静动荷载作用下小麦剪切特性试验研究

为研究静动载荷作用下的粮食剪切特性,利用开发的新型粮食动直剪仪,设计了孔隙率为39%、36%、33%以及竖向压力为50、100、150、200k Pa下的小麦单调直剪、往复剪切及往复后单调直剪试验,研究了小麦静动力剪切特性,并对比分析了小麦单调直剪与往复后单调直剪的强度、变形结果。研究结果表明:单调直剪试验中,同一孔隙率下,竖向压力越大,其软化现象越明显,剪胀现象越不明显,剪胀角越小,竖向压力为50、100、150、200k Pa下对应的剪胀角分别为4.5°、3.6°、2.4°、0.7°;同一竖向压力下,随着小麦孔隙率减小,其软化现象越明显,内摩擦角也越大,孔隙率为39%、36%、33%的小麦对应的内摩擦角分别为22.2°、24.4°、28.1°。剪胀角也随着小麦孔隙率减小而增大,对应的剪胀角分别为1.3°、3.6°、9.9°;往复剪切试验中,孔隙率越小,小麦往复剪切软化现象越明显,剪缩现象越不明显,最大剪缩量越小,孔隙率为39%、36%、33%的小麦对应的最大剪缩量分别为2.77、1.74、1.15 mm。往复后单调直剪与单调直剪试验结果对比表明,往复后单调直剪的小麦抗剪强度明显增大,其剪胀现象更明显,最大剪胀量也增大。试验结果可为粮仓结构安全性设计,尤其是粮仓结构动力分析提供依据。     

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 k Pa,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。     

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。     

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(100kPa)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。     

两种方法测定根-土复合体抗剪强度试验对比研究

为了便捷、有效且减少地表破坏面积地原位测定根—土复合体抗剪强度,采用改制后的十字剪切仪在青海大学校内原生植被生长的试验区,分别进行了三种植被覆盖度和三种含水量条件下根—土复合体原位十字剪切试验和室内直接剪切试验。试验结果显示:当土体含水量相同时,室内直剪试验测得的根—土复合体平均粘聚力为20.39~36.49kPa,原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度为35.92~102.36kPa;当植被覆盖度相同时,室内直剪试验测得的根—土复合体平均粘聚力为32.46~23.32kPa,原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度为109.7~68.12kPa。两种试验结果均表现为:根—土复合体的抗剪强度随植被覆盖度的增大而增大,随含水量的增大而减小。原位十字剪切试验测得的根—土复合体抗剪强度值大于直接剪切试验所测得的剪切强度值,平均增幅达到94.23%。两种试验结果产生差异的主要原因是由于剪切过程中剪切方式、破坏面积、受剪根系的数量及破坏程度不同而造成。其中,原位十字剪切试验是在原位不破坏土体结构和根系分布的基础上,将根—土复合体完全剪破,相对更能准确、直观地反映边坡滑坡过程中的变化规律。     

寒旱环境灌木根系增强边坡土体抗剪强度特征

为深入研究根系与剪切面呈不同夹角α条件下,边坡土体中根系对土体抗剪强度的影响,以及定量分析评价植物根系对边坡土体抗剪强度的增强作用,该项研究以生长期为150 d的柠条锦鸡儿、霸王根系及其组成的柠条锦鸡儿根-土复合体、霸王根-土复合体为研究对象分别进行室内单根拉伸试验和复合体剪切试验。通过对2灌木根系进行单根拉伸试验,得到2种灌木根系单根的抗拉强度,并对根系与剪切面夹角α分别为45°、60°、75°、90°等4种条件下的根-土复合体进行剪切试验,得到4种α角度条件下的根-土复合体试样抗剪强度;在此基础上,分析探讨了单根抗拉强度与根-土复合体试样粘聚力值之间的关系。结果表明:柠条锦鸡儿根系的单根抗拉强度较霸王根系的单根抗拉强度略高;柠条锦鸡儿根-土复合体、霸王根-土复合体试样,在4种不同α角度条件下的黏聚力均显著大于素土黏聚力;当α角由45°增大至90°时,2种灌木根-土复合体的黏聚力值呈逐渐增大的趋势,且黏聚力的增长率亦表现出一致性变化规律,即2种灌木根-土复合体试样的黏聚力的增长率均随着α角的增大而呈增大趋势;根-土复合体黏聚力值与单根抗拉强度存在正相关关系。由上述复合体黏聚力值的变化规律反映出,试验区2种灌木根系对边坡土体抗剪强度具有显著增强作用,同时亦反映出随根系的单根抗拉强度的增大,根系对土体粘聚力值的增强效果相对愈加显著,且随根系与剪切面间夹角不同,根系增强边坡土体抗剪强度贡献具有不同的变化规律,即表现在根系与剪切面之间的夹角趋于垂直时,根系具有相对最大限度地增强土体抗剪强度的作用。该研究结果为定量评价植物根系增强边坡土体抗剪强度的贡献,提供了试验方面的数据支撑,这为进一步深入探讨植物根系增强边坡土体抗剪强机理提供参考。     

基于应力路径试验的小麦粮堆力学特性和应力应变关系模型

粮仓中粮堆在装卸时存在着复杂的应力路径,为了得出复杂应力路径对粮堆模量和临界状态特性的影响规律,以及粮堆应力应变关系模型,该文在侧向应力50~300 k Pa下,进行了常规三轴压缩(conventional triaxial compression,CTC)、等p压缩(constant mean normal stress compression,CMS)、三轴主动压缩(reduced triaxial compression,RTC)三轴应力路径试验,分析了应力路径和侧向压力对模量的影响和粮堆临界状态特性;修正岩土体三次曲线模型,建立了适于描述仓内小麦粮堆应力应变的模型,并通过应力路径试验结果和文献试验结果对模型的适用性进行验证。研究结果表明:各应力路径下初始模量、割线模量E50均随着侧向应力呈幂函数增长;CTC、CMS试验的割线模量E50比初始模量发生较大的降低,而RTC试验没有明显降低。在参考压力(大气压力)下,对于初始模量,CTC试验的结果最大,RTC试验的结果最小;对于割线模量E50,CTC试验的结果最小,RTC试验的结果最大。CTC试验的初始模量、割线模量均随着侧向应力增长最慢,而RTC试验的结果均随着侧向应力增长最快。不同应力路径和侧向应力下,试验的破坏点均落于同一临界状态线上,小麦粮堆临界状态应力比为0.976。修正三次曲线模型反映了粮堆强度、峰度系数和峰值应变等特性,并通过8个参数进行计算;通过应力路径试验结果和文献试验结果对该模型进行了验证。研究结果可为粮仓装卸料压力、变形的计算提供更符合实际应力路径条件的参量,建立的修正三次曲线模型可用于粮堆应力和变形的数值模拟,为粮仓的设计提供参考。     

不同剪切方式下崩岗红土层抗剪特征随水分变化规律

崩壁土体抗剪强度随水分变化的规律是研究崩岗发生机理的关键,但不同剪切方式得出的抗剪特性可能存在差异。该研究采用直接剪切和三轴剪切试验方法,在100、200、300和400 k Pa 4个围压下,测量10%~30%之间5个不同体积含水率下崩岗红土的抗剪应力和内摩擦角,确定典型崩岗土体抗剪特征随水分变化规律。结果表明:直接剪切试验中当土壤体积含水率在10%~15%之间时,黏聚力的最高值达80 k Pa,随着土壤含水率增加,黏聚力和内摩擦角逐渐降低到最小。三轴剪切试验得出的结果与直接剪切试验相似,但黏聚力总体接近或大于直接剪切试验结果,而内摩擦角小于直接剪切试验结果,这与2种试验的土样制备方法、试验原理等密切相关。研究可为花岗岩崩岗区崩岗土体抗剪强度测定方法合理选择提供依据。     

杨柴根系提高土体抗剪特性的研究

采用直剪仪对杨柴(Hedysarum fruticosum)重塑的根-土复合体及素土进行不同法向荷载下的剪切试验,研究根-土复合体在土壤含水量,布根数量,根系直径以及变形速率梯度条件下的剪切特性,讨论法向应力,布根数量,根系直径,土壤含水率及剪切速率等对根-土复合体抗剪特性的影响。结果表明,在0.8m左右的浅土层内,根-土复合体提高土体抗剪强度的效果显著,根-土复合体粘聚力显著增大的情况下抗剪强度呈明显增大趋势,根-土复合体抗剪强度相对于素土的增长率为14%,粘聚力的增长率为17%,粘聚力的增加对复合体抗剪强度的提高起到显著的作用。杨柴在12.5kPa垂直荷载对应的0.8m的浅土层,当土壤含水率在12.5%~16.5%,布根数量4~6根,根系直径在1~2mm径级范围,土壤孔隙水承压条件下,根系提高土体抗剪强度的有效性达到最佳范围。     

沙地柏根系径级对根土复合体抗剪强度的影响

采用应变控制式直剪仪,通过对含不同沙地柏根系径级的扰动土进行室内直剪试验,分析研究根土复合体的抗剪性能。结果表明沙地柏根系的加入,增强了土体的抗剪强度,且根土复合体的抗剪强度符合库伦定律;当所含根系径级小于某个极限值时,根土复合体的抗剪强度随着径级的增大而增大,当超过这一极限值,则随着所含根系径级的增大,其抗剪强度逐渐减小,随着根系径级的逐步增大,由于根自身抵抗土体剪切变形能力增强,使得根土复合体的抗剪强度值开始回升;一定竖向荷载下,根土截面比△过小,对复合体抗剪性能影响微弱;根土截面比过大,根系与土壤胶结力降低,对抗剪强度产生负影响,因此,存在一个最佳根土截面比,在此比值附近,根土复合体的抗剪强度达到最大。本研究可为沙地柏在作为水土保持树种栽植方面提供理论依据。     

Estimation of runoff critical shear stress for soil erosion from soil shear strength

Critical shear stress is an important soil parameter governing detachment by runoff which appears in numerous erosion models. Soil shear strength has been often presented as the best soil property to predict critical shear stress. However, only a few studies have documented the relationship between soil shear strength and critical shear stress, and the results obtained have sometimes seemed contradictory. This is why we have put together all available data about the relationship between critical shear stress and soil shear strength in order to analyse and discuss its significance and its generality. Results showed that contradictions between different studies mainly arise because total shear stress is a poor predictor of detachment on rough soils. When grain shear stress is used rather than total shear stress, a significant relationship between saturated soil shear strength and critical shear stress does exist. Soil shear strength may thus be used to predict critical grain shear stress. However, it is recalled that in general only total shear stress is predicted by erosion models, which makes detachment predictions difficult on rough natural soils.     

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。     

重塑黄土抗剪强度的环剪试验研究

[目的]研究大应变条件下黄土强度的影响因素及规律,为黄土地区发生滑坡等大变形破坏提供理论依据。[方法]利用环剪仪对重塑黄土进行大剪切位移下的剪切试验,探究不同正应力及剪切方式对不同含水率的重塑黄土其残余强度的影响。[结果]正应力越大,残余强度越大,达到残余强度所需的剪切位移越小;随着含水率的增大,残余黏聚力浮动值不大,残余内摩擦角逐渐减小,并据此拟合出残余内摩擦角与含水率的参考公式;从脆性指数的角度得出所研究的重塑黄土的应变软化都不明显,且脆性指数随着正应力和含水率的增加而降低。[结论]重塑黄土的峰值强度和残余强度受含水率、正应力的影响规律相似,可通过含水率对残余强度进行估算。     

Stress‐Strain Analysis and Visual Observation of Wheat Kernel Breakage During Roller Milling Using Fluted Rolls

The endosperm and bran of a wheat grain have different mechanical properties and break differently under the same stresses. Stress‐strain analysis was used to model the factors affecting wheat kernel breakage during milling using fluted rolls. The planes of principal compressive and tensile stress and the maximum shear stresses, along which the kernel is most likely to be broken, were calculated for a sharp‐to‐sharp roll disposition. With the occurrence of compressive stress in the horizontal direction and shear stress in the vertical direction, a kernel tends to break along a principal tensile stress plane because the tensile strength of the endosperm is much smaller than its compressive strength. The model presented quantifies the mathematical relationship of three design and operational factors affecting the principal stresses and the maximum shear stresses: roll gap, differential, and roll diameter. High‐speed video was used to observe wheat breakage events during milling; the results show consistency with the theoretical analysis.     

花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模拟与验证

为深入了解花棒(Hedysarum scoparium)根系在增强土壤抗剪强度中的作用机理,同时减少试验成本和挖掘根系对环境的破坏,该文采用有限元数值模拟的方法研究了宁夏毛乌素沙地5 a生人工种植花棒根系的根截面积比(root area ratio,RAR)和垂直荷载对根-土复合体抗剪强度的影响,并对模拟结果进行了试验验证。研究表明:花棒根-土复合体的抗剪强度与垂直荷载的关系符合摩尔库伦(Mohr–Coulomb)屈服准则,花棒根系对土壤的抗剪强度有显著的提高作用。随RAR的增加,花棒根系表观黏聚力(root apparent cohesion,SR)呈线性增加(R20.9)。在相同的RAR下,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率随垂直荷载的增加逐渐降低,符合对数函数变化规律(R20.9);在相同的垂直荷载下,随RAR的降低,花棒根-土复合体抗剪强度相对于素土抗剪强度的增长率呈线性递减(R20.9);在较低垂直荷载的情况下,花棒根系提高土壤抗剪强度的作用更明显。研究发现与素土相比花棒根-土复合体的剪应力峰值出现较晚,当土壤出现明显塑性变形时,花棒根系的固土能力才能体现出来。数值模拟结果和室内试验结果显示:利用该文所建立的花棒根-土复合体直剪试验的有限元数值模型,模拟计算的根-土复合体抗剪强度与室内试验结果基本一致,相对误差绝对值的平均值1.87%,花棒根-土复合体的直剪试验可以通过该研究所建立的有限元数值模型来模拟。研究结果对于深入了解植物根系加固土壤的作用机理和推进根-土相互作用的数值模拟研究具有重要参考意义。     

Evaluation of Degree of Elasticity and Other Mechanical Properties of Wheat Kernels

Three samples were selected representing bread, soft, and durum wheat. Uniaxial compression and stress relaxation tests were performed on wheat kernels. Force‐deformation curves from intact wheat grain typically exhibited at least two points of inflection (PI) at ≈0.1 and 0.2 mm displacement. The first PI is related to the mechanical properties of all the bran layers. The second PI (0.2 mm) seems to be the endosperm boundary near the aleurone layer. These structures had higher degree of elasticity (DE) compared to the inner endosperm (0.5–0.6 mm). Besides wheat class and specific structures of the caryopsis, moisture content is a prominent factor affecting the mechanical strength of kernels. Stress relaxation tests show that bread wheat kernels with 69.2% DE at 13% moisture decreased to 31.6% DE with additional 6% moisture content. Soft wheat kernels DE of 61.0% at 13% moisture decreased to 22.7% at 19.7% moisture. Stress relaxation revealed pronounced time‐dependence. However, the differences of stress values at 120–180 sec were not significant in all wheat classes and moisture contents evaluated. The stress values after 120 sec might be attributed to the elastic deformation of the kernels.     

重庆缙云山典型植被原状土与重塑土抗剪强度研究

为了从土壤力学方面探索防治水土流失的途径与措施,该文采用直剪仪对重庆缙云山5种典型植被的原状土和重塑土抗剪强度进行试验测定。通过比较相同植被同干密度、同含水率的原状土与重塑土在同一垂直荷载下的剪切差异,分析了根(极细根)在土壤－根系复合体(原状土)中的作用。研究结果表明：原状土剪切位移小于重塑土;在相同垂直荷载作用下,同一植被原状土的抗剪强度大于与其同干密度、同含水率的重塑土。原状土的剪切破坏近似于塑性破坏,而重塑土则属于弹性破坏;原状土的抗剪强度与含根量呈正相关,并以此建立关于原状土的抗剪强度回归模型。     

基于流变学法研究容重和含水率对土壤结构力学稳定性的影响

土壤结构力学稳定性不仅与土壤质量和肥力密切相关,而且还与农业器具设计和农业水土工程建设紧密联系。该研究以黄土高原广泛分布的塿土和黄绵土为研究对象,采用振幅扫描试验模拟振荡荷载过程,研究土壤容重和含水率对土壤结构力学稳定性的影响。结果表明：1）随土壤容重的增加,土粒间接触点增多,使得剪切强度参数：线性黏弹区的剪切应力、屈服点的剪切应力、最大剪切应力及屈服点的储能模量均增加,土壤结构强度增强;其在较大剪切应变下的弹性和总的弹性（屈服点的剪切应变和积分z）先增大后降低,表明土壤颗粒存在一个最稳定的排列组合方式。同时,剪切强度参数对土壤容重的响应更为敏感。2）随含水率的增加,土壤颗粒间黏聚力和摩擦力降低,剪切强度参数：线性黏弹区的剪切应力、屈服点的剪切应力、最大剪切应力及屈服点的储能模量均降低,土壤结构强度降低;当剪切应变在线性黏弹区时,弹性随含水率的增加而增加,而较大的剪切应变下的弹性和总的弹性随含水率增加均降低。3）对比2种土壤,因塿土的黏粒、有机质、阳离子交换量、比表面积等较高,增加了土粒间的胶结强度,使得塿土的弹性和剪切强度较高,而黄绵土结构更具脆性。该研究结果表明基于流变仪中的振幅扫描测试所获取的流变学参数能够定量表征土壤细观结构力学稳定性,为进一步深入认识土壤微观力学特性提供了丰富的评价参数。     

Einige theoretische Überlegungen zur Spannungs- und Deformationsmessung in Böden und ihre meßtechnische Realisierung

Volumetric stress and strain distribution in soils — theory and experimental data Theoretical reflections on stress distribution and soil deformation as well as practical measurement results are presented. It can be demonstrated that under idealized soil bin conditions a loading capacity always leads to compression and shearing. Quantifying the volumetric deformation and the volume-constant deformation indicates that up to 60% can be determined as a vertical deformation whereas up to 40% must be defined as volume-constant deformation. The consequences for soil properties are subject of a short discussion.