不同糧食堆積狀態(tài)下平房倉壁側壓力實驗研究

◎ 李坤由，王江月，孫慧男

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450001）

糧食安全問題是國家安全的重要基礎。隨著糧食單位面積產量的逐年上升，糧食安全儲藏問題日益突出。目前用于儲藏的倉型有很多種，主要包括平房倉、淺圓倉、立筒倉等，其中平房倉因其造價低、使用方便、密閉性好等特點成為目前最常用的倉房[1]。決定倉房是否符合安全儲藏要求的關鍵點之一就是糧堆底部壓力和倉房側壓力是否滿足倉房的結構設計要求。

國內外學者針對糧堆底部壓力和側壓力進行了一系列的理論計算、仿真模擬及實驗研究[2-10]。COULOMB和RANKINE[2]分別對假定的均勻各向同性無黏性土和假定的無限延伸土體進行研究，得出計算糧食側壓力的Coulomb理論和Rankine理論。然而，由于糧堆在倉房內的有限性和黏聚性，倉房壓力還需進一步驗證計算。HANDY[3]通過對兩側有擋土墻的有限土體進行分析，說明有限土體與無限延伸土體理論之間的差異，得出墻體在有限土體的作用下靜止側壓力的系數(shù)取值。劉永超[4]和陳家豪等[5]通過壓力傳感器對高大平房倉底部靜止壓力進行一系列的實驗研究，得出平房倉底部壓力分布不均勻度隨著糧堆高度的增大而增大，且遠離倉壁的壓力小，靠近倉壁的壓力大。王森等[6]通過模擬實驗對高大平房倉壁側壓力進行分析，結果表明，貯料的重力密度是影響平房倉倉壁側壓力的重要因素。陳桂香等[7]通過FLAC軟件平臺模擬分析了倉型尺寸和糧堆高度對糧堆底部壓力分布、側壓力分布及摩擦力的影響。結果發(fā)現(xiàn)，在倉型尺寸不變的情況下，裝糧高度的增加會導致糧堆底部壓力分布不均勻度增大；在糧堆高度一定的情況下，倉型尺寸的增大會導致糧堆側壓力和倉壁摩擦力增大。此外，國內外學者對筒倉側壓力也開展了深入的研究[11-21]。BROWN等[11]通過實驗探究了在裝料、儲藏和卸料3種情況下方形筒倉壁的側壓力分布及變化情況。實驗物料為大豆和砂。結果表明，在裝料階段，堆積高度增加，豎向壓力增大側壓力減??；在儲藏階段，同一高度倉壁中間位置靜止側壓力較小，倉壁和漏斗連接處側壓力最大；在卸料階段，隨著物料的卸出，豎向壓力減小側壓力增大。LEI等[12]通過實驗研究了平地筒倉壁側壓力隨筒倉深度位置的變化。通過分析假定摩擦系數(shù)和水平應力與垂直應力之比隨深度位置變化，得到計算筒倉側壓力的新型理論 模型。

平房倉壁側壓力的研究對平房倉結構設計優(yōu)化及糧食儲藏安全問題具有重要意義。然而目前研究主要集中在筒倉倉壁壓力分析上，針對不同糧食堆積工況下平房倉壁靜止側壓力的研究還比較少，且平房倉壁結構設計大多數(shù)按照設計規(guī)范[22]進行理論計算，針對理論計算值與實驗數(shù)據(jù)的對比分析較少，不利于平房倉結構設計的優(yōu)化。因此，本文通過現(xiàn)場實驗，研究分析在糧食自由堆積工況、臺階堆糧工況及平倉堆積工況下平房倉壁靜止側壓力的變化情況，并針對各堆形對應的理論計算值與現(xiàn)場實驗測量值進行對比分析，探究糧食堆積狀態(tài)對平房倉壁側壓力影響及理論值與實驗值的差異。

1 材料與方法

1.1 實驗目的與倉房概況

為研究平房倉側壁壓力的分布情況，得出在不同糧食堆積方式下，實驗倉壁側壓力隨計算截面高度的變化，對比分析不同堆形下理論計算值與實驗測量數(shù)據(jù)之間的差異。本研究選擇在平房倉實驗倉內開展實驗，通過在實驗倉側壁上設置壓力傳感器，對糧食側壓力進行測量。該實驗倉高為9 m，最大裝糧高度為 6 m。本實驗所用的測試糧食品種為小麥。

1.2 儀器設備的選型與布置

1.2.1 傳感器的選型

針對壓力傳感器的選型，目前市面上壓力傳感器種類繁多，包括應變式、振弦式、光電式等。綜合考慮，本實驗選用南京基泰土木工程儀器有限公司的VSP520S界面式土壓力盒。該類振弦式傳感器的直徑為120 mm，有效接觸面積為66.44 m2，測量范圍為0～0.3 MPa，滿足本實驗的使用要求。

1.2.2 傳感器的布置與安裝

本實驗測試墻選擇倉房門的對側墻，該測試墻的尺寸為5.2 m×9.0 m，裝糧線高為6 m，在垂直方向布置選用的振弦式傳感器。為保證實驗的準確性，避免因傳感器失效而造成的無效實驗數(shù)據(jù)，在倉房側壁同一高度布置相同的兩個傳感器。傳感器布置位置如圖1所示，測試墻壁上共布置垂直方向間隔550 mm，水平方向間隔1 273.5 mm的12個傳感器，最低位置的 2個傳感器距倉房底部高度為137.5 mm，最高位置的2個傳感器距倉房底部高度為2 887.6 mm。

傳感器安裝前，先對實驗倉進行空倉處理。在確保空倉后，通過建筑用固體膠將傳感器粘貼在其對應的測點位置，并用鋼絲繩將其吊掛在距地面5 m的橫梁上，確保傳感器位置不會因糧堆作用而移位，保證實驗結果的準確性。每個傳感器的電纜線利用膠帶固定在測試墻體上，避免因糧堆作用造成電纜拉扯，從而產生傳感器的移位。同時，以裝糧線為基準向下布置兩條位置線，以供裝糧后測量實際裝糧高度用。

圖1 傳感器的布置與安裝示意圖

1.3 側壓力數(shù)據(jù)的采集

VSP520型壓力傳感器數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為模數(shù)（F），可根據(jù)以下公式計算壓力值：

式中：K為壓力傳感器標定系數(shù)，kPa·F-1；Fi為傳感器負載后輸出的模數(shù)值；F0為傳感器空載時輸出的初始模數(shù)值。

傳感器全部安裝完成后，首先在空倉狀態(tài)下進行數(shù)據(jù)采集，每24 h采集2次，記錄壓力傳感器的初始測量模數(shù)，計算測量數(shù)據(jù)的平均值為傳感器初始模數(shù)值。具體傳感器測量模數(shù)值如表1所示，其中C1～C4分別表示第1～4次數(shù)據(jù)采集結果。

表1 壓力傳感器初始模數(shù)值表

為便于研究不同堆積工況下倉房側壓力的變化情況，實驗采用糧食自由下落的進糧方式作業(yè)。在裝倉完成后對自然堆積工況下的糧堆最大高度進行測量，并按照空載狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集頻率，讀取該工況下傳感器的模數(shù)值。自由堆積工況測量讀取完成后，對自由堆積的糧堆進行臺階式堆糧處理，測量臺階堆糧工況下的傳感器數(shù)據(jù)，得到該工況下傳感器的模數(shù)值。最后對倉內糧堆進行平倉處理，按照前2個工況的方式進行傳感器讀數(shù)及裝糧線高度測量。3種糧食堆積狀態(tài)如圖2所示。整個實驗過程共包括3種堆形工況，每個堆形工況包含4組壓力數(shù)據(jù)。通過式（1）計算得出平房倉側壓力實驗數(shù)據(jù)，并對其進行數(shù)據(jù)分析。

圖2 不同糧食堆積狀態(tài)圖

2 結果與分析

2.1 不同堆積工況下平房倉側壓力的變化情況

從圖3可以看出，在同一高度的左右側傳感器所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)并不相同，表明倉壁側壓力對糧堆高度的導數(shù)不是常數(shù)，同一高度實驗倉側壁壓力不均，說明在糧堆作用下的平房倉壁受力情況復雜。對于3種糧食堆積工況，隨著倉壁計算截面高度的增加，平房倉壁側壓力的變化均呈現(xiàn)波動狀態(tài)。對于左側傳感器，當計算截面高度小于1.2 m時，側壓力隨高度增加而線性增加；當高度大于1.2 m小于2.3 m時，側壓力值隨高度的增加而線性減小；當高度大于2.3 m時，側壓力隨高度的增加而增加。對于右側傳感器，當計算截面高度小于0.6 m時，側壓力隨高度的增加而減??；當高度大于0.6 m小于1.7 m時，側壓力隨高度的增加而增加；當高度大于1.7 m小于2.3 m時，側壓力隨高度增加而減小；當高度大于2.3 m時，臺階式堆積狀態(tài)及平倉式堆積狀態(tài)下的側壓力基本呈增加趨勢，自由堆積狀態(tài)側壓力減小。通過分析左右側壓力的變化情況，表明即使在糧食靜止的狀態(tài)下，其對平房倉側壁的壓力分布仍然是復雜且不規(guī)律的，不能單純對其進行線性分析。同時，從圖3（a）和（b）中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著糧堆在平房倉內儲藏時間的增加，在同一糧堆高度的平房倉糧食側壓力逐漸減小，這是因為糧堆狀態(tài)在入料初期并不穩(wěn)定，且儲藏時間會影響糧食的壓縮特性。

圖3 不同堆形狀態(tài)下平房倉糧食側壓力在左側及右側傳感器的變化情況圖

對比不同堆形狀態(tài)下的側壓力測試平均值變化，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)在相同重量的糧食作用下，糧食堆形對倉壁各高度側壓力的影響不明顯，這說明糧食堆形不是影響倉壁側壓力的主要因素。因此，在糧食安全儲藏的基礎上，可以通過改變平房倉內糧食的堆形來實現(xiàn)容積占用最大化，提高糧食儲藏效率。

圖4 不同堆形狀態(tài)下平房倉糧食側壓力測試平均值的 變化情況圖

2.2 理論計算

目前，在實際工程應用方面，平房倉側壁所受壓力大多數(shù)參照《糧食平房倉設計規(guī)范》（GB 50320—2014） 進行計算，計算公式為：

當h1=0時，α=0、ξ=0，則：

式中：Ph為深度s處糧食對倉壁單位面積上的水平壓力標準值，kN·m-2；s為糧食水平面與倉壁交點至計算截面的高度，m；β為糧食滑動楔體的滑動面與墻面的夾角，°；?為糧食內摩擦角，°；α為加堆的斜面與水平面的夾角，自然堆積時與糧食的自然休止角相同，°；δ為糧食對灰砂粉刷面的外摩擦角，°；γ為糧食重力密度，kN·m-2；h1為糧食加堆的高度，m；h2為靠墻面的高度，m。

通過以上公式分別計算出臺階式堆積工況和平倉式堆積工況下實驗倉對應計算截面高度的側壓力，進行對比分析。

2.3 不同堆形工況下實驗數(shù)據(jù)與理論計算值對比分析

從圖5可以看出，對于理論計算值，隨著計算截面高度的增加，臺階式堆積工況和平倉式堆積工況下的糧食側壓力均呈現(xiàn)線性遞減的趨勢。二者隨高度增加而遞減的速率不同，平倉式堆積工況的遞減速率大于臺階式堆積工況。并且，在同一計算截面高度，臺階式堆積工況的理論計算值大于平倉式工況的理論計算值。

對比平倉式堆積工況的實驗值與理論值，當高度大于1.2 m時，平倉式堆形狀態(tài)下的實驗值與理論值變化較為接近，當高度小于1.2 m時，實驗值與理論值的差異較大。在計算截面高度為2.8 m處，平房倉糧食側壓力的實驗值大于其對應的理論計算值，其余測量高度位置處的側壓力均小于其對應的理論計算值。這表明，依據(jù)《糧食平房倉設計規(guī)范》（GB 50320—2014） 設計的糧倉壁側壓力2.33 m以下滿足實際使用要求，在2.8 m處的設計不滿足實際使用要求。

圖5 臺階式堆形狀態(tài)及平倉式堆積狀態(tài)下平房倉側壓力理論值與實驗值的對比圖

對比臺階式堆積工況的實驗值與理論值，發(fā)現(xiàn)二者的計算偏差較大，臺階式堆積工況的理論計算值遠大于實驗測量值。

從以上分析可以得出，在實際工程應用中，平房倉所受的糧食壓力是復雜且不均勻的，并非設計規(guī)范中理論計算的單因素關系。這是因為糧倉中糧堆的壓力分布不僅與糧堆高度有關，還與糧食的密度、內摩擦角、外摩擦角等力學參數(shù)有很大的關系。

3 結論

本文針對自由堆積狀態(tài)、臺階式堆積狀態(tài)及平倉式堆積狀態(tài)下平房倉壁靜止側壓力進行一系列的實驗研究，探究糧食堆形對平房倉靜止側壓力的影響，分析比對設計規(guī)范理論計算值與實驗值之間的差異，得出以下結論。

（1）在相同重量的糧食作用下，改變糧食的堆積狀態(tài)和形狀對平房倉壁側壓力的影響不大。因此，在滿足糧食安全儲藏要求的情況下，可以對糧食堆形狀態(tài)進行改良優(yōu)化，實現(xiàn)平房倉容積占用最大化，提高糧食儲藏的效率。

（2）同一高度的糧食側壓力實驗值不同，平房倉壁所受糧食側壓力不均勻，這說明倉壁所受側壓力與糧堆高度并非設計規(guī)范中理論計算的單因素關系。

（3）分析比對各堆形狀態(tài)下理論計算值與實驗值，在平倉式堆形工況下，當高度大于1.2 m時，平房倉側壓力實驗值與其對應的理論值接近，當高度小于1.2 m時，實驗值與其對應的理論值偏差更大。在臺階式堆形工況下，所有計算截面高度的平房倉側壓力實驗值都遠小于其對應的理論值，二者偏差較大。