共振柱仪的引进和试验技术的发展

何启智

共振柱仪测试土的动力特性，早在1938年日本有个工程师，根据古老的共振柱试验的理论，在土试件上完成了土的纵向振动和扭转振动试验，提供了土的动模量参数。改革开放后在涉外交流中得到一些该试验仪的信息。稍后又赶上唐山地震的中美协作项目，美方对口单位是加州大学戴维斯土木工程学院沈智刚教授。当沈教授得知我们有建立共振柱试验仪的想法后，无偿提供了一种试验机的简要图纸和一份开发共振柱试验的资料，并告知他正在搞新共振柱试验技术的工作。他提出，我们可在人员交流中学习和引进该技术，唯一的要求是要我们尽快为中美协作项目提供唐山地区土的共振柱试验数据。

首先由张占吉同志根据现有资料设计机械主机，选定美国近十年来新型主机为参考范本进行设计及机加工。

1981年去美国完成中美协作项目工作。在美国期间除了完成协作项目内容外，重点学习新的共振柱仪的试验技术。该试验室没有动三轴仪，沈教授去别的学校友人（也是华人）处借设备，利用学校闲置仪表我临时组装和调试成一套动三轴仪，供石兆吉同志完成协作项目的试验工作。新共振柱仪正在试验阶段，所以我们先学习这套设备的操作和试验技术，同时筹备在这里组装微机控制需要的外部设备。

新共振柱试验方法是我们合作方沈智刚教授的学生李相崧先生（曾就读清华力学系）在美国读研究生时提出用自由振动代替传统的共振法试验的设想，在沈教授的支持下完成了此项改革性的工作。此项工作的论文经美国土动力学界的仔细审核后，于我们引进该技术后不久，发表在美国具有国际影响和权威性期刊上。在引进和学习过程中，我的任务是全套设备技术性工作，组装调试成一套微机控制的试验系统，回来后配上其它仪表就可开展试验；石兆吉是掌握试验技术，学会包括试验数据计算和分析的微机控制软件。在那里工作期间，李相崧先生的工作较多，除了自身研究生论文等工作外还要为沈教授其它学生试验准备工作。我们按他的想法为其它学生准备好高速公路隔声墙桩基模型桩受侧向力时应力应变的测试，以及离心机内土压力及孔压测试的试验准备工作，这里所有传感器的二次仪表都是配直流桥压和模拟运算放大器来工作。当时所用的元器件在国内还未见到过，传到国内也是2～3年后的事。

我们在那里组装试验系统的费用全是沈教授垫付的，临回国时我们把两个人三个月的生活费，以及在美国工作学习四个月后结余的钱支付了这笔费用。出去前我们室也曾嘱咐，希望我们生活上简朴些，省下钱为试验室买些国内没有或不过关的东西给试验室，所里也去地震局备过案。钱不多也就我们总生活费的一半，买了这些东西后算作我们上缴国家。

西方国家曾有过禁止向共产党国家出口计算机技术的巴黎协议，还有传说与我们协作的另一美籍斯里兰卡教授对我们带回微机有些不同看法，并说如果联邦调查局要知道的话会阻止我们把计算机带回国内。为此我们特地去拜访过这位先生，虽说回来前与他道个别是应该的，但也消除了给我们制造麻烦的可能性。回来时把计算机等分作两个行李顺利地通过美国海关，没想到在北京中国海关把这二箱仪器给扣下了，经过几次交涉都不行，最后还是地震局出面给弄出来了。

回来后为配置微机控制振动用的直流功率放大器，此项工作由王德润同志完成，另外还配一套用传统共振法做试验的控制和测试仪表。通过二种试验方法对比的确可以看出新方法有简便直观的好处。用共振法中找共振点的仪器操作不像拿试验数据去写发表文章那么简单，整个试验中几乎都是我亲手操作下完成的。

1986年我们工厂制造了5套共振柱试验仪供全国各地单位使用，这几年国内自行组装微型计算机，我们选用的苹果II微机比我们先用的TRS80II稍好些，但对共振柱仪整机性能提高有限。

1996年配置共振柱时，发现以前配置的试验控制和测试软件已不能用了。当时的情况也不允许找搞软件的做了。因而找了一门暂时能用的与先前软件相近的语言，边学边改，经过一段时间总算把程序调通并用当时流行的微机开始了试验工作。通过这几年的摸索发现，引进的那套做出的试验结果在较大应变区的模量比偏小，分析其原因是：前用计算机主频才1～2兆，1990年前一、二年，一般机器主频为50～100兆，速度慢的后果是激发出振动前一段没有采着这是其一；其二激发出的振动初期波形较乱，影响计算自振频率，在先期机器上又去掉一些波，这样把应变算小了，因而造成这种的现象。此时我已退休，而且了解到原我室给出共振柱试验结果时早已根据经验调整过了。

以后，有机会帮我们所去外单位工作的同志建立动三轴和共振柱试验仪，重新设计了机械主机手绘零部件草图，好在所有控制和测试仪器都有专业厂家提供，而且仪器仪表的质量也有很大的提高，电气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试验工作，而且由于工作量大又逐步增加设备数量。

共振柱试验仪发展过程得益于土动力学理论的发展，如早期的共振柱试验只能做到把试验数据记录在纸上，改到由打印机打出来，以后把数据绘成图表，从图表上计算出所需的参数，这时实验数据的处理分析过程，一个熟练试验人员也得花二个小时左右才能处理完。计算机技术的逐步发展可以在试验结束后，接着进行数据处理，选点删除坏死试验点，统计分析，直至最后给出试验结果绘出最后图表。

约2005年，我们所工厂为广东地震局提供的共振柱试验设备，采用更新微机和更新软件组装成试验设备，作到试验完成打印出图表可直接供地震安评中应用。一、二年后，又提供第二台，完成更多的试验任务。

约2010年在所的支持下，我还帮助原来我所在的研究室把动三轴和共振柱试验设备改造成全新的试验设备，而后又增加一台共振柱试验仪。

我虽不知国外共振柱仪的发展情况，但在我们引进这套设备后十年左右，英国有类似的工作消息。在国内能掌握这套新试验技术的只有我们工力所。

作者系工力所岩土工程室高级工程师