◎ 李坤由，王江月，孫慧男

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450001）

糧食安全問(wèn)題是國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)。隨著糧食單位面積產(chǎn)量的逐年上升，糧食安全儲(chǔ)藏問(wèn)題日益突出。目前用于儲(chǔ)藏的倉(cāng)型有很多種，主要包括平房倉(cāng)、淺圓倉(cāng)、立筒倉(cāng)等，其中平房倉(cāng)因其造價(jià)低、使用方便、密閉性好等特點(diǎn)成為目前最常用的倉(cāng)房[1]。決定倉(cāng)房是否符合安全儲(chǔ)藏要求的關(guān)鍵點(diǎn)之一就是糧堆底部壓力和倉(cāng)房側(cè)壓力是否滿(mǎn)足倉(cāng)房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)糧堆底部壓力和側(cè)壓力進(jìn)行了一系列的理論計(jì)算、仿真模擬及實(shí)驗(yàn)研究[2-10]。COULOMB和RANKINE[2]分別對(duì)假定的均勻各向同性無(wú)黏性土和假定的無(wú)限延伸土體進(jìn)行研究，得出計(jì)算糧食側(cè)壓力的Coulomb理論和Rankine理論。然而，由于糧堆在倉(cāng)房?jī)?nèi)的有限性和黏聚性，倉(cāng)房壓力還需進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算。HANDY[3]通過(guò)對(duì)兩側(cè)有擋土墻的有限土體進(jìn)行分析，說(shuō)明有限土體與無(wú)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(cè)壓力的系數(shù)取值。劉永超[4]和陳家豪等[5]通過(guò)壓力傳感器對(duì)高大平房倉(cāng)底部靜止壓力進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)研究，得出平房倉(cāng)底部壓力分布不均勻度隨著糧堆高度的增大而增大，且遠(yuǎn)離倉(cāng)壁的壓力小，靠近倉(cāng)壁的壓力大。王森等[6]通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)高大平房倉(cāng)壁側(cè)壓力進(jìn)行分析，結(jié)果表明，貯料的重力密度是影響平房倉(cāng)倉(cāng)壁側(cè)壓力的重要因素。陳桂香等[7]通過(guò)FLAC軟件平臺(tái)模擬分析了倉(cāng)型尺寸和糧堆高度對(duì)糧堆底部壓力分布、側(cè)壓力分布及摩擦力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在倉(cāng)型尺寸不變的情況下，裝糧高度的增加會(huì)導(dǎo)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(cāng)型尺寸的增大會(huì)導(dǎo)致糧堆側(cè)壓力和倉(cāng)壁摩擦力增大。此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)筒倉(cāng)側(cè)壓力也開(kāi)展了深入的研究[11-21]。BROWN等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了在裝料、儲(chǔ)藏和卸料3種情況下方形筒倉(cāng)壁的側(cè)壓力分布及變化情況。實(shí)驗(yàn)物料為大豆和砂。結(jié)果表明，在裝料階段，堆積高度增加，豎向壓力增大側(cè)壓力減?。辉趦?chǔ)藏階段，同一高度倉(cāng)壁中間位置靜止側(cè)壓力較小，倉(cāng)壁和漏斗連接處側(cè)壓力最大；在卸料階段，隨著物料的卸出，豎向壓力減小側(cè)壓力增大。LEI等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了平地筒倉(cāng)壁側(cè)壓力隨筒倉(cāng)深度位置的變化。通過(guò)分析假定摩擦系數(shù)和水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨深度位置變化，得到計(jì)算筒倉(cāng)側(cè)壓力的新型理論 模型。

平房倉(cāng)壁側(cè)壓力的研究對(duì)平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及糧食儲(chǔ)藏安全問(wèn)題具有重要意義。然而目前研究主要集中在筒倉(cāng)倉(cāng)壁壓力分析上，針對(duì)不同糧食堆積工況下平房倉(cāng)壁靜止側(cè)壓力的研究還比較少，且平房倉(cāng)壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多數(shù)按照設(shè)計(jì)規(guī)范[22]進(jìn)行理論計(jì)算，針對(duì)理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析較少，不利于平房倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。因此，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，研究分析在糧食自由堆積工況、臺(tái)階堆糧工況及平倉(cāng)堆積工況下平房倉(cāng)壁靜止側(cè)壓力的變化情況，并針對(duì)各堆形對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比分析，探究糧食堆積狀態(tài)對(duì)平房倉(cāng)壁側(cè)壓力影響及理論值與實(shí)驗(yàn)值的差異。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c倉(cāng)房概況

為研究平房倉(cāng)側(cè)壁壓力的分布情況，得出在不同糧食堆積方式下，實(shí)驗(yàn)倉(cāng)壁側(cè)壓力隨計(jì)算截面高度的變化，對(duì)比分析不同堆形下理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)之間的差異。本研究選擇在平房倉(cāng)實(shí)驗(yàn)倉(cāng)內(nèi)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)倉(cāng)側(cè)壁上設(shè)置壓力傳感器，對(duì)糧食側(cè)壓力進(jìn)行測(cè)量。該實(shí)驗(yàn)倉(cāng)高為9 m，最大裝糧高度為 6 m。本實(shí)驗(yàn)所用的測(cè)試糧食品種為小麥。

1.2 儀器設(shè)備的選型與布置

1.2.1 傳感器的選型

針對(duì)壓力傳感器的選型，目前市面上壓力傳感器種類(lèi)繁多，包括應(yīng)變式、振弦式、光電式等。綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)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(lèi)振弦式傳感器的直徑為120 mm，有效接觸面積為66.44 m2，測(cè)量范圍為0～0.3 MPa，滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)的使用要求。

1.2.2 傳感器的布置與安裝

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試墻選擇倉(cāng)房門(mén)的對(duì)側(cè)墻，該測(cè)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(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，避免因傳感器失效而造成的無(wú)效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在倉(cāng)房側(cè)壁同一高度布置相同的兩個(gè)傳感器。傳感器布置位置如圖1所示，測(cè)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(gè)傳感器，最低位置的 2個(gè)傳感器距倉(cāng)房底部高度為137.5 mm，最高位置的2個(gè)傳感器距倉(cāng)房底部高度為2 887.6 mm。

傳感器安裝前，先對(duì)實(shí)驗(yàn)倉(cāng)進(jìn)行空倉(cāng)處理。在確?？諅}(cāng)后，通過(guò)建筑用固體膠將傳感器粘貼在其對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)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(huì)因糧堆作用而移位，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。每個(gè)傳感器的電纜線利用膠帶固定在測(cè)試墻體上，避免因糧堆作用造成電纜拉扯，從而產(chǎn)生傳感器的移位。同時(shí)，以裝糧線為基準(zhǔn)向下布置兩條位置線，以供裝糧后測(cè)量實(shí)際裝糧高度用。

圖1 傳感器的布置與安裝示意圖

1.3 側(cè)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(jì)算壓力值：

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

傳感器全部安裝完成后，首先在空倉(cāng)狀態(tài)下進(jìn)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(cè)量模數(shù)，計(jì)算測(cè)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(cè)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(jié)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(cāng)房側(cè)壓力的變化情況，實(shí)驗(yàn)采用糧食自由下落的進(jìn)糧方式作業(yè)。在裝倉(cāng)完成后對(duì)自然堆積工況下的糧堆最大高度進(jìn)行測(cè)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(cè)量讀取完成后，對(duì)自由堆積的糧堆進(jìn)行臺(tái)階式堆糧處理，測(cè)量臺(tái)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(duì)倉(cāng)內(nèi)糧堆進(jìn)行平倉(cāng)處理，按照前2個(gè)工況的方式進(jìn)行傳感器讀數(shù)及裝糧線高度測(cè)量。3種糧食堆積狀態(tài)如圖2所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程共包括3種堆形工況，每個(gè)堆形工況包含4組壓力數(shù)據(jù)。通過(guò)式（1）計(jì)算得出平房倉(cāng)側(cè)壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖2 不同糧食堆積狀態(tài)圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同堆積工況下平房倉(cāng)側(cè)壓力的變化情況

從圖3可以看出，在同一高度的左右側(cè)傳感器所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)并不相同，表明倉(cāng)壁側(cè)壓力對(duì)糧堆高度的導(dǎo)數(shù)不是常數(shù)，同一高度實(shí)驗(yàn)倉(cāng)側(cè)壁壓力不均，說(shuō)明在糧堆作用下的平房倉(cāng)壁受力情況復(fù)雜。對(duì)于3種糧食堆積工況，隨著倉(cāng)壁計(jì)算截面高度的增加，平房倉(cāng)壁側(cè)壓力的變化均呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于左側(cè)傳感器，當(dāng)計(jì)算截面高度小于1.2 m時(shí)，側(cè)壓力隨高度增加而線性增加；當(dāng)高度大于1.2 m小于2.3 m時(shí)，側(cè)壓力值隨高度的增加而線性減??；當(dāng)高度大于2.3 m時(shí)，側(cè)壓力隨高度的增加而增加。對(duì)于右側(cè)傳感器，當(dāng)計(jì)算截面高度小于0.6 m時(shí)，側(cè)壓力隨高度的增加而減小；當(dāng)高度大于0.6 m小于1.7 m時(shí)，側(cè)壓力隨高度的增加而增加；當(dāng)高度大于1.7 m小于2.3 m時(shí)，側(cè)壓力隨高度增加而減??；當(dāng)高度大于2.3 m時(shí)，臺(tái)階式堆積狀態(tài)及平倉(cāng)式堆積狀態(tài)下的側(cè)壓力基本呈增加趨勢(shì)，自由堆積狀態(tài)側(cè)壓力減小。通過(guò)分析左右側(cè)壓力的變化情況，表明即使在糧食靜止的狀態(tài)下，其對(duì)平房倉(cāng)側(cè)壁的壓力分布仍然是復(fù)雜且不規(guī)律的，不能單純對(duì)其進(jìn)行線性分析。同時(shí)，從圖3（a）和（b）中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著糧堆在平房倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)藏時(shí)間的增加，在同一糧堆高度的平房倉(cāng)糧食側(cè)壓力逐漸減小，這是因?yàn)榧Z堆狀態(tài)在入料初期并不穩(wěn)定，且儲(chǔ)藏時(shí)間會(huì)影響糧食的壓縮特性。

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

對(duì)比不同堆形狀態(tài)下的側(cè)壓力測(cè)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(duì)倉(cāng)壁各高度側(cè)壓力的影響不明顯，這說(shuō)明糧食堆形不是影響倉(cāng)壁側(cè)壓力的主要因素。因此，在糧食安全儲(chǔ)藏的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)改變平房倉(cāng)內(nèi)糧食的堆形來(lái)實(shí)現(xiàn)容積占用最大化，提高糧食儲(chǔ)藏效率。

圖4 不同堆形狀態(tài)下平房倉(cāng)糧食側(cè)壓力測(cè)試平均值的 變化情況圖

2.2 理論計(jì)算

目前，在實(shí)際工程應(yīng)用方面，平房倉(cāng)側(cè)壁所受壓力大多數(shù)參照《糧食平房倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50320—2014） 進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

當(dāng)h1=0時(shí)，α=0、ξ=0，則：

式中：Ph為深度s處糧食對(duì)倉(cāng)壁單位面積上的水平壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m-2；s為糧食水平面與倉(cāng)壁交點(diǎn)至計(jì)算截面的高度，m；β為糧食滑動(dòng)楔體的滑動(dòng)面與墻面的夾角，°；?為糧食內(nèi)摩擦角，°；α為加堆的斜面與水平面的夾角，自然堆積時(shí)與糧食的自然休止角相同，°；δ為糧食對(duì)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(guò)以上公式分別計(jì)算出臺(tái)階式堆積工況和平倉(cāng)式堆積工況下實(shí)驗(yàn)倉(cāng)對(duì)應(yīng)計(jì)算截面高度的側(cè)壓力，進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 不同堆形工況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值對(duì)比分析

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

對(duì)比平倉(cāng)式堆積工況的實(shí)驗(yàn)值與理論值，當(dāng)高度大于1.2 m時(shí)，平倉(cāng)式堆形狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)值與理論值變化較為接近，當(dāng)高度小于1.2 m時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與理論值的差異較大。在計(jì)算截面高度為2.8 m處，平房倉(cāng)糧食側(cè)壓力的實(shí)驗(yàn)值大于其對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值，其余測(cè)量高度位置處的側(cè)壓力均小于其對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值。這表明，依據(jù)《糧食平房倉(cāng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50320—2014） 設(shè)計(jì)的糧倉(cāng)壁側(cè)壓力2.33 m以下滿(mǎn)足實(shí)際使用要求，在2.8 m處的設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。

圖5 臺(tái)階式堆形狀態(tài)及平倉(cāng)式堆積狀態(tài)下平房倉(cāng)側(cè)壓力理論值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比圖

對(duì)比臺(tái)階式堆積工況的實(shí)驗(yàn)值與理論值，發(fā)現(xiàn)二者的計(jì)算偏差較大，臺(tái)階式堆積工況的理論計(jì)算值遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

從以上分析可以得出，在實(shí)際工程應(yīng)用中，平房倉(cāng)所受的糧食壓力是復(fù)雜且不均勻的，并非設(shè)計(jì)規(guī)范中理論計(jì)算的單因素關(guān)系。這是因?yàn)榧Z倉(cāng)中糧堆的壓力分布不僅與糧堆高度有關(guān)，還與糧食的密度、內(nèi)摩擦角、外摩擦角等力學(xué)參數(shù)有很大的關(guān)系。

3 結(jié)論

本文針對(duì)自由堆積狀態(tài)、臺(tái)階式堆積狀態(tài)及平倉(cāng)式堆積狀態(tài)下平房倉(cāng)壁靜止側(cè)壓力進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)研究，探究糧食堆形對(duì)平房倉(cāng)靜止側(cè)壓力的影響，分析比對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間的差異，得出以下結(jié)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(duì)平房倉(cāng)壁側(cè)壓力的影響不大。因此，在滿(mǎn)足糧食安全儲(chǔ)藏要求的情況下，可以對(duì)糧食堆形狀態(tài)進(jìn)行改良優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)平房倉(cāng)容積占用最大化，提高糧食儲(chǔ)藏的效率。

（2）同一高度的糧食側(cè)壓力實(shí)驗(yàn)值不同，平房倉(cāng)壁所受糧食側(cè)壓力不均勻，這說(shuō)明倉(cāng)壁所受側(cè)壓力與糧堆高度并非設(shè)計(jì)規(guī)范中理論計(jì)算的單因素關(guān)系。

（3）分析比對(duì)各堆形狀態(tài)下理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值，在平倉(cāng)式堆形工況下，當(dāng)高度大于1.2 m時(shí)，平房倉(cāng)側(cè)壓力實(shí)驗(yàn)值與其對(duì)應(yīng)的理論值接近，當(dāng)高度小于1.2 m時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與其對(duì)應(yīng)的理論值偏差更大。在臺(tái)階式堆形工況下，所有計(jì)算截面高度的平房倉(cāng)側(cè)壓力實(shí)驗(yàn)值都遠(yuǎn)小于其對(duì)應(yīng)的理論值，二者偏差較大。