散糧堆底部壓力實測研究

王錄民 ，劉永超 ，許啟鏗 ，揣 君 ，郭明利

（1.河南工業(yè)大學 土木建筑學院，河南 鄭州 450001；2.河南工大設計研究院，河南 鄭州 450001）

0 引言

《糧食平房倉設計規(guī)范》（GB 50320—2001，以下簡稱《規(guī)范》）給出了平堆散裝糧食對地面垂直壓力標準值的計算公式[1]，即 pv=γs，其中，pv表示糧堆對地面的垂直壓力，γ表示糧食容重，s表示糧堆深度.由此計算公式不難看出《規(guī)范》將糧堆視為連續(xù)性介質，采用流體壓力理論計算其產生的豎向壓力.然而，越來越多的研究結果表明散體有著奇異的力學特性[2-3]，如大家熟知的糧倉效應表明散體有著不同于流體的特性.最近20年以來，人們開始逐漸關注散體的精細力學行為，逐漸認識到散體的一些特性不能用一般的固體力學理論和流體力學理論來解釋[4].糧食作為一種大宗散體物料，與人們的日常生活、工業(yè)生產緊密相關.糧食也是一種典型的散體介質，具有散體的基本特性，然而《規(guī)范》將糧食作為一種理想的連續(xù)性介質，忽略了糧食顆粒的離散特性，顯然不盡合理.因此，糧堆底部壓力分布的真實情況仍然是未知的.雖然《規(guī)范》給出的糧堆底部壓力計算公式能夠滿足工程設計的要求，但是不利于揭示散體真實的力學特性，也不能夠為其他基于散體力學的應用研究提供理論支撐.

現(xiàn)場試驗對于散體力學的研究意義重大[5]，然而，現(xiàn)場試驗一般規(guī)模大、周期長、費用高，且現(xiàn)場存在不確定因素，試驗不易開展.目前，針對糧食平房倉散糧堆底部壓力的現(xiàn)場試驗并不多見.鑒于糧食平房倉平面尺寸較大，能夠形成大體積糧堆的特點，筆者認為大體積散糧堆能夠更充分地反映糧堆的散體力學特性，將其選為試驗對象具有一定的優(yōu)越性.作者對散裝糧平房倉糧堆底部壓力進行了現(xiàn)場實測與分析，旨在探索散糧堆底部壓力的分布特性.

1 試驗方案與實施

采用壓力傳感器技術對糧堆底部壓力進行監(jiān)測，重點研究糧堆底部壓力與糧堆高度之間的關系，并考慮外摩擦力對糧堆底部壓力的影響，為此制定了以下試驗方案：

（1）試驗場地選取.經過實地調研，選取某糧庫的一糧食平房倉作為試驗倉，該倉平面尺寸為54 m×30 m，裝糧紅線高度為6 m.選取倉內靠近墻角12 m×12 m×6 m區(qū)域作為試驗區(qū)，由橫墻、縱墻和堆積糧包圍合而成，如圖1所示.

（2）確定壓力傳感器布置方案.以墻角為坐標原點，橫墻為X軸，縱墻為Y軸建立坐標系.考慮倉壁以及糧包摩擦力對糧堆底部壓力的影響，沿X向（y=6.5 m）、Y 向（x=6.5 m）和對角線方向各布置一列壓力傳感器，其中X向和Y向壓力傳感器的間距為1.5 m，具體布置詳見圖2.根據(jù)平面布置，測點 h1與 z1、h2與 z2、h3與 z3、h4與 z4、h6與z6、h7與z7、h8與z8與邊界距離相同，可以視為等效測點（位置相當），每一組的兩個測點受到的外摩擦力可以視為相同.同樣狀態(tài)下，對比分析時可以不計外摩擦力的影響.

（3）壓力傳感器選型.壓力傳感器的類型較多，振弦式壓力傳感器具有受溫度影響小、抗干擾能力強等優(yōu)點，是目前國內外普遍重視和廣泛應用的一種傳感器[6].因此，本試驗選用振弦式壓力傳感器監(jiān)測糧堆底部壓力，可直接輸出振弦的自振頻率信號，并以此反映其感應壓力的變化[7].

（4）試驗過程控制與實施.如果按照常規(guī)的進糧工藝進糧，糧面將不平整，糧堆高度無法衡量.為了便于研究糧堆底部壓力與糧堆高度之間的關系，采取人為干預方式分層進糧，控制糧堆高度.

試驗實施過程概述：空倉時按照圖2將壓力傳感器布置在倉底上，記錄壓力傳感器的初始值，壓力傳感器現(xiàn)場布置情況如圖3所示；將預先準備的糧包堆放在試驗區(qū)外圍，防止糧食外流；使用皮帶機向試驗區(qū)內進糧，當試驗區(qū)內糧食接近預期數(shù)量時停止進糧，然后人工攤平糧面，測量糧堆高度，并記錄壓力傳感器當前數(shù)據(jù).

圖1 試驗區(qū)實景

圖2 糧食平房倉底部壓力傳感器布置平面圖

圖3 壓力傳感器現(xiàn)場布置圖

表1 沿X向布置（y=6.5 m)測點在不同糧堆高度下的壓力 kPa

試驗所選用的糧食為小麥，在這種理想工況下，前后共分7層進糧，記錄的糧堆高度依次為0.4 m、1.0 m、1.9 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m.

2 結果與分析

壓力傳感器在使用前一般應進行實驗室標定以確定其率定系數(shù)K，常用標定方法有氣壓標定、液壓標定、土介質中標定，不同的標定方法得到的率定系數(shù)可能差異較大[8].選用的振弦式壓力傳感器一般用于巖土工程，目前還未見在糧堆介質中標定的成熟可靠方法.作者主要考察糧堆底部壓力分布趨勢，壓力傳感器的率定系數(shù)采用實驗室油壓標定下的結果（廠家給定）.試驗數(shù)據(jù)處理結果分別如表1、表2、表3所示，表中比值表示同樣高度下糧堆底部不同位置壓力的最大值與最小值之比；不同糧堆高度狀態(tài)下，沿Y向、X向和對角線布置的壓力傳感器壓力變化趨勢如圖4、圖5、圖6所示，等效測點壓力對比分析結果如圖7所示.

由表1、表2、表3可見：同樣糧堆高度下，糧堆底部不同位置處的壓力并不相同，最大值與最小值的比值在1.4～2.5范圍內，該比值可以反映糧堆壓力分布不均勻程度.由此可知，糧堆底部壓力分布是非均勻的，不同于流體壓力分布.

表2 沿Y向布置（x=6.5 m)測點在不同糧堆高度下的壓力 kPa

表3 沿對角線布置測點在不同糧堆高度下的壓力 kPa

圖4 沿Y向布置測點的壓力變化趨勢

圖5 沿X向布置測點的壓力變化趨勢

圖6 沿對角線布置測點的壓力變化趨勢

由圖4可見，同樣糧堆高度狀態(tài)下，壓力最大值都出現(xiàn)在距離倉壁和糧包相對較遠的中部（受摩擦力的影響相對較小），靠近墻體或糧包的兩端（受摩擦力的影響相對較大）壓力較??；壓力最大值與最小值的差值隨著糧堆高度的增加而呈現(xiàn)增大趨勢，反映出摩擦力對糧堆底部壓力分布的影響.

圖7 等效測點壓力對比圖

圖5中出現(xiàn)多波峰（對應壓力峰值）現(xiàn)象，壓力最大值出現(xiàn)在中部；圖6中出現(xiàn)明顯的雙波峰現(xiàn)象，壓力峰值并未出現(xiàn)在中部.與圖4的單個波峰相比，圖5、圖6中糧堆底部壓力的表現(xiàn)形式更為復雜，表明糧堆底部壓力的影響因素不只糧堆高度和摩擦力.

由圖7可見，單個測點糧堆底部壓力與糧堆高度之間近似呈線性關系.總體來看，在同樣糧堆高度下，僅測點h2與z2、h3與 z3壓力大小吻合較好，而其余4組等效測點壓力差別顯著，再次表明同樣糧堆高度下，糧堆底部壓力的影響因素不只是摩擦力.文獻[4]指出沙堆（散體介質）底部壓力與其堆積過程（形成歷史）有關，不同堆積方式形成的沙堆底部中心位置的壓力差能達到50%.結合現(xiàn)場的進糧情況，出現(xiàn)壓力峰值的地方受到了糧食從皮帶機上落下時的沖擊作用，形成的糧堆相對比較密實.試驗結果驗證了堆積過程對散體物料堆底部壓力有重要影響.

3 結論

振弦式壓力傳感器感應壓力可以反映糧堆底部壓力分布和變化的趨勢，可用于糧堆壓力的定性分析；在理想進糧工況下，單點糧堆底部壓力與糧堆高度之間為近似線性關系，同樣糧堆高度下不同位置處的壓力差異明顯，糧堆底部壓力分布整體上是非均勻的；糧堆底部壓力不僅與糧堆高度、摩擦力有關，還受堆積過程的影響.

本文是對散糧堆底部壓力的一次探索研究，通過實測發(fā)現(xiàn)了糧堆底部壓力分布的部分特性，使得對糧堆底部壓力的認識更加深入，也能為同類試驗研究提供參考.同時，試驗過程中也存在一些不足，如壓力傳感器的率定系數(shù)采用廠家標定值，實測壓力并不能反映糧堆底部壓力的真實值，尚不能對糧堆底部壓力進行定量分析，在下一步的研究工作中有待改進和完善.

［1］ 糧食平房倉設計規(guī)范，GB 50320—2001［S］.

［2］ 厚美英，陸坤權.奇異的顆粒物質［J］.產業(yè)論壇，2001（2）:6-8.

［3］ 孔維姝,胡林，吳宇，等.顆粒物質中的奇異現(xiàn)象［J］.大學物理，2006(11):52-56.

［4］ 孫其誠，王光謙.顆粒物質力學導論［M］.北京:科學出版社，2009.

［5］ ΓК克列因.散粒體結構力學［M］.陳萬佳譯.北京:中國鐵道出版社，1983.

［6］ 楊元才.振弦式傳感器的研究［J］.水利電力機械，1991（1）:28-31.

［7］ 徐瑞蘭,章模通.振弦式傳感器的原理及其應用［J］.自動化儀表，1980（1）:22-27.

［8］ 陳春紅，劉素錦，玉釗.土壓力盒的標定［J］.中國農村水利水電，2007（2）:29-32.