含水率對玉米糧堆強度和模量的影響研究

劉文磊，陳桂香，蔣敏敏，陳家豪

河南工業(yè)大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001

玉米作為我國主要的糧食與經(jīng)濟作物之一，對其運輸和儲藏要求較嚴格。玉米在運輸、儲藏和加工過程中都會受到碰撞與摩擦，玉米糧堆內(nèi)部應力增加。玉米的內(nèi)摩擦角、模量特性等是糧倉結構設計和模擬糧堆裝卸時壓力分布的重要力學參數(shù)。國內(nèi)外學者利用土工試驗中的三軸試驗儀研究糧堆的力學參數(shù)，對各種糧堆的應力-應變關系、強度特性、壓縮特性等進行了系統(tǒng)研究。許啟鏗等[1]利用三軸試驗分析了小麥的應力-應變關系以及彈性模量等力學參數(shù)，得出了小麥應力-應變曲線分為4個階段并擬合出了圍壓與彈性模量關系式。曾長女等[2]通過試驗研究了含水率、孔隙率對小麥強度特性及力學參數(shù)的影響,結果表明,隨著含水率的增加，小麥內(nèi)摩擦角φ與黏聚力c均增加；隨著孔隙率增加，c和φ都降低。蔣敏敏等[3]通過對比試驗，得出了小麥糧堆在不同應力路徑下的模量特性與應力-應變關系的修正三次曲線模型。Mohamed等[4]通過對比兩個不同品種玉米籽粒在不同含水率下的壓縮試驗，得到了彈性模量、最大壓、破裂能等機械性能，同時也得到了玉米籽粒應力-應變與模量特性等力學性質(zhì)。Balastreire等[5]進行了玉米胚乳的力學性能壓縮破裂試驗，結果表明，玉米籽粒含水率增大時，玉米胚乳彎曲松弛模量減小。周文秀[6]根據(jù)斜面力學法原理自制實驗平臺,對玉米籽粒的靜摩擦系數(shù)進行了測定，得出玉米籽粒的靜摩擦系數(shù)與籽粒形狀有關，球形玉米籽粒的靜摩擦系數(shù)最小，錐形玉米籽粒靜摩擦系數(shù)最大。高夢瑤等[7]利用質(zhì)構儀研究了玉米籽粒破壞特性與含水率的關系，得到了玉米籽粒破壞力、表觀彈性模量、破壞應力與玉米籽粒含水率的關系模型。張燁等[8]對不同品種玉米籽粒進行壓縮試驗，研究了含水率對玉米籽粒破裂力與應變的影響，結果表明，隨著含水率增加，破裂力與應變呈線性增長，建立了不同品種玉米籽粒的力學特性模型。袁月明等[9]通過對玉米籽粒的壓縮試驗，得出玉米籽粒在沿三軸方向擠壓時,其破裂力顯著不同，同時對比了含水率對不同品種玉米籽粒變形與破裂力的影響，隨著含水率的增加，強度極限明顯降低。程緒鐸等[10]利用三軸試驗，通過多次加壓和卸壓研究得出圍壓和含水率、玉米糧堆彈性模量的關系。

國內(nèi)對玉米籽粒壓縮特性研究較多，但對玉米糧堆的壓縮特性以及力學參數(shù)研究尚少。作者針對玉米糧堆進行三軸試驗，研究玉米糧堆在不同含水率、不同圍壓下的應力-應變關系，從而得出玉米糧堆內(nèi)摩擦角φ、黏聚力c以及初始彈性模量等力學參數(shù)特性。

1 三軸壓縮試驗概況

1.1 試驗材料

試樣選用河南產(chǎn)玉米，顆粒呈扁形，大小比較均勻。選取50粒玉米，籽粒最長邊為9.21 mm，最短邊為4.86 mm，根據(jù)《糧食、油料檢驗水分測定法》(GB/T 5497—1985)[11]，將玉米顆粒在105 ℃烘干后,測定其含水率為11.37%。在此玉米顆粒樣品中加入一定量水分，使其均勻吸收，制備出另外兩組不同含水率的玉米試樣，含水率分別為14.56%和17.24%。

根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)[12]對土體三軸壓縮試驗的尺寸要求：土體三軸試樣為圓柱形，高度H與直徑D之比(H/D) 應為2.0～2.5。試樣為散粒體顆粒，d<0.1D(d為粒徑)，D選61.8 mm，H為130 mm。

1.2 試驗設備及原理

采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TKA-TTS-3型全自動三軸儀進行試驗，三軸儀結構如圖1所示。

圖1 三軸儀結構示意圖

全自動三軸儀核心部分是三軸壓力室，還包括軸壓系統(tǒng)、周圍壓力測量系統(tǒng)、體積變化與孔隙壓力測試系統(tǒng)等。三軸試驗是在恒定的目標圍壓作用下，通過加載桿不斷增大軸向附加壓力，直至試樣被破壞。開始試驗時，通過軸壓系統(tǒng)對試樣施加軸向壓力，利用位移計記錄位移變化，向壓力室內(nèi)注水，根據(jù)試驗所需壓力調(diào)節(jié)儀器對試樣施加圍壓。利用控制軟件調(diào)節(jié)和記錄試樣軸向位移與偏應力等參數(shù)。

1.3 試驗過程

用皮筋將橡皮膜固定在壓力室底座上，套上承模筒，使橡皮膜緊貼在承模筒上。分5層均勻裝入稱量好的玉米顆粒并壓實，調(diào)節(jié)底座使試樣與上部軸壓桿剛好接觸。再向壓力室內(nèi)注滿水，調(diào)節(jié)升降臺使荷重傳感器與軸壓桿接觸。

采用標準三軸試驗，根據(jù)糧食在筒倉內(nèi)的儲存狀況，可知糧倉內(nèi)玉米所受的壓力與筒倉深度有關，倉內(nèi)最大深度處壓力在200～300 kPa之間。試驗設置的目標圍壓為50、100、150、200、250、300 kPa。采取固結不排水試驗，試驗過程分為固結與剪切兩個階段。在固結階段對6組試樣施加圍壓，使其達到目標圍壓為止。在剪切階段保持圍壓不變，施加軸向壓力，采用的剪切速率為0.24 mm/min,當試樣軸向應變?yōu)?0%時停止試驗。

2 結果與分析

本試驗配置了3種不同含水率(11.37%、14.56%、17.24%)的玉米試樣，進行不同圍壓條件下的三軸試驗，通過對比得出玉米糧堆力學參數(shù)關系。

2.1 玉米應力-應變關系

不同含水率下玉米糧堆三軸壓縮的應力-應變曲線如圖2所示?？梢娖珣﹄S著軸向應變的增加呈線性增加，試樣處于彈性變形階段；當軸向應變繼續(xù)增加，試樣出現(xiàn)明顯剪切變形，應力-應變關系呈非線性增加，試樣逐漸處于強化階段；隨著軸向應變繼續(xù)增加，玉米試樣發(fā)生塑性破壞，此時偏應力基本不變，變形曲線平穩(wěn)，試樣處于破壞階段。

注：σ1為軸向應力;σ3為圍壓；ω為含水率。

在同一含水率下目標圍壓對試樣的應力-應變曲線有很大影響，對比目標圍壓為50、100、150、200、250、300 kPa的玉米試樣，可知，隨著目標圍壓增加，變形曲線斜率逐漸增大，偏應力也增加。圍壓越大，玉米顆粒間重新排列更加迅速與密實，使得試樣初始斜率越大，屈服時偏應力也越大。

含水率對玉米糧堆的應力-應變關系也有明顯影響，不同含水率下玉米糧堆表現(xiàn)出的應力-應變規(guī)律不同。由圖2可知，在不同含水率下，各圍壓對應的玉米糧堆應力-應變曲線峰值強度不同，曲線整體呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，但含水率高的試樣對應的強度峰值高，顆粒間承受剪切力的能力強。不同含水率下偏應力達到峰值后會保持恒定或有一定程度的下降，此時試樣處于破壞狀態(tài)，不能繼續(xù)承受軸向壓力。結果表明玉米糧堆含水率不同對其強度特性有較大影響。

2.2 玉米糧堆的強度參數(shù)

玉米糧堆應力-應變關系符合雙曲線模型。一般認為玉米試樣破壞符合土體的莫爾-庫倫準則，玉米糧堆的強度參數(shù)可以通過繪制莫爾-庫倫強度包絡線獲得。莫爾-庫倫強度理論公式為：τ=c+σtanφ, 其中，τ為切向應力。

取應力-應變曲線上偏應力最大點作為試樣破壞點，表1為含水率與圍壓變化時，試樣破壞對應的軸向應力σ1f。根據(jù)巖土體材料強度參數(shù)的確定方法，以σ1f作為橫坐標，τ作為縱坐標建立平面直角坐標系，并在橫坐標上以(σ1f+σ3)/2為圓心，(σ1f-σ3)/2為半徑，分別繪制出不同含水率下玉米糧堆總應力莫爾圓，做出各圓的包絡線。包絡線與橫軸的夾角為內(nèi)摩擦角φ，包絡線在縱軸的截距為表觀黏聚力c，約為0 kPa。 圖3為不同含水率對應的玉米糧堆莫爾圓與包絡線。

圖3 不同含水率玉米糧堆對應的莫爾圓與包絡線

表1 不同含水率、圍壓下玉米試樣破壞點的軸向應力

玉米糧堆內(nèi)摩擦角與含水率近似呈線性關系，結果如圖4所示。隨著含水率(11.37%～17.24%)增大，玉米糧堆內(nèi)摩擦角φ(23.17°～27.63°)也逐漸增大。玉米糧堆含水率越大，玉米顆粒體積越大，試樣排列更加緊密，同時含水率大也導致顆粒表面之間粗糙程度大，顆粒間內(nèi)摩擦角增加。

圖4 玉米糧堆內(nèi)摩擦角與含水率的關系

2.3 玉米糧堆的彈性模量

圖5 不同含水率玉米糧堆的彈性模量與圍壓關系

由圖5可知，隨著目標圍壓的增大，玉米糧堆彈性模量增大。糧堆內(nèi)摩擦角與含水率近似呈線性增長，不同含水率下玉米糧堆彈性模量與圍壓之間的變化與之相似。彈性模量與圍壓之間可擬合方程為：E=aσ+b，其中a、b為與含水率有關的參數(shù)，含水率不同對應的參數(shù)也不同，方程中a、b的值如表2所示。

表2 不同含水率下方程中a、b值

在同一含水率下，玉米糧堆彈性模量與目標圍壓有關，圍壓越大糧堆彈性模量越大。對于本試驗研究的含水率為11.37%～17.24%玉米試樣，目標圍壓在50～300 kPa之間變化，得到的玉米堆彈性模量在152.45～1 742.27 kPa之間。

將本試驗得到的玉米糧堆彈性模量(A組)與程緒鐸[9]的結果(B組)進行對比，選取一組相近含水率的試驗結果，由表3可知，A組與B組得到的彈性模量相差不大。試驗結果能正確反映出玉米糧堆彈性模量特性。

表3 玉米糧堆彈性模量對比

3 結論

通過三軸壓縮試驗得到了不同含水率玉米糧堆的應力-應變關系曲線。隨著軸向應變的增加，偏應力也增加，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。不同含水率下應力-應變曲線變化相似，含水率高的對應的強度峰值高。在同一含水率下目標圍壓對試樣的應力-應變曲線有很大影響，圍壓越大，對應的偏應力值也越大。玉米糧堆含水率對內(nèi)摩擦角有較大影響，含水率越大玉米顆粒間的內(nèi)摩擦角越大，玉米糧堆內(nèi)摩擦角與含水率的關系式：φ=0.734 3ω+14.153 。

玉米糧堆含水率對彈性模量有較大影響，隨著含水率的增大彈性模量逐漸減小。在同一含水率下，圍壓越大糧堆彈性模量越大，彈性模量與圍壓之間呈線性關系。含水率為11.37%～17.24%，目標圍壓為50～300 kPa，得到的玉米糧堆彈性模量范圍在152.45～1 742.27 kPa之間。