不同粮食堆积状态下平房仓壁侧压力实验研究

◎ 李坤由，王江月，孙慧男

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001）

粮食安全问题是国家安全的重要基础。随着粮食单位面积产量的逐年上升，粮食安全储藏问题日益突出。目前用于储藏的仓型有很多种，主要包括平房仓、浅圆仓、立筒仓等，其中平房仓因其造价低、使用方便、密闭性好等特点成为目前最常用的仓房[1]。决定仓房是否符合安全储藏要求的关键点之一就是粮堆底部压力和仓房侧压力是否满足仓房的结构设计要求。

国内外学者针对粮堆底部压力和侧压力进行了一系列的理论计算、仿真模拟及实验研究[2-10]。COULOMB和RANKINE[2]分别对假定的均匀各向同性无黏性土和假定的无限延伸土体进行研究，得出计算粮食侧压力的Coulomb理论和Rankine理论。然而，由于粮堆在仓房内的有限性和黏聚性，仓房压力还需进一步验证计算。HANDY[3]通过对两侧有挡土墙的有限土体进行分析，说明有限土体与无限延伸土体理论之间的差异，得出墙体在有限土体的作用下静止侧压力的系数取值。刘永超[4]和陈家豪等[5]通过压力传感器对高大平房仓底部静止压力进行一系列的实验研究，得出平房仓底部压力分布不均匀度随着粮堆高度的增大而增大，且远离仓壁的压力小，靠近仓壁的压力大。王森等[6]通过模拟实验对高大平房仓壁侧压力进行分析，结果表明，贮料的重力密度是影响平房仓仓壁侧压力的重要因素。陈桂香等[7]通过FLAC软件平台模拟分析了仓型尺寸和粮堆高度对粮堆底部压力分布、侧压力分布及摩擦力的影响。结果发现，在仓型尺寸不变的情况下，装粮高度的增加会导致粮堆底部压力分布不均匀度增大；在粮堆高度一定的情况下，仓型尺寸的增大会导致粮堆侧压力和仓壁摩擦力增大。此外，国内外学者对筒仓侧压力也开展了深入的研究[11-21]。BROWN等[11]通过实验探究了在装料、储藏和卸料3种情况下方形筒仓壁的侧压力分布及变化情况。实验物料为大豆和砂。结果表明，在装料阶段，堆积高度增加，竖向压力增大侧压力减小；在储藏阶段，同一高度仓壁中间位置静止侧压力较小，仓壁和漏斗连接处侧压力最大；在卸料阶段，随着物料的卸出，竖向压力减小侧压力增大。LEI等[12]通过实验研究了平地筒仓壁侧压力随筒仓深度位置的变化。通过分析假定摩擦系数和水平应力与垂直应力之比随深度位置变化，得到计算筒仓侧压力的新型理论 模型。

平房仓壁侧压力的研究对平房仓结构设计优化及粮食储藏安全问题具有重要意义。然而目前研究主要集中在筒仓仓壁压力分析上，针对不同粮食堆积工况下平房仓壁静止侧压力的研究还比较少，且平房仓壁结构设计大多数按照设计规范[22]进行理论计算，针对理论计算值与实验数据的对比分析较少，不利于平房仓结构设计的优化。因此，本文通过现场实验，研究分析在粮食自由堆积工况、台阶堆粮工况及平仓堆积工况下平房仓壁静止侧压力的变化情况，并针对各堆形对应的理论计算值与现场实验测量值进行对比分析，探究粮食堆积状态对平房仓壁侧压力影响及理论值与实验值的差异。

1 材料与方法

1.1 实验目的与仓房概况

为研究平房仓侧壁压力的分布情况，得出在不同粮食堆积方式下，实验仓壁侧压力随计算截面高度的变化，对比分析不同堆形下理论计算值与实验测量数据之间的差异。本研究选择在平房仓实验仓内开展实验，通过在实验仓侧壁上设置压力传感器，对粮食侧压力进行测量。该实验仓高为9 m，最大装粮高度为 6 m。本实验所用的测试粮食品种为小麦。

1.2 仪器设备的选型与布置

1.2.1 传感器的选型

针对压力传感器的选型，目前市面上压力传感器种类繁多，包括应变式、振弦式、光电式等。综合考虑，本实验选用南京基泰土木工程仪器有限公司的VSP520S界面式土压力盒。该类振弦式传感器的直径为120 mm，有效接触面积为66.44 m2，测量范围为0～0.3 MPa，满足本实验的使用要求。

1.2.2 传感器的布置与安装

本实验测试墙选择仓房门的对侧墙，该测试墙的尺寸为5.2 m×9.0 m，装粮线高为6 m，在垂直方向布置选用的振弦式传感器。为保证实验的准确性，避免因传感器失效而造成的无效实验数据，在仓房侧壁同一高度布置相同的两个传感器。传感器布置位置如图1所示，测试墙壁上共布置垂直方向间隔550 mm，水平方向间隔1 273.5 mm的12个传感器，最低位置的 2个传感器距仓房底部高度为137.5 mm，最高位置的2个传感器距仓房底部高度为2 887.6 mm。

传感器安装前，先对实验仓进行空仓处理。在确保空仓后，通过建筑用固体胶将传感器粘贴在其对应的测点位置，并用钢丝绳将其吊挂在距地面5 m的横梁上，确保传感器位置不会因粮堆作用而移位，保证实验结果的准确性。每个传感器的电缆线利用胶带固定在测试墙体上，避免因粮堆作用造成电缆拉扯，从而产生传感器的移位。同时，以装粮线为基准向下布置两条位置线，以供装粮后测量实际装粮高度用。

图1 传感器的布置与安装示意图

1.3 侧压力数据的采集

VSP520型压力传感器数字输出数据为模数（F），可根据以下公式计算压力值：

式中：K为压力传感器标定系数，kPa·F-1；Fi为传感器负载后输出的模数值；F0为传感器空载时输出的初始模数值。

传感器全部安装完成后，首先在空仓状态下进行数据采集，每24 h采集2次，记录压力传感器的初始测量模数，计算测量数据的平均值为传感器初始模数值。具体传感器测量模数值如表1所示，其中C1～C4分别表示第1～4次数据采集结果。

表1 压力传感器初始模数值表

为便于研究不同堆积工况下仓房侧压力的变化情况，实验采用粮食自由下落的进粮方式作业。在装仓完成后对自然堆积工况下的粮堆最大高度进行测量，并按照空载状态的数据采集频率，读取该工况下传感器的模数值。自由堆积工况测量读取完成后，对自由堆积的粮堆进行台阶式堆粮处理，测量台阶堆粮工况下的传感器数据，得到该工况下传感器的模数值。最后对仓内粮堆进行平仓处理，按照前2个工况的方式进行传感器读数及装粮线高度测量。3种粮食堆积状态如图2所示。整个实验过程共包括3种堆形工况，每个堆形工况包含4组压力数据。通过式（1）计算得出平房仓侧压力实验数据，并对其进行数据分析。

图2 不同粮食堆积状态图

2 结果与分析

2.1 不同堆积工况下平房仓侧压力的变化情况

从图3可以看出，在同一高度的左右侧传感器所监测到的数据并不相同，表明仓壁侧压力对粮堆高度的导数不是常数，同一高度实验仓侧壁压力不均，说明在粮堆作用下的平房仓壁受力情况复杂。对于3种粮食堆积工况，随着仓壁计算截面高度的增加，平房仓壁侧压力的变化均呈现波动状态。对于左侧传感器，当计算截面高度小于1.2 m时，侧压力随高度增加而线性增加；当高度大于1.2 m小于2.3 m时，侧压力值随高度的增加而线性减小；当高度大于2.3 m时，侧压力随高度的增加而增加。对于右侧传感器，当计算截面高度小于0.6 m时，侧压力随高度的增加而减小；当高度大于0.6 m小于1.7 m时，侧压力随高度的增加而增加；当高度大于1.7 m小于2.3 m时，侧压力随高度增加而减小；当高度大于2.3 m时，台阶式堆积状态及平仓式堆积状态下的侧压力基本呈增加趋势，自由堆积状态侧压力减小。通过分析左右侧压力的变化情况，表明即使在粮食静止的状态下，其对平房仓侧壁的压力分布仍然是复杂且不规律的，不能单纯对其进行线性分析。同时，从图3（a）和（b）中还可以发现，随着粮堆在平房仓内储藏时间的增加，在同一粮堆高度的平房仓粮食侧压力逐渐减小，这是因为粮堆状态在入料初期并不稳定，且储藏时间会影响粮食的压缩特性。

图3 不同堆形状态下平房仓粮食侧压力在左侧及右侧传感器的变化情况图

对比不同堆形状态下的侧压力测试平均值变化，如图4所示，发现在相同重量的粮食作用下，粮食堆形对仓壁各高度侧压力的影响不明显，这说明粮食堆形不是影响仓壁侧压力的主要因素。因此，在粮食安全储藏的基础上，可以通过改变平房仓内粮食的堆形来实现容积占用最大化，提高粮食储藏效率。

图4 不同堆形状态下平房仓粮食侧压力测试平均值的 变化情况图

2.2 理论计算

目前，在实际工程应用方面，平房仓侧壁所受压力大多数参照《粮食平房仓设计规范》（GB 50320—2014） 进行计算，计算公式为：

当h1=0时，α=0、ξ=0，则：

式中：Ph为深度s处粮食对仓壁单位面积上的水平压力标准值，kN·m-2；s为粮食水平面与仓壁交点至计算截面的高度，m；β为粮食滑动楔体的滑动面与墙面的夹角，°；ϕ为粮食内摩擦角，°；α为加堆的斜面与水平面的夹角，自然堆积时与粮食的自然休止角相同，°；δ为粮食对灰砂粉刷面的外摩擦角，°；γ为粮食重力密度，kN·m-2；h1为粮食加堆的高度，m；h2为靠墙面的高度，m。

通过以上公式分别计算出台阶式堆积工况和平仓式堆积工况下实验仓对应计算截面高度的侧压力，进行对比分析。

2.3 不同堆形工况下实验数据与理论计算值对比分析

从图5可以看出，对于理论计算值，随着计算截面高度的增加，台阶式堆积工况和平仓式堆积工况下的粮食侧压力均呈现线性递减的趋势。二者随高度增加而递减的速率不同，平仓式堆积工况的递减速率大于台阶式堆积工况。并且，在同一计算截面高度，台阶式堆积工况的理论计算值大于平仓式工况的理论计算值。

对比平仓式堆积工况的实验值与理论值，当高度大于1.2 m时，平仓式堆形状态下的实验值与理论值变化较为接近，当高度小于1.2 m时，实验值与理论值的差异较大。在计算截面高度为2.8 m处，平房仓粮食侧压力的实验值大于其对应的理论计算值，其余测量高度位置处的侧压力均小于其对应的理论计算值。这表明，依据《粮食平房仓设计规范》（GB 50320—2014） 设计的粮仓壁侧压力2.33 m以下满足实际使用要求，在2.8 m处的设计不满足实际使用要求。

图5 台阶式堆形状态及平仓式堆积状态下平房仓侧压力理论值与实验值的对比图

对比台阶式堆积工况的实验值与理论值，发现二者的计算偏差较大，台阶式堆积工况的理论计算值远大于实验测量值。

从以上分析可以得出，在实际工程应用中，平房仓所受的粮食压力是复杂且不均匀的，并非设计规范中理论计算的单因素关系。这是因为粮仓中粮堆的压力分布不仅与粮堆高度有关，还与粮食的密度、内摩擦角、外摩擦角等力学参数有很大的关系。

3 结论

本文针对自由堆积状态、台阶式堆积状态及平仓式堆积状态下平房仓壁静止侧压力进行一系列的实验研究，探究粮食堆形对平房仓静止侧压力的影响，分析比对设计规范理论计算值与实验值之间的差异，得出以下结论。

（1）在相同重量的粮食作用下，改变粮食的堆积状态和形状对平房仓壁侧压力的影响不大。因此，在满足粮食安全储藏要求的情况下，可以对粮食堆形状态进行改良优化，实现平房仓容积占用最大化，提高粮食储藏的效率。

（2）同一高度的粮食侧压力实验值不同，平房仓壁所受粮食侧压力不均匀，这说明仓壁所受侧压力与粮堆高度并非设计规范中理论计算的单因素关系。

（3）分析比对各堆形状态下理论计算值与实验值，在平仓式堆形工况下，当高度大于1.2 m时，平房仓侧压力实验值与其对应的理论值接近，当高度小于1.2 m时，实验值与其对应的理论值偏差更大。在台阶式堆形工况下，所有计算截面高度的平房仓侧压力实验值都远小于其对应的理论值，二者偏差较大。