第一章系统概述

1.1系统简介

TD50123-GZ 土壤共振柱试验系统（Resonant Column Apparatus,RCA）是一种高精度土体动力特性测试设备，采用一端固定、另一端自由振动的方式精确测定土体的共振频率。本系统通过特斯拉线圈构建的电磁驱动系统，使试样的自由端产生精确的扭转或弯曲强迫振动，配合高灵敏度加速度传感器测量不同频率下试样的振动响应，从而获取频响曲线及第一阶模态频率。

本系统专用于测定土体在小应变条件下的动剪切模量(G)和阻尼比(λ)，是研究土体动力特性、进行地基抗震设计与地质灾害评估的关键实验设备。

1.2系统组成

土壤共振柱试验系统由以下主要部件组成：

•压力室：容纳土样，提供围压、反压及孔压控制环境

•特斯拉线圈激振控制器：产生精确的电磁激励信号，驱动试样振动

•功率放大器：放大激振信号，提供足够的能量驱动试样振动

•电荷放大器：用于加速度传感器信号的放大，灵敏度分级可调

•气压控制器：精确控制试验所需的气压条件

•体积压力控制器：精确调节围压、反压及孔压

•八通道采集仪：同步采集多路传感器信号，确保数据同步性

•专业软件及计算机：实现试验控制、数据采集与分析处理

1.3可选参数配置

压力参数：

•围压：最大1MPa

•反压：最大1MPa

•孔压：最大1MPa

激振频率范围：

•扭转模式：最大350Hz

•弯曲模式：最大200Hz

试样尺寸：

•直径：50mm

•高度：100mm

第二章安装与调试

2.1系统安装环境要求

1.环境温度：18℃～25℃（推荐恒温环境）

2.相对湿度：≤60%（无结露）

3.电源要求：AC 220V±10%，50Hz±2%，功率≥3kW

4.安装空间：设备四周需预留至少50cm操作空间

5.防振要求：安装在无振动或振动极小的实验台上

6.电磁环境：远离大型电机、变压器等强电磁干扰源

7.接地要求：必须连接标准地线，接地电阻≤4Ω

2.2系统安装步骤

1.设备定位：将共振柱系统各组件按照布局图放置在稳定实验台上

2.压力室安装：将压力室固定在指定位置，连接围压、反压及孔压管路

3.传感器连接：安装LVDT传感器和孔压传感器，连接至相应采集通道

4.电气连接：按照接线图连接特斯拉线圈、功率放大器、电荷放大器等

5.软件安装：在计算机上安装共振柱试验控制与分析软件

6.系统调试：开启各组件电源，进行系统自检与初步参数设置

第三章操作使用说明

3.1试验前准备

3.1.1试样制备

1.按照标准方法制备直径50mm、高度100mm的土样

2.确保试样结构均匀，无显著缺陷

3.根据试验需求进行饱和处理（真空饱和或反压饱和）

3.1.2试样安装

1.将制备好的土样小心装入压力室中心位置

2.安装上端自由振动装置，确保试样固定端牢固、自由端可自由振动

3.安装LVDT位移传感器和孔压传感器，确保位置准确

4.连接所有管路和线路，检查连接可靠性

3.1.3系统检查

1.检查所有管路连接是否牢固，无泄漏

2.检查传感器连接是否正确，信号线无损坏

3.确认各组件电源连接正常

4.启动计算机与试验软件，检查系统通讯状态

3.2试验操作流程

3.2.1开机顺序

1.开启环境控制系统：启动围压、反压及孔压控制系统

2.开启辅助设备：启动气压控制器和体积压力控制器

3.开启测量系统：依次开启电荷放大器、八通道采集仪

4.开启激振系统：启动功率放大器和特斯拉线圈激振控制器

5.启动控制软件：打开共振柱试验专用软件，建立新试验项目

3.2.2参数设置

1.试样参数设置：输入试样直径(50mm)、高度(100mm)等几何参数

2.材料参数设置：根据土样类型输入预估的密度、含水量等

3.试验模式选择：选择扭转共振测试或弯曲共振测试模式

4.频率范围设置：根据需求设置扫描频率范围（扭转最大350Hz，弯曲最大200Hz）

5.压力参数设置：设定围压、反压和孔压的目标值（各≤1MPa）

3.2.3压力控制

1.施加围压：通过体积压力控制器缓慢施加围压至设定值

2.施加反压（如需要）：缓慢增加反压至设定值，确保试样充分饱和

3.施加孔压（如需要）：根据试验需求调整孔压值

4.压力稳定：等待压力稳定，观察压力波动情况，确保系统平衡

3.2.4传感器标定

1.安装标准质量块：按照软件提示安装标准质量块进行系统标定

2.使用标定试样：如有条件，使用专用标定试样进行系统验证

3.电荷放大器标定：根据传感器特性调整电荷放大器灵敏度

4.系统零点校准：在无激励状态下进行各传感器零点校准

3.2.5共振频率测试

1.粗扫频阶段：设置较宽的频率范围和较大的步长，快速扫描大致共振区域

2.精扫频阶段：在粗扫频确定的共振区域附近，设置较小频率步长进行精细扫描

3.频响曲线获取：系统自动记录不同频率下的振动响应，生成频响曲线

4.第一阶模态频率确定：通过分析频响曲线确定第一阶模态频率，即共振频率

3.2.6阻尼测试

1.采用衰减法：通过记录自由振动衰减曲线测定阻尼特性

2.阻尼比计算：软件自动分析振动衰减曲线，计算土体阻尼比

3.多次测量：建议进行多次测试以提高数据可靠性

3.3数据采集与保存

1.实时监测：试验过程中实时观察各传感器数据变化

2.自动采集：系统按照设定参数自动采集并存储试验数据

3.数据备份：定期保存试验数据，建议同时保存至外部存储设备

4.试验记录：详细记录试验条件、参数设置与操作过程

3.4试验结束与关机

1.停止激振：首先停止特斯拉线圈激振控制器输出

2.卸除压力：按照围压→反压→孔压的顺序缓慢降低压力至零

3.关闭系统：按以下顺序关闭各组件电源：

•关闭八通道采集仪

•关闭电荷放大器

•关闭功率放大器

•关闭特斯拉线圈激振控制器

•关闭体积压力控制器和气压控制器

•关闭计算机与试验软件

4.试样取出：小心拆卸压力室，取出试验后的土样进行分析

5.系统清洁：清理试验台面与设备表面，保持设备清洁

第四章软件功能说明

4.1主界面布局

标题区：显示程序名称与当前试验项目信息

菜单区：

•文件：新建/打开试验项目，保存/导出数据

•设置：试验参数配置，传感器标定

•试验：开始/暂停/停止试验

•分析：数据处理与结果分析

•工具：辅助计算与工具

•帮助：系统帮助文档

数据显示区：实时显示各传感器数据（频率、振幅、位移等）

图形区：显示频响曲线、振动波形等实时图形

控制区：激振参数设置，扫描模式选择，试验控制

4.2主要软件功能

1.扭转共振频率测试：精确测定土体在扭转振动模式下的共振频率

2.弯曲共振频率测试：精确测定土体在弯曲振动模式下的共振频率

3.扭转阻尼测试：采用衰减法测定土体在扭转振动下的阻尼特性

4.弯曲阻尼测试：采用衰减法测定土体在弯曲振动下的阻尼特性

5.扫频策略：

•粗扫：大范围快速扫描，确定大致共振区域

•精扫：小范围精细扫描，精确确定共振频率

6.阻尼测试方法：

•采用衰减法测量自由振动衰减曲线

•自动计算阻尼比

7.数据采集与处理：

•多通道同步数据采集

•实时频响曲线绘制

•自动识别第一阶模态频率

•数据导出与报告生成

8.系统保护：

•反压体积和压力过载自动保护

•传感器信号异常监测与报警