混凝土糧倉-糧食顆粒界面靜動力特性直剪試驗研究

郭呈周，周 飛，曾長女*

1.河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001 2.河南工業(yè)大學(xué) 人事處，河南 鄭州 450001

糧食儲備安全事關(guān)國家安危和人民幸福，糧食儲倉安全是糧食儲備安全的基本保障[1-2]。在長期儲糧糧倉中混凝土糧倉占比很大，糧倉與糧食會發(fā)生相互作用，導(dǎo)致其界面的強度變形參數(shù)發(fā)生變化，而強度變形參數(shù)是混凝土糧倉結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化分析的關(guān)鍵計算參數(shù)之一[3-9]。因此，研究糧倉與糧食顆粒界面的強度和變形特性對糧倉結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化具有重要意義。

自20世紀(jì)末，人們開始對糧食在不同接觸面上的摩擦特性進(jìn)行研究。Versavel等[10]測定了含水率為12%的小麥堆與光滑鋼板的平均摩擦系數(shù)為0.298。Coskun等[11]研究了亞麻籽在膠合板、鋁板、不銹鋼板、鍍鋅板等6種不同接觸面上的摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)亞麻籽-膠合板界面的摩擦系數(shù)最大。陸琳琳[12]研究了不同糧食(稻谷、大豆、小麥)在不同材料(混凝土板、不銹鋼板、木板)表面的摩擦系數(shù)。李萌[13]利用直剪儀，測定了不同剪切速率下小麥-鋼板界面及小麥-混凝土板等不同界面的摩擦系數(shù)。目前，直剪試驗不僅應(yīng)用于巖土工程中，而且在糧食研究領(lǐng)域的應(yīng)用也很廣泛[14-15]。張豐堯等[16]采用直剪試驗，研究大豆在不同材料界面的宏觀力學(xué)特性，并采用PFC2D軟件建立數(shù)值模型以分析細(xì)觀變形機(jī)理。曾長女等[17]設(shè)計改進(jìn)了動力加載系統(tǒng)，并利用改進(jìn)后的糧食動荷載直剪儀研究了小麥試樣在動荷載作用下的剪應(yīng)力和豎向位移變化規(guī)律。李騰龍等[18]利用改進(jìn)后的糧食動荷載直剪儀，進(jìn)行了大豆糧堆的靜力與動力剪切試驗，分析了大豆的剪切特性與動力參數(shù)。但大多數(shù)學(xué)者僅針對規(guī)范設(shè)計計算要求的參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，未能為實際工程提供全面可靠的試驗參數(shù)。實際工程中糧食可能需要經(jīng)歷運輸、裝料、卸料、地震等各種工況作用，且糧食品種多、糧倉也有不同的材質(zhì)，糧食顆粒與界面的靜動力特性等都需要進(jìn)一步深入研究?；诖耍狙芯繄F(tuán)隊開發(fā)了新型糧食直剪儀[16-17,19]，可模擬實際工況下的不同參數(shù)及其影響因素。作者利用該新型糧食直剪儀研究了混凝土糧倉-糧食顆粒界面靜動力特性，獲取了界面靜動力參數(shù)，為靜動荷載作用下糧倉設(shè)計提供計算參數(shù)；通過研究倉壁與糧食顆粒之間強度與變形特性，也為糧倉結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供參數(shù)依據(jù)。根據(jù)實際工況，設(shè)計了混凝土糧倉-糧食顆粒界面的單調(diào)直剪、往復(fù)剪切以及往復(fù)后單調(diào)直剪試驗，研究靜力儲糧，卸料、地震動荷載等不同工況下混凝土糧倉-糧食顆粒界面的強度參數(shù)和變形特征，為糧食倉儲結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化分析提供參數(shù)選取依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所采用小麥取自實倉，為河南冬小麥，含水率10.6%，容重9 kN/m3。

1.2 動荷載直剪儀

試驗采用自行研制的糧食動荷載直剪儀，該儀器增加了往復(fù)動力加載和測試系統(tǒng)，可模擬往復(fù)剪切荷載作用[20-21]，如圖1所示。試驗采用應(yīng)變控制，設(shè)置目標(biāo)剪切位移幅值，儀器以恒定速率在水平剪切面上進(jìn)行剪切，并自動記錄水平推力及豎向位移變化。

圖1 動荷載施加示意圖Fig.1 Schematic diagram of dynamic load application

1.3 試驗方案

為模擬混凝土糧倉內(nèi)儲糧不同的靜、動工況，利用糧食動荷載直剪儀進(jìn)行了單調(diào)直剪試驗、往復(fù)剪切試驗，并通過往復(fù)后單調(diào)直剪試驗探究了動荷載作用后糧倉-糧食顆粒界面的靜力特性改變情況，為工程實際提供可靠試驗參數(shù)。試驗類型及控制參數(shù)如表1所示。

表1 試驗類型及控制參數(shù)Table 1 Test scheme and control parameters

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土糧倉-糧食顆粒界面靜力特性

圖2為典型的混凝土糧倉-糧食顆粒界面單調(diào)直剪與往復(fù)后單調(diào)直剪試驗的剪應(yīng)力-剪切位移曲線。由圖2可知，隨剪切位移的增加剪應(yīng)力均呈逐漸增長趨勢，達(dá)到峰值后逐漸減小并趨于穩(wěn)定，總體呈現(xiàn)應(yīng)力軟化的趨勢。與單調(diào)直剪試驗相比，往復(fù)后單調(diào)直剪的剪應(yīng)力峰值有不同程度的提高。對比豎向壓力50、100、150 kPa及孔隙比0.641、0.569、0.496下的曲線可知，同一試驗中相同剪切位移所對應(yīng)的剪應(yīng)力隨豎向壓力的增大而增大，隨孔隙比的增大而減小。

圖2 單調(diào)直剪強度變化曲線Fig.2 Change curve of monotonic direct shear strength

由圖3可知，單調(diào)直剪試驗中，隨剪切位移的增加，豎向位移持續(xù)減小，總體呈剪縮現(xiàn)象，相同剪切位移下分別隨著豎向壓力和孔隙比的增加，豎向位移的壓縮量增大，剪縮現(xiàn)象更加明顯。往復(fù)后單調(diào)直剪試驗中豎向位移在不同的孔隙比及豎向壓力下，均呈現(xiàn)出較小的剪脹，減縮現(xiàn)象消失。

上述結(jié)果表明，在往復(fù)剪切荷載后，混凝土糧倉-糧食顆粒界面強度及變形特性有所改變，這將影響混凝土糧倉設(shè)計中倉壁側(cè)壓力的計算，基于本文的試驗數(shù)據(jù)，在考慮往復(fù)荷載作用時，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高倉壁側(cè)壓力系數(shù)。

圖3 單調(diào)直剪豎向位移變化曲線Fig.3 Vertical displacement variation curve of monotonic direct shear

2.2 混凝土糧倉-糧食顆粒界面動力特性

根據(jù)靜力試驗結(jié)果，剪應(yīng)力普遍在剪切位移7 mm處達(dá)到峰值，為了防止在動力加載過程中試樣被破壞，選取3 mm作為往復(fù)剪切試驗的位移幅值進(jìn)行了10次試驗。

圖4為混凝土糧倉-糧食顆粒界面在50、100、150 kPa豎向壓力下第1、5、10圈的剪應(yīng)力-剪切位移曲線，小麥的孔隙比為0.569。由圖4可知，在不同豎向壓力下，界面的剪應(yīng)力-剪切位移曲線總體上呈“梭形”，具有較好的對稱性。且相同豎向壓力下，在第1圈往復(fù)后的往復(fù)剪應(yīng)力相比初始往復(fù)剪應(yīng)力明顯有所提高，原因是小麥在剪切過程中隨著剪切位移的增加而出現(xiàn)顆粒間翻越、滾動等順序排列的情況。但在后面的往復(fù)次數(shù)影響下，界面峰值強度基本穩(wěn)定，往復(fù)次數(shù)的影響可以忽略。相同往復(fù)次數(shù)下，隨著豎向壓力增加，剪應(yīng)力與剪應(yīng)變曲線剪應(yīng)力峰值及滯回圈面積均隨之增加。當(dāng)豎向壓力為50、100、150 kPa時，往復(fù)剪應(yīng)力峰值穩(wěn)定值分別為21.5、41.8、56.3 kPa。

圖4 往復(fù)荷載作用下混凝土糧倉-糧食顆粒界面剪應(yīng)力-剪切位移曲線Fig.4 Shear stress-shear displacement curve of concrete granary-grain particle interface under reciprocating load

為進(jìn)一步探究往復(fù)剪切過程對界面剪切強度的影響，繪制孔隙比0.569、豎向壓力100 kPa往復(fù)荷載作用下每周往復(fù)剪應(yīng)力峰值-往復(fù)次數(shù)曲線(圖5)。由圖5可知，隨著往復(fù)次數(shù)的增加，剪應(yīng)力峰值也隨之增加。往復(fù)次數(shù)較少時，剪應(yīng)力峰值增長較快，當(dāng)往復(fù)次數(shù)達(dá)到第6次后，剪應(yīng)力峰值趨于穩(wěn)定。

圖5 往復(fù)荷載作用下每周剪應(yīng)力峰值-往復(fù) 次數(shù)曲線Fig.5 Weekly peak shear stress-reciprocation frequency curve under reciprocating load

圖6為界面在3種豎向壓力下的豎向位移-剪切位移曲線，其中小麥孔隙比為0.569。由圖6可知，在往復(fù)加載階段，不同豎向壓力作用下試樣整體出現(xiàn)不同程度的剪縮現(xiàn)象，但每一周都有很小的剪脹現(xiàn)象發(fā)生，隨著往復(fù)次數(shù)的增加，剪脹發(fā)生的越小。這表明界面處顆粒發(fā)生翻越、滾動的現(xiàn)象越來越少，試樣整體趨于逐步密實穩(wěn)定狀態(tài)。豎向壓力越大，其界面出現(xiàn)的剪縮量越大。當(dāng)豎向壓力為50、100、150 kPa時，往復(fù)加載時界面的最大變形量分別為0.94、1.07、1.41 mm。豎向位移曲線的規(guī)律與上述剪應(yīng)力曲線規(guī)律表現(xiàn)一致，表明隨著往復(fù)荷載的施加，試樣逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 強度變形參數(shù)分析

圖7為50、100、150 kPa豎向壓力下單調(diào)直剪試驗與往復(fù)后單調(diào)直剪試驗的混凝土糧倉-糧食顆粒界面剪應(yīng)力峰值。采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則獲得混凝土糧倉-糧食顆粒界面的強度參數(shù)，如表2所示。由表2可知，往復(fù)后單調(diào)直剪的內(nèi)摩擦角與黏聚力均高于單調(diào)直剪，在3種孔隙比下平均提高了1.20°和3.32 kPa。隨孔隙比的減小，界面單調(diào)直剪和往復(fù)后單調(diào)直剪內(nèi)摩擦角和黏聚力均增加。

動剪切模量(G)與阻尼比(D)是反映糧食剪切面抵抗剪切變形與能量損失的重要參數(shù)。根據(jù)圖8往復(fù)應(yīng)力-剪切位移滯回曲線及式(1)、式(2)可計算G與D。

圖6 往復(fù)荷載作用下混凝土糧倉-糧食顆粒界面豎向位移-剪切位移曲線Fig.6 Vertical displacement-shear displacement curve of concrete granary-grain particle interface under reciprocating load

圖7 不同孔隙比及不同壓力下的剪應(yīng)力峰值Fig.7 Maxium shearing stress under different void ratios and different pressures

表2 界面的內(nèi)摩擦角及黏聚力Table 2 Summary of internal friction angle and cohesion

圖8 往復(fù)應(yīng)力-剪切位移滯回曲線Fig.8 Reciprocating stress-shear displacement hysteresis curve

(1)

式中：G1和G2為正、負(fù)兩個剪切方向上的動剪切模量，kPa/mm；Δa為往復(fù)剪切位移幅值，mm。

(2)

式中：D1和D2為正、負(fù)兩個剪切方向上的阻尼比；A為整個滯回圈的面積，mm2；A1和A2為圖8所標(biāo)陰影部分的面積，mm2;1和2為正、負(fù)兩個剪切方向上的峰值強度，kPa。

圖9為孔隙比0.569條件下，動剪切模量和阻尼比隨往復(fù)周數(shù)的發(fā)展曲線，從圖9a可以看出，3種豎向壓力50、100、150 kPa下的動剪切模量隨往復(fù)周數(shù)的增加而增加，其變化范圍分別為7.39～8.44 kPa/mm、11.70～13.12 kPa/mm、16.97～18.15 kPa/mm，表明在往復(fù)剪切過程中混凝土糧倉-糧食顆粒界面呈現(xiàn)往復(fù)剪切硬化特征，而且相同往復(fù)周數(shù)對應(yīng)的動剪切模量隨豎向壓力的增大而增大。由圖9b可知，豎向壓力越大，同一往復(fù)周數(shù)下的界面阻尼比越小。3種豎向壓力下，阻尼比均逐漸減小并趨于穩(wěn)定，在第1次往復(fù)剪切完成后，50、100、150 kPa下阻尼比分別為0.47、0.44、0.42，而歷經(jīng)10次往復(fù)剪切后的最終穩(wěn)定值分別為0.44、0.43、0.40，依次減小了0.03、0.01、0.02，說明混凝土糧倉-糧食顆粒界面在往復(fù)荷載作用下，往復(fù)周數(shù)對界面的安全性和穩(wěn)定性具有一定的影響，在混凝土糧倉設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意這一現(xiàn)象。

圖9 動剪切模量與阻尼比變化曲線Fig.9 Variation curve of dynamic shear modulus and damping ratio

3 結(jié)論

通過對混凝土糧倉-糧食顆粒界面的單調(diào)直剪試驗、往復(fù)剪切試驗以及往復(fù)后單調(diào)直剪試驗，研究了混凝土糧倉-糧食顆粒界面的強度、變形靜動力特性，獲得了其強度、變形參數(shù)、動剪切模量、阻尼比等變化規(guī)律，試驗結(jié)果為混凝土糧倉結(jié)構(gòu)靜動力荷載作用下的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供試驗參數(shù)。

混凝土糧倉-糧食顆粒界面單調(diào)直剪的剪應(yīng)力與豎向應(yīng)力呈正相關(guān)，與孔隙比為負(fù)相關(guān)。單調(diào)直剪試驗試樣在剪切過程中呈剪縮現(xiàn)象，豎向壓力和孔隙比的增大，均會使剪縮量增加。往復(fù)后單調(diào)直剪的剪應(yīng)力峰值較單調(diào)直剪更大，試樣的剪縮現(xiàn)象消失，內(nèi)摩擦角與黏聚力均高于單調(diào)直剪，平均增加量分別為1.20°和3.32 kPa，表明反復(fù)往復(fù)剪切后強度有所增加，實際設(shè)計時如采用擬靜態(tài)法應(yīng)對相應(yīng)強度參數(shù)進(jìn)行提高。

往復(fù)剪切試驗下，混凝土糧倉-糧食顆粒界面剪應(yīng)力峰值隨著往復(fù)周數(shù)增加而逐步提高并最終穩(wěn)定，相同往復(fù)周數(shù)下的剪應(yīng)力峰值與豎向壓力呈正相關(guān)，與孔隙比呈負(fù)相關(guān)。小麥試樣在往復(fù)過程中呈現(xiàn)剪縮，最終剪縮量隨豎向壓力的增大而增大。

往復(fù)剪切過程中，動剪切模量隨往復(fù)周數(shù)的增加而增大，變化范圍為7.39～18.15 kPa/mm，阻尼比逐漸減小并趨于穩(wěn)定，變化范圍為0.40～0.47。