12散体物料压力理论

《12散体物料压力理论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《12散体物料压力理论（122页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、12-1 历史背景 M.S.Ketchum总结了了几个早期在欧美国家进行 的实验，同时也包括他自己的几项实验。这些实 验包括实验和真实的粮仓模型，但所使用的压力 测试设备的灵敏度都不十分精确。在大多数情况 下，这些实验都没能检测出物料在流动过程中的 压力变化（高于静态值）。因此，不论是通过 Janssen还是Airy方法得到的实验结果与实际中筒 仓散体物料的压力值相近的结论都是不正确的。 然而，尽管其中的一些实验考虑了漏斗位置的变 化对于筒仓侧壁压力值的影响，但在设计中却没 有针对这一影响提出解决方案。 从1940年开始，伴随着测量技术的显著进 步，世界上许多国家又进行了很多精确度 较高的研究

2、。这些实验运用了先进的分析 方法，让人们对于筒仓散体物料在运动中 的特性有了更好的理解。同时，这些新的 实验也揭示了Janssen和Airy的方法并不十 分准确，甚至对于静态的物料也不太实用 。另外，卸料过程中的侧压力也比用他们 的方法得到的结果大很多。 本章，作者大致按照时间顺序总结介绍了 以下几项实验。12-2 Tachtamishev的实验 S.G.Tachtamishev因第一个运用全尺寸工 业筒仓进行精确实验而成名。他揭示了在 卸料过程中物料的流动类型和他们对侧压 力的影响。在1938到1939年之间， S.G.Tachtamishev在Baku(USSR)进行了一 系列关于散体物料

3、的实验，他指出，在卸 料过程中，筒壁的侧压力是运用Janssen方 法得到结果的2到3倍。 1941年，他运用混凝土筒仓又进行了砂子 和小麦的卸料实验。结果表明，在卸料过 程中，物料为砂子的筒壁侧压力值为静态 侧压力的1.65倍，小麦的也达到了1.35倍。 通过观察，他把流动分为两种基本类型。 一种叫做nondynami流动（图12-1a），这 种流动中，卸料口的上方形成了一个中心 柱，它一直延伸到物料的顶部，物料主要 沿着这个“柱子”向下流动，而周围的物料保 持不动。现在这种流动被称为漏斗或者岩 心流动。 第二种被称为dynami流动（图12-1b），特 点是筒仓内整体物料的移动。他指出，这

4、 种流动不会发生除非当仓内大部分已经空 的时候。这种流动先于第一种流动模型形 成。然而，过了一段时间之后，整体流动 就会发生，并且仓壁物料的流动要比中心 处物料的流动慢。S.G. Tachtamishev发现 ，第二种流动产生的侧压力要比第一种流 动产生的侧压力大得多。 因为第二种流动很像液体的流动，他指出 ，物料和仓壁之间的摩擦系数要比第一种 流动中的摩擦系数小（和大侧压力相对应 ）。现在，这种流动被认为是主要的流动 形式。12-3 Marel 和Ander Reimbert(法 国)的实验 通过理论和实验研究 ，Marel 和Ander Reimbert提出了很多可供在筒仓中计算侧 压力的

5、方法（他们计算动态和静态条件下 的散体物料压力方法在本书的第二章中已 经介绍）。 在1941年到1943年，Reimbert进行了deep -bin 模型实验。试验中采用了粘贴应变片。 模型有不同的类型，尺寸和高度。他进行 这个实验是在人们形成这样一种观点加 强型混凝土仓（小麦仓）不能满足要求 之后。竖向垂直裂缝在混凝土仓的上部壁 上出现并一直延伸到卸料口处。他们得出 的结论是，裂缝产生的原因是“静力学作用” ，在卸料过程中该侧压力达到最大，然而 ，最初粮仓的设计设并未考虑该因素。然 而，仓壁上部出现裂缝显得不可思议，因 为尽管上部应力比设计应力较大，裂缝也 不应该出现。 这些仓是根据Jans

6、sen的理论设计的。验证 为了该理论，Reimbert建立了圆形料仓模 型，它有两个半环状管片组成。他们依靠 足以承受侧压力的背带来平衡载荷，该侧 压力是通过Janssen公式计算得到的。在达 到物料设计高度允许值以前背带就打开了 。这就表明，通过Janssen理论计算的侧压 力小于实际值，他的计算结果只在静态中 适用。和Janssen的理论不同，我们猜测： 1、比值,侧压力和垂直压力的比值不是固 定的，是随着散料的高度和仓的形式而改 变的。 2、在矩形筒仓中，在同一高度，长边和短 边处的平均侧压力是不相等的。 3、在液压半径和深度相等的多边形和环形 仓中，平均压力也是不相同的，其大小与 仓的

7、形式有关。 1943年在巴黎，Marel 和Ander Reimbert 公布了上述发现，并提出了决定动态物料 压力大小的新理论。 从1953年后期到1954年，在Reimbert的指 导下，由Laboratories du Batiment et Travaux Publics进行了全尺寸的关于小麦 存储仓的精确实验。该实验运用电热丝的 磁带量具直接测得了仓体的环向应变。该 实验采用大的钢制玉米粒，在装料的过程 中没有出现问题，但在卸料过程中却突然 发生了严重翘曲。为了检查修复的有效性 ，在装、卸料过程中增加了对仓壁应变的 测量。chateau-landon 仓实验 筒仓的容量为1000公担

8、（100t），底为 4.1m*4.1m的正方形，高10.0m。 1953年9月，当11个粘贴应变片安装好之后 ，第一个实验就开始了。一个月之后，又 开始了有14个粘贴应变片的实验。装料和 卸料连续进行，不间断。一夜内的时间内 完成装料和卸料 通过对装料和卸料过程的对比，我们看到 ，在卸料过程中产生了很大的侧压力。卸 料过程中压力的增长值显示了以下特征（ 见图12-2）。 对比图12-2，我们可以看出，即便在同一 仓中装着同样的物料，超压系数也是不一 样的。例如，在2。2m深处，实验1和实验 2 的超压系数分别为1.39和1.69。在5.2m深 处，其系数又分别为1.76和2.39。这种极端 的

9、变化使我们没有机会可以去估计一个合 适的超压系数值。在这些被实验的仓筒中 ， 它们的上半部有严重的问题被发现，这非 常令那些专家疑惑，因为他们认为最大的 应力应该发生在仓的底部。 这些试验更加清楚的表明，在装料过程中 筒壁上的有规律可循的压力曲线可以通过 计算得到。然而，在卸料过程中，由于物 料的扰动，我们不太可能精确估计物料的 特性从而来指导筒仓的设计。Reimbert指 出，他们最近的多数实验都表明，通过动 态系数的改变来增加侧压力值。他们已经 在动态计算中引入了以下几个系数：超压 系数，偏心漏斗等其他因素。Depression柱 在小麦卸料的过程中，Reimbert提出了几 种方法来阻止

10、侧压力的增加。他们把这种 方法叫做depression column 或者anti- dynamic tube。它是一根穿孔的管子，通常 用钢材制成。这根管子通常布置在卸料口 的上方，由料斗和筒仓顶部结构支撑。当 卸料口接近或者在筒壁上的时候，它通常 也被布置在筒壁上。管框架布置在筒壁上 可以比布置在筒中心处更好的抵抗弯曲。 通过该管卸料可以很好的实现分层卸料， 物料被自上而下卸下，下部的物料保持静 止。 为了证明该装置在卸料过程中消除动态压 力的有效性，实验采用卧式槽钢结构的实 验模型和全尺寸模型。随后，Masniere的 筒仓模型，为八面体，边长6.5ft，高71.5ft 。电子粘贴应变片

11、被布置在筒壁的内侧三 个高程处，13ft，32.5ft和距离顶部65ft处。 在这个装置中，应变片被并排布置，一个 平行，一个垂直， 这样可以他们测得的结果就可以相互比较 。测得的结果表明，筒仓在卸料的过程中 ，物料的侧压力并没有增加，这与 Reimbert计算的动态结果想接近。因此可 以得出，在有anti-dynamic tube装置的筒仓 中，物料在卸的过程中是有规律的。因此 ，可以根据Reimbert的理论设计出这种类 型的筒仓。 同时，要指出的是，depression column仅 仅适用于非粘性材料。即便是对于有轻微 粘性的材料也不合适。12-4 Kim的实验（USSR） 1948

12、到1953年之间，V.S.Kim在Soviet Union进行了很多实验模型和全尺寸模型实 验，其目的是研究阻止在粮食输送过程中 的筒壁裂缝。这些裂缝被认为是在卸料过 程中的动态压力产生的。 像他的前驱Tachtamishev一样，Kim总结了 两种卸料方式：funnel和shaft type，同时 还有一个混合模型。 Kim在仓内外壁同时进行了观测。外侧的观 测方法是：在仓壁上开了一些空洞，在这 些空洞上装上玻璃片。在5个不同高度出沿 着圆周分别开了4个空洞，一共20个空洞“ 玻璃”。内部的观察则通过人在仓内进行观 察。 在funnel中，当卸料时，仓壁周围的物料不 会流动。而在物料的中部会

13、形成漏斗型流 动形式。透过玻璃观察到,在shaft flow中， 物料大规模向下流动而不会有funnel。 这些观察的结果证明了在流动类型和物料 压力之间存在着密切的关系。 在shaft中才 观察到有很大的压力增加。因此我们可以 推断，如果我们可以发现一种能够控制物 料流动的装置那么动态压力就可以避免。 Kim指出，对于funnel type of flow，在物料 和筒壁之间的摩擦系数应该很大;也就是说 ，筒的内壁应该比较粗糙。此外，应该沿 着仓的横截面均匀的装料。这样的话，底 层的物料就会因为上层物料的挤压而变得 密实。另外一个标准 是仓的高度和直径之比不应大。在浅檐仓 中，他们的比值应为

14、1.5或者更小，物料在 卸料过程中会表现出funnel-like的形式。 Kim相信以上描述只是为了确保筒仓中的流 动为funnel，但并不是说都很可靠。他说， 根据实验的结果，有两种可行的方法可以 确保funnel，尽管不考虑在筒仓壁上由于流 动造成的水平压力的增加。第一种方法是 环状方法。这种做法是在仓内壁上几个不 同高度的地方加上木质的圆环。另一种方 法是在卸料口的上 方设置穿孔的管子，这种方法来源于 Reimberts。Kim也用方形木柱仓进行了实 验。 图12-4比较了通过Kim和Janssen方法得到 的侧压力。这些数据是钢筋混凝土仓的模 型得到的，直径24ft4in，高度69ft

15、。在每一 层每个90度设置一个粘贴应变片。 曲线B是在卸料过程中粘贴应变片的数据。 在每一层，水平压力都是六个连续实验中 四个粘贴应变片数值的平均值。结果显示 ，卸料为大规模流动。曲线B 也说明，在第四层，动态压力是静态压力 的1.9倍，如果以为Janssen结果（A曲线） 是静态的压力。第五层的时候变成了1.75倍 。 C曲线表示的水平压力值是三次试验结果的 平均值，实验模型是在仓内壁上有三个圆 环的筒仓模型，直径10ft8in。（apart）。 这些平均值（funnel flow）比Janssen方法 得到的结果要小。 曲线D显示的是在卸料过程中的应变片数值 。筒仓的模型中在卸料口的上方有

16、方形的 木条（边长为4ft3in高为39ft4in）。卸料类 型为funnel。D曲线上所有的数值都比 Janssen方法的小。这些曲线显示了圆环和 方形木条在卸料过程中对于侧压力减小的 影响。 还进行了其他一些混凝土筒仓模型实验， 内直径为17ft5in，高度为108ft。图12-5显 示了该实验结果和Janssen实验结果之间关 于侧压力的差异。曲线B 的值是在卸料过程中得到的，是大规模流 动。图线的形状表明流动是不稳定的。Kim 指出，在这些实验中，筒仓模型壁上的垂 直裂缝达到了3/4in。曲线C显示了在同一模 型中在卸料过程中的压力，区别是在内壁 上安装有环状的木条。这些圆环为 8ft10in.apart。这些环没有减小动态压力值 。然而，在第四层和第二层压力出现了较 大的增加。再一次，大规模流动模型又出 现了。Kim还指出，那些木环并没有明显的 使流动变为漏斗型流动。曲线D为在卸料过 程中的数值，模型 中设置尺寸为3ft11in