含水率对小麦粮堆弹塑性力学特性的影响

不同地区粮仓中粮堆的含水率会有较大的差异,为了明确含水率对粮仓设计参数的影响,通过三轴试验研究了含水率对小麦粮堆非线性强度、临界状态和模量等的影响规律。结果表明：不同含水率下小麦粮堆的峰值强度和残余强度符合非线性强度指标的Mohr-Coulomb强度准则;参考压力（100 kPa）下峰值内摩擦角和残余内摩擦角随着含水率的增大呈线性增大,含水率每增加1%,峰值内摩擦角和残余内摩擦角分别增大0.22°和0.30°。小麦粮堆的临界状态特性符合剑桥弹塑性理论,偏应力随着平均法向应力的增大呈线性增大;峰值应力比和临界状态应力比随着含水率的增大呈线性增大;含水率每增加1%时,峰值应力比和临界状态应力比分别增大0.012和0.014。不同含水率下初始模量、割线模量与围压间可采用幂函数模型表示;参考压力下初始模量和割线模量均随着含水率的增大呈线性降低;含水率每增加1%,初始模量和割线模量分别降低0.98和0.25 MPa。     

黄土侧向变形的真三轴试验研究

保持小主应力、中主应力不变,在大主应力方向加荷是实际工程中存在的一种应力路径,就该应力路径分别对不同含水率的重塑黄土进行了几组真三轴试验,对其应力-应变关系及反映侧向变形变化规律的泊松比进行了特定条件下的研究.研究结果表明,应力-应变关系的偏差应力和初始切线模量随含水率的增大而减小,相同的偏差应力下含水率越大侧向应变就越大.在上述应力路径下剪切,中主应力方向首先压缩,但表现不明显,很快就转为膨胀,小主应力方向膨胀,泊松比可以大于0.5,且小主应力方向膨胀量大于中主应力膨胀量.     

籽棉压缩与应力松弛力学特性及模型构建

为深入研究籽棉压缩及应力松弛过程的力学特性并构建其本构模型,该研究以籽棉为研究对象开展试验,分别利用改进西原模型和五元件广义Maxwell模型对压缩和应力松弛的应力应变曲线进行描述。通过定义的本构模型对不同含水率及喂入量的籽棉力学特性试验数据结果进行参数辨识,得到相关模型参数,并探究不同因素对压缩及松弛过程应力的影响规律。研究结果表明：曲线拟合法求解籽棉压缩及应力松弛过程本构模型参数的决定系数均大于0.9,改进西原模型、五元件广义Maxwell模型可以较好地描述籽棉压缩力学特性和应力松弛特性。对籽棉压缩及应力松弛力学特性解析显示,模型参数表现出明显的应力规律：通过Duncan均值比较结果可知：籽棉压缩本构模型参数中不同含水率组间弹性模量差异均显著（P<0.05）,不同喂入量组间串联虎克体弹性模量差异显著（P<0.05）,压缩应力值与含水率、喂入量呈正相关关系;籽棉应力松弛模型参数中不同含水率及喂入量组间弹性模量及粘性模量差异均显著（P<0.05）,弹性模量、粘性模量与含水率及喂入量均呈正相关关系。籽棉压缩与应力松弛力学特性的研究可为籽棉压缩过程机理研究、模拟仿真提供理论依据,缩短机具研发过程。     

基于数字图像测量技术的豆粕剪切变形特性

为了研究豆粕在剪切过程中的变形特性,利用基于数字图像测量技术的三轴仪,开展了豆粕三轴剪切试验。考虑了围压(25~100 kPa)、孔隙率(44.8%~50.9%)及颗粒破碎对豆粕强度及变形的影响,分析豆粕的不同变形发展阶段,并提出对应的应力应变模型,获得相关的强度和变形参数。试验结果表明,豆粕试样的应力应变曲线为软化型,随着围压增大,其强度软化性增大,剪胀性却逐渐减小。相同围压下,随着试样孔隙率减小,豆粕的峰值强度逐渐增大,剪胀角也逐渐增大,剪胀性表现越明显。不同破碎程度的豆粕颗粒分析结果对比发现,破碎后的豆粕峰值剪切强度增大,体变呈完全剪缩,围压越大剪缩现象越明显,这表明颗粒破碎对强度和变形影响很大,且围压对颗粒破碎的影响比孔隙率对颗粒破碎的影响大。最后,基于局部变形结果分析,将豆粕的应力应变曲线划分为3个阶段,即破坏前、破坏和残余阶段,提出了不同阶段对应的应力应变模型,获得了其强度和变形参数,得到破坏比为0.701 6。通过研究豆粕的剪切变形特性试验结果,获得了豆粕的强度、变形规律及其本构模型,可为粮仓结构的安全设计、优化分析及粮仓储粮等进一步数值仿真建模提供基础参考数据。     

竖向压力和剪切速率对小麦直剪强度及剪胀特性的影响

为了得出粮仓设计中粮堆强度和剪胀特性等关键指标,通过直剪试验研究粮堆剪切破坏面上,在竖向压力50~300 k Pa、剪切速率0.78~2.33 mm/min条件下,小麦粮堆单元体的强度和剪胀特性。结果表明:小麦粮堆单元体剪切分为弹性、塑性变形和籽粒压缩3个阶段。小麦粮堆单元体抗剪强度符合莫尔库伦强度准则,剪切速率从0.78 mm/min增大至2.33 mm/min,咬合应力从7.5 k Pa增大至12.9 k Pa,内摩擦角从38.2°变化为35.0°,剪胀角介于5.1°~4.8°之间。弹性阶段发生剪缩,最大剪缩体变小于0.4%;塑性变形阶段发生剪胀,最大剪胀体变大于最大剪缩体变,竖向压力越大最大剪胀体变越小,剪切速率越大随着压力的增大最大剪胀体变的变化越小。研究结果可用于粮仓内粮堆应力、变形的计算,为粮食仓储结构的设计提供依据。     

玉米秸秆振动压缩过程的应力松弛试验

中国玉米秸秆资源非常丰富,由于本身松散、密度低的特点,其贮运成本较高,压缩致密是解决这一问题的最有效方法。在压缩过程中,玉米秸秆表现出的流变特性造成能耗高、压缩设备关键部件磨损严重以及生产率较低的问题,是制约其推广应用的主要瓶颈。针对这些问题,该文将振动引入玉米秸秆的压缩过程中,在自行设计的振动压缩试验系统上进行了揉碎后的玉米秸秆叠加振动与不加振动压缩应力松弛的试验研究,利用MATLAB软件的2阶指数方程对试验数据进行拟合,得到玉米秸秆振动压缩过程的2阶Maxwell应力松弛流变模型参数,其拟合度均大于0.9。基于流变模型,对应力松弛速率、应力松弛时间参数进行了分析,其结果为：压缩过程叠加振动,能够提高应力松弛速率、降低应力松弛时间以及成型块内部的残余应力,从而可降低再次压缩的压缩阻力、提高产品质量以及生产率,为解决现有成型设备高能耗低效率等问题提供了新的途径。     

苜蓿压捆过程中压缩与恢复应力传递规律

探索苜蓿在压捆过程中,由松散状态压缩成草片时在压捆室不同位置的轴向应力变化规律及传递模型。以草片为研究对象,选喂入量为4 kg/次,在草物料压捆试验台上进行了5种截面的压捆试验。每种截面布设2套压力传感装置和3个位移传感器,由基于虚拟仪器的草物料压缩测试系统采集各传感器的信号,记录了每次压缩时草片的压缩与恢复应力和位置、草片的压缩量及回弹量等数据。结果表明苜蓿在不同截面下压缩与恢复应力具有相同的传递规律,但截面尺寸影响草片的最大压缩应力和最小恢复应力的数值且为非线性关系。指出了由松散苜蓿压缩成草片所需要的压缩应力最大,是压捆机设计中的基本参数。揭示了草片最大压缩应力随位移的变化呈指数下降,在压缩室内草片(4~5个草片)的压缩应力较高,在捆草室内草片的压缩应力较低,建议压缩室长度为900~1 000 mm。草片最小恢复应力表现为随位移增加而增加,达到一定位置时随位移的增加而下降。通过回归分析,获得了苜蓿在压捆过程中压缩与恢复应力传递规律和相应的数学模型,其复相关系数均大于0.9091,说明压缩与恢复应力和草片的位置密切相关,模型回归效果较好。试验结果可为草物料压捆机的动力选择和优化设计提供基础数据和理论依据。     

储料竖向压力对粮仓中小麦粮堆湿热传递的影响

粮仓中存在压力场、温度场和湿度场等多物理场,为了得出各物理因子共同影响下的粮堆内湿热传递规律,该研究利用自行研制的粮堆多场耦合试验装置,针对仓内小麦粮堆单元体,研究在高温边界38.5 ℃、低温边界5.2 ℃,初始粮温25.8 ℃,竖向压力分别为50、100、150 kPa条件下小麦粮堆湿热传递情况。试验结果表明：竖向压力增加,粮堆孔隙率减小,热量通过粮食籽粒间传导增加,传递速率加快,竖向压力从50 kPa 增大至150 kPa,粮温较入仓时下降约0.5～1.3 ℃,温度梯度变化率达8.7%,不同压力下粮堆高温区面积随储藏时间呈幂函数减小。粮堆内湿空气在边界处累积至峰值时会有部分湿空气向粮堆内迁移。粮堆中部与靠近低温边界温差大于6.3 ℃时,粮堆内湿空气扩散加快,粮堆中部平均相对湿度下降速率随竖向压力增加而加快。研究结果可为散装粮堆多场耦合研究提供理论支持。     

油松根系抗拉应力与应变全曲线试验研究

 为探索林木根系固土力学机制,以黄土高原主要树种油松为研究对象,对其根系进行单根拉伸试验。应力与应变全曲线的理论分析和比较表明:在根系受拉后的初期阶段,荷载、应力、伸长、应变都是按比例增加,应力、应变呈直线关系。当加载超过弹性极限后,随着拉力的继续增加,根系发生塑性变形,应力与应变关系逐渐偏离直线,反映出高度非线性弹性特征。试验表明:油松根系抗拉强度与抗拉弹性模量存在极密切的相关性。根据试验结果提出根系受拉应力与应变全曲线统一数学表达式,其理论曲线与试验曲线吻合较好。     

煤矸石振陷变形特性试验研究

动荷载作用下累积轴向残余应变是煤矸石路基发生振陷变形的主要原因,利用自燃煤矸石原料制作圆柱形试件进行动三轴试验,研究了不同相对密度Dr、动荷载幅值σ_(dmax)条件下煤矸石累积轴向残余应变ε_(pa)和动模量E_d特性,建立了考虑相对密度、动荷载幅值二因素的累积轴向残余应变和动模量公式。试验结果表明:动应力小于临界动应力σ_(dcr)时,累积轴向残余应变与动荷载振次对数值log N呈线性关系,可用公式ε_(pa)=a+b log N进行计算;动应力大于临界动应力σ_(dcr)时,累积轴向残余应变呈加速增长形式;动模量随累积轴向残余应变增长而降低,呈双曲线形式;初始动模量随相对密度增加而增大。研究结果为煤矸石路基振陷变形分析提供了试验、理论依据。     

冬小麦籽粒受挤压特性的有限元分析及试验验证

为降低小麦籽粒在收获、贮藏、运输过程中的机械损伤,掌握小麦籽粒粉碎机理,运用有限元法建立小麦籽粒的力学模型,研究小麦籽粒在压缩载荷作用下的应力分布规律。在材料力学万能试验机上进行压缩试验,测得不同含水率9.1%～21.6%的小麦籽粒在3种压缩型式下的弹性模量为98.86～206.59 MPa,屈服强度为0.8～1.95 MPa,破碎负载为63.44～154.77 N,最大应变为0.71%～1.02%。结果表明：在3种压缩型式下,破碎负载、弹性模量、屈服强度随着含水率的增加均有明显下降;在同一含水率下,B型压缩时破碎负载最大,L型压缩时次之,H型压缩时最小;屈服强度和最大变形在采用B型和L型压缩时较大,在H型压缩时较小;其主要破碎形式为在腹沟位置产生裂纹。比较3种压缩型式下的试验值的和仿真值,二者最大差异是12%,验证了仿真数值解可行性。     

Modelling soil distortion during compaction for cylindrical stress load paths

A slightly modified critical-state model was formulated in order to account for the volume-change behaviour at yield and failure observed in triaxial tests on unsaturated soils. Model parameters were specified for two soils (a sandy loam and a loam), each at three different soil-moisture contents. Maximum shear strain was integrated numerically for 36 cylindrical load paths with constant confining pressure (type I) or constant mean normal stress (type II). Predicted stress-strain relationships for load paths bringing soils from a normally-consolidated to a critical state were compared with stress-strain relationships observed for identical load paths in triaxial tests of the lubricated ends variety. The agreement between predicted and observed maximum shear strain depended on type of load path and soil-moisture content. The model failed to predict maximum shear strain at stress states close to critical. The absolute difference between observed and predicted strain was on average ≤0.05 for deviatoric stresses smaller than 90% of the critical-state values. The comparable maximum differences were 0.11 and 0.07 for load-path types I and II, respectively. The largest differences were found for the largest soil-moisture contents. The type of load path had a considerable effect on sample distortion, type I giving rise to larger (predicted and observed) maximum shear strain at common stress states.     

木薯力学特性测试

木薯力学特性参数的研究,对木薯收获机械的设计、动力学仿真、数学模型建立具有重要意义。采用物理试验方法,利用中国科学院长春科新试验仪器研究所生产的WDW3100微机控制电子万能实验机,测定了华南205木薯块根、茎秆物理力学特性参数,且对数据进行了数理统计分析,结果表明,木薯块根可视为一各向同性材料,其平均轴向拉伸强度、轴向压缩强度、径向压缩强度、轴向剪切强度、径向剪切强度、抗弯强度、轴向弹性模量、径向弹性模量分别为：0.34、0.74、0.76、0.22、0.37、2.66、7.23、7.22 MPa;木薯茎秆为一各向异性材料,其平均轴向拉伸强度、轴向压缩强度、径向压缩强度、轴向剪切强度、径向剪切强度、抗弯强度、轴向弹性模量、径向弹性模量分别为：10.23、6.26、1.43、1.86、2.53、10.80、5.24、35.36 MPa。     

Influence of fabric and soil suction on the mechanical behavior of a kaolinitic clay

An empirical analysis based on data from 48 one-dimensional compression tests on specimens from 6 different fabric samples is used to examine the influence of void ratio, particle-orientation characteristics, and soil suction on the load-deformation behavior of a kaolinite clay. This is accomplished by approximating the stress—strain response with a two-coefficient hyperbola and studying the variations of these coefficients (one of which is related to the initial tangent modulus and the other to the ultimate strength) with the afore-mentioned intrinsic behavioral parameters. The results indicate that the initial tangent modulus and the strength both increase with decreasing values of the soil suction and the void ratio, but the trends more dere defenitive in the case of strength. Although the effects of particle orientation on the initial tangent modulus were not clear, its effect on the strength parameter and secant modulus was evident.     

土壤容重和含水率对紫色土坡耕地耕层抗剪强度的影响

土壤抗剪强度既可评价土壤侵蚀敏感性,也是反映耕层土壤耕作性能的重要参数。不同剪切方式下土壤抗剪强度指标存在一定差异,以紫色土坡耕地耕层土壤为研究对象,采用室内重塑土三轴及直剪试验方法,研究容重和含水率对紫色土坡耕地耕层土壤抗剪强度的影响,并分析了2种试验方法的差异性。结果表明:(1)紫色土坡耕地耕层土壤黏聚力(c)总体随容重(ρd)增大而增加,随含水率(w)增加而减小,三轴及直剪试验条件下黏聚力最大值均出现在容重1.4 g/cm^3、含水率10%水平下,分别为32.33,21.78 kPa。耕层土壤内摩擦角(φ)随容重增加而增大,随含水率增大而减小,三轴及直剪试验条件下内摩擦角最大值均出现在容重1.4 g/cm^3、含水率10%水平下,分别为22.67°,29.11°。(2)在同一围压下,耕层土壤最大主应力差随容重增加而增大,随含水率增加而减小;在同一容重和含水率水平下,耕层土壤的最大主应力差随着围压升高而增大。(3)耕层土壤容重、含水率的交互作用对黏聚力和内摩擦角影响显著(P<0.05),对坡耕地耕层土壤抗剪强度抵抗侵蚀作用的最优土壤容重-含水率条件为1.4 g/cm^3—10%。(4)不同剪切方式影响了土体抗剪强度指标,耕层土壤黏聚力在三轴试验条件下大于或接近直剪试验结果,而土壤内摩擦角则明显小于直剪试验结果,这主要与两种剪切试验原理差异有关。     

Influence of soil water on stress–strain behaviour of a compacting soil in semi-arid Kenya

Depending on the top and subsoil textures, semi-arid soils exhibit cohesive and frictional properties that are associated with the relatively high soil strength, bulk density and penetration resistance. The objective of this study was to gain the knowledge of mechanical properties of the compacting chromic luvisols in order to improve the design of tillage tools. Therefore, we applied critical state soil mechanics to study the stress–strain behaviour of the luvisols using triaxial tests under laboratory conditions. Field investigations involved random collection of undisturbed soil samples which were subjected to triaxial testing first by isotropic consolidation and compression and then triaxial shearing. Plots of deviatoric stress against axial strain were made to determine the soil shear strengths at the critical states over different soil water levels and the two soil depths of 0–20 cm for the plough and 20–40 cm for the hard pan layers, respectively. An exponential model used to fit the deviatoric stress–axial strain test data accurately predicted the trends. Soil water significantly influenced the shear strength, cohesion (c′) and internal angle of friction (′) and hence the mechanical behaviour of the luvisols. The regression equations developed showed that c′ and ′ have quadratic relationships with soil water. The very high clay bonding strength in the subsoil (hard pan) layer resulted in high shear strength, bulk density and penetration resistance values for this soil layer. The increase in shear strength with decreasing water content affected the deviatoric stress–axial strain relationships between the upper and lower plastic limits of the sandy soil. Thus, as the soil dried, the soil ceased to behave in the plastic (ductile flow) manner and thus began to break apart and crumble. The crumbling was indicative of brittle failure. The transition stage from an increase to a decrease in c′ and ′ values with soil water occurred in the soil water content range of 6–10%. Knowledge of stress–strain behaviour of compacting soils is of practical significance in the design of appropriate tillage tools for the specific soil type.     

非均匀应力场作用下圆形水工隧洞开挖与支护参数设计

引水隧洞是农业、水利等工程领域重要的地下结构,确定合理的施工参数是保证隧洞施工安全的前提。该研究基于复变函数方法,考虑开挖卸荷和围岩-衬砌相互作用影响,推导了非均匀应力场下开挖后立即支护时衬砌与围岩光滑接触条件下应力与位移的解析解,并基于最大主应力准则建立隧洞施工参数优化目标函数,以两个不同算例分别设计了隧洞的开挖尺寸和衬砌的弹性模量。研究结果表明：围岩开挖边界引起的应力集中以及衬砌内部的应力分布均与隧洞开挖尺寸、内部水压力、原岩应力场中的水平侧压力系数、围岩与衬砌的物理力学参数等有关;当水平侧压力系数大于1.00时,衬砌内最大主应力值会随着隧洞开挖尺寸的增大而增大,甚至会在衬砌内壁0°和90°处附近出现拉应力;当水平侧压力系数小于1.00时,衬砌内最大主应力值会随着衬砌材料弹性模量的增大而增大。通过分析两个算例可知,合理限制隧洞开挖尺寸、适当增加衬砌内壁处的配筋率均有利于隧洞衬砌安全;采用高强度低弹性模量的混凝土配比用于衬砌,可提高衬砌的承载能力。研究结果可为相关工程中隧洞的开挖与支护参数设计等提供理论借鉴和参考。