué)校閑置儀表我臨時組裝和調(diào)試成一套動三軸儀，供石兆吉同志完成協(xié)作項(xiàng)目的試驗(yàn)工作。新共振柱儀正在試驗(yàn)階段，所以我們先學(xué)習(xí)這套設(shè)備的操作和試驗(yàn)技術(shù)，同時籌備在這里組裝微機(jī)控制需要的外部設(shè)備。

新共振柱試驗(yàn)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）在美國讀研究生時提出用自由振動代替?zhèn)鹘y(tǒng)的共振法試驗(yàn)的設(shè)想，在沈教授的支持下完成了此項(xiàng)改革性的工作。此項(xiàng)工作的論文經(jīng)美國土動力學(xué)界的仔細(xì)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(quán)威性期刊上。在引進(jìn)和學(xué)習(xí)過程中，我的任務(wù)是全套設(shè)備技術(shù)性工作，組裝調(diào)試成一套微機(jī)控制的試驗(yàn)系統(tǒng)，回來后配上其它儀表就可開展試驗(yàn)；石兆吉是掌握試驗(yàn)技術(shù)，學(xué)會包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和分析的微機(jī)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(yàn)準(zhǔn)備工作。我們按他的想法為其它學(xué)生準(zhǔn)備好高速公路隔聲墻樁基模型樁受側(cè)向力時應(yīng)力應(yīng)變的測試，以及離心機(jī)內(nèi)土壓力及孔壓測試的試驗(yàn)準(zhǔn)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(yùn)算放大器來工作。當(dāng)時所用的元器件在國內(nèi)還未見到過，傳到國內(nèi)也是2～3年后的事。

我們在那里組裝試驗(yàn)系統(tǒng)的費(fèi)用全是沈教授墊付的，臨回國時我們把兩個人三個月的生活費(fèi)，以及在美國工作學(xué)習(xí)四個月后結(jié)余的錢支付了這筆費(fèi)用。出去前我們室也曾囑咐，希望我們生活上簡樸些，省下錢為試驗(yàn)室買些國內(nèi)沒有或不過關(guān)的東西給試驗(yàn)室，所里也去地震局備過案。錢不多也就我們總生活費(fèi)的一半，買了這些東西后算作我們上繳國家。

西方國家曾有過禁止向共產(chǎn)黨國家出口計(jì)算機(jī)技術(shù)的巴黎協(xié)議，還有傳說與我們協(xié)作的另一美籍斯里蘭卡教授對我們帶回微機(jī)有些不同看法，并說如果聯(lián)邦調(diào)查局要知道的話會阻止我們把計(jì)算機(jī)帶回國內(nèi)。為此我們特地去拜訪過這位先生，雖說回來前與他道個別是應(yīng)該的，但也消除了給我們制造麻煩的可能性。回來時把計(jì)算機(jī)等分作兩個行李順利地通過美國海關(guān)，沒想到在北京中國海關(guān)把這二箱儀器給扣下了，經(jīng)過幾次交涉都不行，最后還是地震局出面給弄出來了。

回來后為配置微機(jī)控制振動用的直流功率放大器，此項(xiàng)工作由王德潤同志完成，另外還配一套用傳統(tǒng)共振法做試驗(yàn)的控制和測試儀表。通過二種試驗(yàn)方法對比的確可以看出新方法有簡便直觀的好處。用共振法中找共振點(diǎn)的儀器操作不像拿試驗(yàn)數(shù)據(jù)去寫發(fā)表文章那么簡單，整個試驗(yàn)中幾乎都是我親手操作下完成的。

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

1996年配置共振柱時，發(fā)現(xiàn)以前配置的試驗(yàn)控制和測試軟件已不能用了。當(dāng)時的情況也不允許找搞軟件的做了。因而找了一門暫時能用的與先前軟件相近的語言，邊學(xué)邊改，經(jīng)過一段時間總算把程序調(diào)通并用當(dāng)時流行的微機(jī)開始了試驗(yàn)工作。通過這幾年的摸索發(fā)現(xiàn)，引進(jìn)的那套做出的試驗(yàn)結(jié)果在較大應(yīng)變區(qū)的模量比偏小，分析其原因是：前用計(jì)算機(jī)主頻才1～2兆，1990年前一、二年，一般機(jī)器主頻為50～100兆，速度慢的后果是激發(fā)出振動前一段沒有采著這是其一；其二激發(fā)出的振動初期波形較亂，影響計(jì)算自振頻率，在先期機(jī)器上又去掉一些波，這樣把應(yīng)變算小了，因而造成這種的現(xiàn)象。此時我已退休，而且了解到原我室給出共振柱試驗(yàn)結(jié)果時早已根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整過了。

以后，有機(jī)會幫我們所去外單位工作的同志建立動三軸和共振柱試驗(yàn)儀，重新設(shè)計(jì)了機(jī)械主機(jī)手繪零部件草圖，好在所有控制和測試儀器都有專業(yè)廠家提供，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(yàn)工作，而且由于工作量大又逐步增加設(shè)備數(shù)量。

共振柱試驗(yàn)儀發(fā)展過程得益于土動力學(xué)理論的發(fā)展，如早期的共振柱試驗(yàn)只能做到把試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在紙上，改到由打印機(jī)打出來，以后把數(shù)據(jù)繪成圖表，從圖表上計(jì)算出所需的參數(shù)，這時實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析過程，一個熟練試驗(yàn)人員也得花二個小時左右才能處理完。計(jì)算機(jī)技術(shù)的逐步發(fā)展可以在試驗(yàn)結(jié)束后，接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，選點(diǎn)刪除壞死試驗(yàn)點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)分析，直至最后給出試驗(yàn)結(jié)果繪出最后圖表。

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

約2010年在所的支持下，我還幫助原來我所在的研究室把動三軸和共振柱試驗(yàn)設(shè)備改造成全新的試驗(yàn)設(shè)備，而后又增加一臺共振柱試驗(yàn)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(shè)備后十年左右，英國有類似的工作消息。在國內(nèi)能掌握這套新試驗(yàn)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