共振柱儀的引進和試驗技術的發展

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和扭轉振動試驗，提供了土的動模量參數。改革開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作項目，美方對口單位是加州大學戴維斯土木工程學院沈智剛教授。當沈教授得知我們有建立共振柱試驗儀的想法后，無償提供了一種試驗機的簡要圖紙和一份開發共振柱試驗的資料，并告知他正在搞新共振柱試驗技術的工作。他提出，我們可在人員交流中學習和引進該技術，唯一的要求是要我們盡快為中美協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，選定美國近十年來新型主機為參考范本進行設計及機加工。

1981年去美國完成中美協作項目工作。在美國期間除了完成協作項目內容外，重點學習新的共振柱儀的試驗技術。該試驗室沒有動三軸儀，沈教授去別的學校友人（也是華人）處借設備，利用學校閑置儀表我臨時組裝和調試成一套動三軸儀，供石兆吉同志完成協作項目的試驗工作。新共振柱儀正在試驗階段，所以我們先學習這套設備的操作和試驗技術，同時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生李相崧先生（曾就讀清華力學系）在美國讀研究生時提出用自由振動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。此項工作的論文經美國土動力學界的仔細審核后，于我們引進該技術后不久，發表在美國具有國際影響和權威性期刊上。在引進和學習過程中，我的任務是全套設備技術性工作，組裝調試成一套微機控制的試驗系統，回來后配上其它儀表就可開展試驗；石兆吉是掌握試驗技術，學會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生試驗準備工作。我們按他的想法為其它學生準備好高速公路隔聲墻樁基模型樁受側向力時應力應變的測試，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工作。當時所用的元器件在國內還未見到過，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，臨回國時我們把兩個人三個月的生活費，以及在美國工作學習四個月后結余的錢支付了這筆費用。出去前我們室也曾囑咐，希望我們生活上簡樸些，省下錢為試驗室買些國內沒有或不過關的東西給試驗室，所里也去地震局備過案。錢不多也就我們總生活費的一半，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黨國家出口計算機技術的巴黎協議，還有傳說與我們協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，并說如果聯邦調查局要知道的話會阻止我們把計算機帶回國內。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該的，但也消除了給我們制造麻煩的可能性。回來時把計算機等分作兩個行李順利地通過美國海關，沒想到在北京中國海關把這二箱儀器給扣下了，經過幾次交涉都不行，最后還是地震局出面給弄出來了。

回來后為配置微機控制振動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。通過二種試驗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的儀器操作不像拿試驗數據去寫發表文章那么簡單，整個試驗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，發現以前配置的試驗控制和測試軟件已不能用了。當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，邊學邊改，經過一段時間總算把程序調通并用當時流行的微機開始了試驗工作。通過這幾年的摸索發現，引進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出振動前一段沒有采著這是其一；其二激發出的振動初期波形較亂，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。此時我已退休，而且了解到原我室給出共振柱試驗結果時早已根據經驗調整過了。

以后，有機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業廠家提供，而且儀器儀表的質量也有很大的提高，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。

共振柱試驗儀發展過程得益于土動力學理論的發展，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，以后把數據繪成圖表，從圖表上計算出所需的參數，這時實驗數據的處理分析過程，一個熟練試驗人員也得花二個小時左右才能處理完。計算機技術的逐步發展可以在試驗結束后，接著進行數據處理，選點刪除壞死試驗點，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。

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展情況，但在我們引進這套設備后十年左右，英國有類似的工作消息。在國內能掌握這套新試驗技術的只有我們工力所。

作者系工力所巖土工程室高級工程師