第一章系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

TD50123-GZ 土壤共振柱試驗(yàn)系統(tǒng)（Resonant Column Apparatus,RCA）是一種高精度土體動(dòng)力特性測(cè)試設(shè)備，采用一端固定、另一端自由振動(dòng)的方式精確測(cè)定土體的共振頻率。本系統(tǒng)通過(guò)特斯拉線圈構(gòu)建的電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使試樣的自由端產(chǎn)生精確的扭轉(zhuǎn)或彎曲強(qiáng)迫振動(dòng)，配合高靈敏度加速度傳感器測(cè)量不同頻率下試樣的振動(dòng)響應(yīng)，從而獲取頻響曲線及第一階模態(tài)頻率。

本系統(tǒng)專(zhuān)用于測(cè)定土體在小應(yīng)變條件下的動(dòng)剪切模量(G)和阻尼比(λ)，是研究土體動(dòng)力特性、進(jìn)行地基抗震設(shè)計(jì)與地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

1.2系統(tǒng)組成

土壤共振柱試驗(yàn)系統(tǒng)由以下主要部件組成：

?壓力室：容納土樣，提供圍壓、反壓及孔壓控制環(huán)境

?特斯拉線圈激振控制器：產(chǎn)生精確的電磁激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)試樣振動(dòng)

?功率放大器：放大激振信號(hào)，提供足夠的能量驅(qū)動(dòng)試樣振動(dòng)

?電荷放大器：用于加速度傳感器信號(hào)的放大，靈敏度分級(jí)可調(diào)

?氣壓控制器：精確控制試驗(yàn)所需的氣壓條件

?體積壓力控制器：精確調(diào)節(jié)圍壓、反壓及孔壓

?八通道采集儀：同步采集多路傳感器信號(hào)，確保數(shù)據(jù)同步性

?專(zhuān)業(yè)軟件及計(jì)算機(jī)：實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)采集與分析處理

1.3可選參數(shù)配置

壓力參數(shù)：

?圍壓：最大1MPa

?反壓：最大1MPa

?孔壓：最大1MPa

激振頻率范圍：

?扭轉(zhuǎn)模式：最大350Hz

?彎曲模式：最大200Hz

試樣尺寸：

?直徑：50mm

?高度：100mm

第二章安裝與調(diào)試

2.1系統(tǒng)安裝環(huán)境要求

1.環(huán)境溫度：18℃～25℃（推薦恒溫環(huán)境）

2.相對(duì)濕度：≤60%（無(wú)結(jié)露）

3.電源要求：AC 220V±10%，50Hz±2%，功率≥3kW

4.安裝空間：設(shè)備四周需預(yù)留至少50cm操作空間

5.防振要求：安裝在無(wú)振動(dòng)或振動(dòng)極小的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上

6.電磁環(huán)境：遠(yuǎn)離大型電機(jī)、變壓器等強(qiáng)電磁干擾源

7.接地要求：必須連接標(biāo)準(zhǔn)地線，接地電阻≤4Ω

2.2系統(tǒng)安裝步驟

1.設(shè)備定位：將共振柱系統(tǒng)各組件按照布局圖放置在穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)上

2.壓力室安裝：將壓力室固定在指定位置，連接圍壓、反壓及孔壓管路

3.傳感器連接：安裝LVDT傳感器和孔壓傳感器，連接至相應(yīng)采集通道

4.電氣連接：按照接線圖連接特斯拉線圈、功率放大器、電荷放大器等

5.軟件安裝：在計(jì)算機(jī)上安裝共振柱試驗(yàn)控制與分析軟件

6.系統(tǒng)調(diào)試：開(kāi)啟各組件電源，進(jìn)行系統(tǒng)自檢與初步參數(shù)設(shè)置

第三章操作使用說(shuō)明

3.1試驗(yàn)前準(zhǔn)備

3.1.1試樣制備

1.按照標(biāo)準(zhǔn)方法制備直徑50mm、高度100mm的土樣

2.確保試樣結(jié)構(gòu)均勻，無(wú)顯著缺陷

3.根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行飽和處理（真空飽和或反壓飽和）

3.1.2試樣安裝

1.將制備好的土樣小心裝入壓力室中心位置

2.安裝上端自由振動(dòng)裝置，確保試樣固定端牢固、自由端可自由振動(dòng)

3.安裝LVDT位移傳感器和孔壓傳感器，確保位置準(zhǔn)確

4.連接所有管路和線路，檢查連接可靠性

3.1.3系統(tǒng)檢查

1.檢查所有管路連接是否牢固，無(wú)泄漏

2.檢查傳感器連接是否正確，信號(hào)線無(wú)損壞

3.確認(rèn)各組件電源連接正常

4.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)與試驗(yàn)軟件，檢查系統(tǒng)通訊狀態(tài)

3.2試驗(yàn)操作流程

3.2.1開(kāi)機(jī)順序

1.開(kāi)啟環(huán)境控制系統(tǒng)：?jiǎn)?dòng)圍壓、反壓及孔壓控制系統(tǒng)

2.開(kāi)啟輔助設(shè)備：?jiǎn)?dòng)氣壓控制器和體積壓力控制器

3.開(kāi)啟測(cè)量系統(tǒng)：依次開(kāi)啟電荷放大器、八通道采集儀

4.開(kāi)啟激振系統(tǒng)：?jiǎn)?dòng)功率放大器和特斯拉線圈激振控制器

5.啟動(dòng)控制軟件：打開(kāi)共振柱試驗(yàn)專(zhuān)用軟件，建立新試驗(yàn)項(xiàng)目

3.2.2參數(shù)設(shè)置

1.試樣參數(shù)設(shè)置：輸入試樣直徑(50mm)、高度(100mm)等幾何參數(shù)

2.材料參數(shù)設(shè)置：根據(jù)土樣類(lèi)型輸入預(yù)估的密度、含水量等

3.試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭x擇：選擇扭轉(zhuǎn)共振測(cè)試或彎曲共振測(cè)試模式

4.頻率范圍設(shè)置：根據(jù)需求設(shè)置掃描頻率范圍（扭轉(zhuǎn)最大350Hz，彎曲最大200Hz）

5.壓力參數(shù)設(shè)置：設(shè)定圍壓、反壓和孔壓的目標(biāo)值（各≤1MPa）

3.2.3壓力控制

1.施加圍壓：通過(guò)體積壓力控制器緩慢施加圍壓至設(shè)定值

2.施加反壓（如需要）：緩慢增加反壓至設(shè)定值，確保試樣充分飽和

3.施加孔壓（如需要）：根據(jù)試驗(yàn)需求調(diào)整孔壓值

4.壓力穩(wěn)定：等待壓力穩(wěn)定，觀察壓力波動(dòng)情況，確保系統(tǒng)平衡

3.2.4傳感器標(biāo)定

1.安裝標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊：按照軟件提示安裝標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定

2.使用標(biāo)定試樣：如有條件，使用專(zhuān)用標(biāo)定試樣進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證

3.電荷放大器標(biāo)定：根據(jù)傳感器特性調(diào)整電荷放大器靈敏度

4.系統(tǒng)零點(diǎn)校準(zhǔn)：在無(wú)激勵(lì)狀態(tài)下進(jìn)行各傳感器零點(diǎn)校準(zhǔn)

3.2.5共振頻率測(cè)試

1.粗掃頻階段：設(shè)置較寬的頻率范圍和較大的步長(zhǎng)，快速掃描大致共振區(qū)域

2.精掃頻階段：在粗掃頻確定的共振區(qū)域附近，設(shè)置較小頻率步長(zhǎng)進(jìn)行精細(xì)掃描

3.頻響曲線獲取：系統(tǒng)自動(dòng)記錄不同頻率下的振動(dòng)響應(yīng)，生成頻響曲線

4.第一階模態(tài)頻率確定：通過(guò)分析頻響曲線確定第一階模態(tài)頻率，即共振頻率

3.2.6阻尼測(cè)試

1.采用衰減法：通過(guò)記錄自由振動(dòng)衰減曲線測(cè)定阻尼特性

2.阻尼比計(jì)算：軟件自動(dòng)分析振動(dòng)衰減曲線，計(jì)算土體阻尼比

3.多次測(cè)量：建議進(jìn)行多次測(cè)試以提高數(shù)據(jù)可靠性

3.3數(shù)據(jù)采集與保存

1.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)觀察各傳感器數(shù)據(jù)變化

2.自動(dòng)采集：系統(tǒng)按照設(shè)定參數(shù)自動(dòng)采集并存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.數(shù)據(jù)備份：定期保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建議同時(shí)保存至外部存儲(chǔ)設(shè)備

4.試驗(yàn)記錄：詳細(xì)記錄試驗(yàn)條件、參數(shù)設(shè)置與操作過(guò)程

3.4試驗(yàn)結(jié)束與關(guān)機(jī)

1.停止激振：首先停止特斯拉線圈激振控制器輸出

2.卸除壓力：按照圍壓→反壓→孔壓的順序緩慢降低壓力至零

3.關(guān)閉系統(tǒng)：按以下順序關(guān)閉各組件電源：

?關(guān)閉八通道采集儀

?關(guān)閉電荷放大器

?關(guān)閉功率放大器

?關(guān)閉特斯拉線圈激振控制器

?關(guān)閉體積壓力控制器和氣壓控制器

?關(guān)閉計(jì)算機(jī)與試驗(yàn)軟件

4.試樣取出：小心拆卸壓力室，取出試驗(yàn)后的土樣進(jìn)行分析

5.系統(tǒng)清潔：清理試驗(yàn)臺(tái)面與設(shè)備表面，保持設(shè)備清潔

第四章軟件功能說(shuō)明

4.1主界面布局

標(biāo)題區(qū)：顯示程序名稱(chēng)與當(dāng)前試驗(yàn)項(xiàng)目信息

菜單區(qū)：

?文件：新建/打開(kāi)試驗(yàn)項(xiàng)目，保存/導(dǎo)出數(shù)據(jù)

?設(shè)置：試驗(yàn)參數(shù)配置，傳感器標(biāo)定

?試驗(yàn)：開(kāi)始/暫停/停止試驗(yàn)

?分析：數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

?工具：輔助計(jì)算與工具

?幫助：系統(tǒng)幫助文檔

數(shù)據(jù)顯示區(qū)：實(shí)時(shí)顯示各傳感器數(shù)據(jù)（頻率、振幅、位移等）

圖形區(qū)：顯示頻響曲線、振動(dòng)波形等實(shí)時(shí)圖形

控制區(qū)：激振參數(shù)設(shè)置，掃描模式選擇，試驗(yàn)控制

4.2主要軟件功能

1.扭轉(zhuǎn)共振頻率測(cè)試：精確測(cè)定土體在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式下的共振頻率

2.彎曲共振頻率測(cè)試：精確測(cè)定土體在彎曲振動(dòng)模式下的共振頻率

3.扭轉(zhuǎn)阻尼測(cè)試：采用衰減法測(cè)定土體在扭轉(zhuǎn)振動(dòng)下的阻尼特性

4.彎曲阻尼測(cè)試：采用衰減法測(cè)定土體在彎曲振動(dòng)下的阻尼特性

5.掃頻策略：

?粗掃：大范圍快速掃描，確定大致共振區(qū)域

?精掃：小范圍精細(xì)掃描，精確確定共振頻率

6.阻尼測(cè)試方法：

?采用衰減法測(cè)量自由振動(dòng)衰減曲線

?自動(dòng)計(jì)算阻尼比

7.數(shù)據(jù)采集與處理：

?多通道同步數(shù)據(jù)采集

?實(shí)時(shí)頻響曲線繪制

?自動(dòng)識(shí)別第一階模態(tài)頻率

?數(shù)據(jù)導(dǎo)出與報(bào)告生成

8.系統(tǒng)保護(hù)：

?反壓體積和壓力過(guò)載自動(dòng)保護(hù)

?傳感器信號(hào)異常監(jiān)測(cè)與報(bào)警