散粮堆底部压力实测研究

王录民 ，刘永超 ，许启铿 ，揣 君 ，郭明利

（1.河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001；2.河南工大设计研究院，河南 郑州 450001）

0 引言

《粮食平房仓设计规范》（GB 50320—2001，以下简称《规范》）给出了平堆散装粮食对地面垂直压力标准值的计算公式[1]，即 pv=γs，其中，pv表示粮堆对地面的垂直压力，γ表示粮食容重，s表示粮堆深度.由此计算公式不难看出《规范》将粮堆视为连续性介质，采用流体压力理论计算其产生的竖向压力.然而，越来越多的研究结果表明散体有着奇异的力学特性[2-3]，如大家熟知的粮仓效应表明散体有着不同于流体的特性.最近20年以来，人们开始逐渐关注散体的精细力学行为，逐渐认识到散体的一些特性不能用一般的固体力学理论和流体力学理论来解释[4].粮食作为一种大宗散体物料，与人们的日常生活、工业生产紧密相关.粮食也是一种典型的散体介质，具有散体的基本特性，然而《规范》将粮食作为一种理想的连续性介质，忽略了粮食颗粒的离散特性，显然不尽合理.因此，粮堆底部压力分布的真实情况仍然是未知的.虽然《规范》给出的粮堆底部压力计算公式能够满足工程设计的要求，但是不利于揭示散体真实的力学特性，也不能够为其他基于散体力学的应用研究提供理论支撑.

现场试验对于散体力学的研究意义重大[5]，然而，现场试验一般规模大、周期长、费用高，且现场存在不确定因素，试验不易开展.目前，针对粮食平房仓散粮堆底部压力的现场试验并不多见.鉴于粮食平房仓平面尺寸较大，能够形成大体积粮堆的特点，笔者认为大体积散粮堆能够更充分地反映粮堆的散体力学特性，将其选为试验对象具有一定的优越性.作者对散装粮平房仓粮堆底部压力进行了现场实测与分析，旨在探索散粮堆底部压力的分布特性.

1 试验方案与实施

采用压力传感器技术对粮堆底部压力进行监测，重点研究粮堆底部压力与粮堆高度之间的关系，并考虑外摩擦力对粮堆底部压力的影响，为此制定了以下试验方案：

（1）试验场地选取.经过实地调研，选取某粮库的一粮食平房仓作为试验仓，该仓平面尺寸为54 m×30 m，装粮红线高度为6 m.选取仓内靠近墙角12 m×12 m×6 m区域作为试验区，由横墙、纵墙和堆积粮包围合而成，如图1所示.

（2）确定压力传感器布置方案.以墙角为坐标原点，横墙为X轴，纵墙为Y轴建立坐标系.考虑仓壁以及粮包摩擦力对粮堆底部压力的影响，沿X向（y=6.5 m）、Y 向（x=6.5 m）和对角线方向各布置一列压力传感器，其中X向和Y向压力传感器的间距为1.5 m，具体布置详见图2.根据平面布置，测点 h1与 z1、h2与 z2、h3与 z3、h4与 z4、h6与z6、h7与z7、h8与z8与边界距离相同，可以视为等效测点（位置相当），每一组的两个测点受到的外摩擦力可以视为相同.同样状态下，对比分析时可以不计外摩擦力的影响.

（3）压力传感器选型.压力传感器的类型较多，振弦式压力传感器具有受温度影响小、抗干扰能力强等优点，是目前国内外普遍重视和广泛应用的一种传感器[6].因此，本试验选用振弦式压力传感器监测粮堆底部压力，可直接输出振弦的自振频率信号，并以此反映其感应压力的变化[7].

（4）试验过程控制与实施.如果按照常规的进粮工艺进粮，粮面将不平整，粮堆高度无法衡量.为了便于研究粮堆底部压力与粮堆高度之间的关系，采取人为干预方式分层进粮，控制粮堆高度.

试验实施过程概述：空仓时按照图2将压力传感器布置在仓底上，记录压力传感器的初始值，压力传感器现场布置情况如图3所示；将预先准备的粮包堆放在试验区外围，防止粮食外流；使用皮带机向试验区内进粮，当试验区内粮食接近预期数量时停止进粮，然后人工摊平粮面，测量粮堆高度，并记录压力传感器当前数据.

图1 试验区实景

图2 粮食平房仓底部压力传感器布置平面图

图3 压力传感器现场布置图

表1 沿X向布置（y=6.5 m)测点在不同粮堆高度下的压力 kPa

试验所选用的粮食为小麦，在这种理想工况下，前后共分7层进粮，记录的粮堆高度依次为0.4 m、1.0 m、1.9 m、3.0 m、4.0 m、5.0 m、6.0 m.

2 结果与分析

压力传感器在使用前一般应进行实验室标定以确定其率定系数K，常用标定方法有气压标定、液压标定、土介质中标定，不同的标定方法得到的率定系数可能差异较大[8].选用的振弦式压力传感器一般用于岩土工程，目前还未见在粮堆介质中标定的成熟可靠方法.作者主要考察粮堆底部压力分布趋势，压力传感器的率定系数采用实验室油压标定下的结果（厂家给定）.试验数据处理结果分别如表1、表2、表3所示，表中比值表示同样高度下粮堆底部不同位置压力的最大值与最小值之比；不同粮堆高度状态下，沿Y向、X向和对角线布置的压力传感器压力变化趋势如图4、图5、图6所示，等效测点压力对比分析结果如图7所示.

由表1、表2、表3可见：同样粮堆高度下，粮堆底部不同位置处的压力并不相同，最大值与最小值的比值在1.4～2.5范围内，该比值可以反映粮堆压力分布不均匀程度.由此可知，粮堆底部压力分布是非均匀的，不同于流体压力分布.

表2 沿Y向布置（x=6.5 m)测点在不同粮堆高度下的压力 kPa

表3 沿对角线布置测点在不同粮堆高度下的压力 kPa

图4 沿Y向布置测点的压力变化趋势

图5 沿X向布置测点的压力变化趋势

图6 沿对角线布置测点的压力变化趋势

由图4可见，同样粮堆高度状态下，压力最大值都出现在距离仓壁和粮包相对较远的中部（受摩擦力的影响相对较小），靠近墙体或粮包的两端（受摩擦力的影响相对较大）压力较小；压力最大值与最小值的差值随着粮堆高度的增加而呈现增大趋势，反映出摩擦力对粮堆底部压力分布的影响.

图7 等效测点压力对比图

图5中出现多波峰（对应压力峰值）现象，压力最大值出现在中部；图6中出现明显的双波峰现象，压力峰值并未出现在中部.与图4的单个波峰相比，图5、图6中粮堆底部压力的表现形式更为复杂，表明粮堆底部压力的影响因素不只粮堆高度和摩擦力.

由图7可见，单个测点粮堆底部压力与粮堆高度之间近似呈线性关系.总体来看，在同样粮堆高度下，仅测点h2与z2、h3与 z3压力大小吻合较好，而其余4组等效测点压力差别显著，再次表明同样粮堆高度下，粮堆底部压力的影响因素不只是摩擦力.文献[4]指出沙堆（散体介质）底部压力与其堆积过程（形成历史）有关，不同堆积方式形成的沙堆底部中心位置的压力差能达到50%.结合现场的进粮情况，出现压力峰值的地方受到了粮食从皮带机上落下时的冲击作用，形成的粮堆相对比较密实.试验结果验证了堆积过程对散体物料堆底部压力有重要影响.

3 结论

振弦式压力传感器感应压力可以反映粮堆底部压力分布和变化的趋势，可用于粮堆压力的定性分析；在理想进粮工况下，单点粮堆底部压力与粮堆高度之间为近似线性关系，同样粮堆高度下不同位置处的压力差异明显，粮堆底部压力分布整体上是非均匀的；粮堆底部压力不仅与粮堆高度、摩擦力有关，还受堆积过程的影响.

本文是对散粮堆底部压力的一次探索研究，通过实测发现了粮堆底部压力分布的部分特性，使得对粮堆底部压力的认识更加深入，也能为同类试验研究提供参考.同时，试验过程中也存在一些不足，如压力传感器的率定系数采用厂家标定值，实测压力并不能反映粮堆底部压力的真实值，尚不能对粮堆底部压力进行定量分析，在下一步的研究工作中有待改进和完善.

［1］ 粮食平房仓设计规范，GB 50320—2001［S］.

［2］ 厚美英，陆坤权.奇异的颗粒物质［J］.产业论坛，2001（2）:6-8.

［3］ 孔维姝,胡林，吴宇，等.颗粒物质中的奇异现象［J］.大学物理，2006(11):52-56.

［4］ 孙其诚，王光谦.颗粒物质力学导论［M］.北京:科学出版社，2009.

［5］ ΓК克列因.散粒体结构力学［M］.陈万佳译.北京:中国铁道出版社，1983.

［6］ 杨元才.振弦式传感器的研究［J］.水利电力机械，1991（1）:28-31.

［7］ 徐瑞兰,章模通.振弦式传感器的原理及其应用［J］.自动化仪表，1980（1）:22-27.

［8］ 陈春红，刘素锦，玉钊.土压力盒的标定［J］.中国农村水利水电，2007（2）:29-32.