浅谈立筒仓水平侧压力的实验研究与颗粒流模拟分析

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1、同济大学博士学位论文立筒仓水平侧压力的实验研究与颗粒流模拟分析姓名：杜明芳申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：周健20030701摘要立筒仓是储存散粒状物料的筒状或柱状构筑物，广泛运用于粮食、煤炭、矿产、建材等行业。立筒仓结构的安全设计，是保证物料安全储备和正常运营的必要前提。立筒仓属于特种结构，由于其仓储物料的散体介质特性使其设计计算不同于其它一般的结构形式。立筒仓结构设计的关键在于其工况荷载——储料侧压力的正确计算和确定。各国关于立筒仓的结构设计计算都是基于Janssen理论得到的，Janss

2、en理论是分析立筒仓结构时一个十分重要的古典理论，在其基本假定中最主要的二条就是：(1)假定储料在任一点(包括仓壁处)的水平压力己，和垂直压力只，成正比，即E。=纰，其中，k为储料的主动侧压力系数：(2)不计仓底的影响，即假定立筒仓为无限深。Janssen理论和公式对于立筒仓内储料处于静止状态的情况，是基本符合实际的，有它的工程应用价值。但在筒仓设计中，单纯地应用Janssen公式来进行立筒仓结构计算是不安全的，因为Janssen理论未考虑物料装料和卸料时所产生的动荷载的实际情况，也未考虑仓底的影响。在

3、实际工程应用中，立筒仓的高度是有限的，储存在立筒仓中的散体物料，绝非始终静止不变，而是根据中转仓和储藏仓的性质不同，发生不断的或周期性的装卸。当物料从仓筒中卸出时，其内部压力场的分布情况，随着散体物料的物理特性(如内摩擦角、表面粗糙程度)、流动情况(流态)等的不同而各不相同，即使卸出极少量的物料，筒仓壁上的压力也有所增加，甚至增加1～2倍，并且立筒仓的卸料形式不同，仓壁侧压力增大的数值也不相同。在立筒仓结构设计的实际应用中，通常的做法是在Janssen公式中引入一个修正系数口(即以储料流动为基础的增压力

4、系数)，使通过Janssen公式计算出的静止物料的压力值尽可能地转化为符合实际使用的总压力。但由于散体物料在立筒仓内的运动规律比较复杂，迄今尚未得到全面的了解和定量研究，在各国的文献和设计规范中所给定的口也不尽统一，对口值的研究还只局限于工程实测或实验测定，很难全面反映卸料过程侧压力的变化情况。到目前为止，世界上许多国家都对立筒仓进行了理论分析和实验研究，也得到了一些基本一致的结论和计算公式，但还存在着许多不同的观点，根本问题在于贮料的压力问题、尤其是对散体物料在仓内的流动形式等的认识还不够清楚，都还没

5、有突破把立筒仓内的散体物料近似成宏观均匀的连续体(流体)的假设，致使一些立筒仓结构在实际使用中出现了强度破坏等事故。这些都说明对立筒仓的认识和研究还远未完结，还有待于进一步的深入和完善。各国学者和工程界现普遍认为筒仓新理论的建立势必以物料流态及其动压力问题的研究为突破点。本文首次充分考虑了仓储物料的散体介质力学特性，以及这一本质特性对其运动形式和力学响应的影响，采用了基于质点体系动量守恒定律的散体介质颗粒流理论及先进的PFC颗粒流程序，模拟筒仓在装卸料过程中仓内散状物料的流动及相互作用；并对其内部复杂的

6、运动场、内力场以及物料对仓壁的侧压力进行了模拟分析；从细观力学的角度分析了物料结拱的成因、物料流态及其对侧压力的影响；把模拟的仓壁侧压力的发展规律等结果与现有的试验数据和传统的计算理论进行对比分析；得出了立筒仓在卸料过程中仓壁侧压力分布情况、发展规律及各种参数(如摩擦角、卸斗宽度等)的变化对筒仓的影响。本文研究结果对粮食、煤炭、建材等多种行业的立筒仓设计规范的编制、更新和筒仓理论的发展提供科学依据，同时也为一门新兴的边缘学科一一《散体物料流动与强度》的建立提供理论与实践基础。关键词：立筒仓，散体物料、水

7、平侧压力，物料流态，颗粒流程序，筒仓装卸料摩擦系数，漏斗倾角IIAbstractAsiloisacylindricalstructureforstoringgranularmaterials，suchasgrains，coals，cement，etc．ThesafetydesignofsilostructuresiSanessentialpremisetothesafestorageofmaterialsandnormalmanagement．ThesiloiSakindofspecialstructu

8、re；duetothespecialgranularcharacteristiCSofthematerialsstored，thedesignofsilosiSdifferentfromthatofotherordinarystructures．Thekeyfactorofsilostructuraldesignisthemagnitudeoftheloadscorrespondingtodifierentworkingconditions