靜動荷載作用下小麥剪切特性試驗研究

王 萌，曾長女，周 飛，郭呈周

·農產品加工工程·

靜動荷載作用下小麥剪切特性試驗研究

王 萌1，曾長女1※，周 飛2，郭呈周1

（1. 河南工業大學土木工程學院 鄭州 450001；2. 河南工業大學人事處 鄭州 450001）

為研究靜動載荷作用下的糧食剪切特性，利用開發的新型糧食動直剪儀，設計了孔隙率為39%、36%、33%以及豎向壓力為50、100、150、200 kPa下的小麥單調直剪、往復剪切及往復后單調直剪試驗，研究了小麥靜動力剪切特性，并對比分析了小麥單調直剪與往復后單調直剪的強度、變形結果。研究結果表明：單調直剪試驗中，同一孔隙率下，豎向壓力越大，其軟化現象越明顯，剪脹現象越不明顯，剪脹角越小，豎向壓力為50、100、150、200 kPa下對應的剪脹角分別為4.5°、3.6°、2.4°、0.7°；同一豎向壓力下，隨著小麥孔隙率減小，其軟化現象越明顯，內摩擦角也越大，孔隙率為39%、36%、33%的小麥對應的內摩擦角分別為22.2°、24.4°、28.1°。剪脹角也隨著小麥孔隙率減小而增大，對應的剪脹角分別為1.3°、3.6°、9.9°；往復剪切試驗中，孔隙率越小，小麥往復剪切軟化現象越明顯，剪縮現象越不明顯，最大剪縮量越小，孔隙率為39%、36%、33%的小麥對應的最大剪縮量分別為2.77、1.74、1.15 mm。往復后單調直剪與單調直剪試驗結果對比表明，往復后單調直剪的小麥抗剪強度明顯增大，其剪脹現象更明顯，最大剪脹量也增大。試驗結果可為糧倉結構安全性設計，尤其是糧倉結構動力分析提供依據。

小麥；試驗；剪切強度；往復剪切；剪脹角

0 引 言

糧食是中國國計民生之本，關乎中國經濟發展與社會和諧穩定。糧食安全事關國家安危和人民幸福，糧食儲倉安全是糧食安全的基本保障[1]。糧倉內儲糧力學特性的精確表述是倉儲結構計算的基礎[2]。糧食在糧倉內長期儲糧時會經歷不同的工況，如儲存時的靜力作用、裝卸料作用，還可能會受到地震、振動等動力作用，進而作用于糧倉倉壁，影響倉體結構受力。不僅靜力作用，動力作用下糧食的力學特性也是糧倉結構計算的重要參數，尤其是糧食在受到動力作用后的力學特性是值得關注的課題[3-4]。

近年來，研究者對糧食在靜力條件下的強度與變形特性進行了相關研究。曾長女等[5-7]等基于三軸試驗獲得了小麥、豆粕等糧食的靜力強度特性，并基于數字圖像測量技術的三軸儀，研究了豆粕不同剪切邊界階段的應力、應變、體變的發展規律。蔣敏敏等[8]利用直剪儀對小麥開展了一系列的直剪試驗，研究了豎向壓力與剪切速率對小麥強度與剪脹特性的影響規律。楊作梅等[9]采用設計開發的小籽粒休止角測定裝置、直剪儀等設備，獲得不同含水率條件下谷子休止角、內摩擦系數等參數，探究了含水率對其各摩擦特性參數的影響。許啟鏗等[10-11]研制了專門用于測定糧食內摩擦角的直剪儀，并利用該直剪儀開展了糧食力學參數的試驗研究，為糧倉設計提供了一定的理論基礎。Moya等[12-13]通過直剪、壓縮試驗，探究了不同糧食物料的抗剪強度與壓縮性規律，試驗結果可為筒倉設計提供參考數據。Molenda等[14]通過常規三軸試驗測定了小麥、大豆和玉米的內摩擦角；Figueroa等[15]開展了一系列的單軸壓縮試驗與應力松弛試驗，研究了小麥壓縮變形等特性。Alvaro等[16]通過對谷物、飼料谷物及不同種類面粉開展的直剪、固結等試驗，獲得剪脹角、泊松比、彈性模量等數值。程緒鐸等[17]利用直剪儀研究了不同豎向應力與含水率對小麥摩擦特性的影響。目前，有關糧食動力特性的研究成果較為缺乏。

糧食屬于散體顆粒，其強度特性可以參考粗粒土等相近顆粒特性進行研究。已有學者對粗粒土的動力特性進行了大量研究，獲得了較多的試驗數據[18-22]。劉飛禹等[18]通過一系列的單調直剪、循環剪切及循環后單調直剪試驗，揭示了顆粒粒徑對格柵-粗粒土界面靜力與動力特性的影響規律。Mortara等[20]開展了一系列的循環剪切試驗，研究分析了循環剪切作用對砂土與結構接觸面動力特性的影響。這些研究結果為糧食的動力特性研究提供了參考依據。小麥受到動力作用的研究成果相對匱乏，尤其是小麥受到動力作用后靜力特性的研究尚未見詳細報道，該參數的準確獲取是動力作用下糧倉結構設計的關鍵，有必要進行系統的研究，為工程實際提供試驗參數依據。

本文利用課題組前期開發的新型糧食動直剪儀，設計了一系列的小麥單調直剪、往復剪切及往復后單調直剪試驗，研究小麥在往復剪切作用下的剪切強度、剪脹特性的變化情況，以及往復剪切后靜力特性。并將往復后單調試驗結果與單調直剪試驗結果進行對比分析，研究往復剪切作用對小麥單調直剪特性的影響。研究結果對于糧倉的抗震性能分析、糧倉與儲糧靜動力作用分析等方面具有重要意義，擬為糧倉的結構設計以及糧食安全儲藏提供理論支持。

1 試驗儀器與方法

1.1 試驗儀器

結合糧食靜動力力學性能測試的實際需求，針對已有糧食直剪儀無法進行動力試驗的不足[10]，開發的新型糧食動直剪儀[23]，如圖1所示。該糧食動直剪儀進行了動力加載與測試系統等方面的設計，滿足糧食在靜、動力作用下的試驗研究。

1.水平壓力傳感器 2.杠桿 3.豎向位移傳感器 4.豎向壓力傳感器 5.上剪切盒 6.下剪切盒 7.水平位移傳感器 8.伺服電動缸

糧食動直剪儀上下剪切盒的總高度為100 mm，直徑為100 mm，豎向荷載由1∶12的杠桿系統通過傳力板施加傳遞到試樣，水平荷載由水平推力系統中的伺服電機控制器，控制由松下伺服電機、高精度直齒行星減速器、絲桿缸體組成的伺服電動缸施加。為了使推力裝置能夠在0.01～5 mm/min速度范圍內均勻、穩定的施加水平推力，在機械硬件上使用減速比為1∶200的高精度直齒行星減速器和滾珠絲桿缸體，實現了提高控制精度的同時也滿足了水平推力的穩定性和均勻性。試驗過程中的水平、豎向位移和壓力數據由水平、豎向位移傳感器和水平、豎向壓力傳感器連接位移壓力數據采集器進行數據的自動采集，數據采集系統采用電腦界面控制，有相應的自動位移控制和自動推力控制按鈕，可以根據試驗要求進行應變控制或壓力控制的選擇，本文的試驗采用應變控制。在控制推力運行的同時，實時記錄并顯示位移和壓力數值。該界面能夠實時觀測試驗過程中的曲線，數據自動采集系統提高了試驗的可操作性與測試系統的自動化。

1.2 試驗材料

試驗采用河南產小麥。根據《糧食、油料檢驗水分測定法》[24]，將試樣在105 ℃條件下進行磨碎烘干，測定小麥含水率為10.6%，根據《糧油檢驗容重測定》[25]中規定的方法測得其容重為799 g/L，根據《糧食、油料檢驗比重測定法》[26]，測得其比重為1.34。

1.3 試驗方案

采用糧食動直剪儀進行靜動荷載作用下的一系列小麥直剪試驗，裝樣時在下剪切盒表面涂抹凡士林以消除剪切過程中的摩擦力。結合糧食物料的自身特點以及存儲條件，計算得出小麥筒倉25 m深度處承受的荷載約為200 kPa，選取此深度處的荷載為最大豎向壓力，確定本文豎向壓力等級選取50、100、150、200 kPa。

式中為孔隙比，G為小麥相對密度，為小麥含水率，%；為水的密度，1g/cm3；孔隙率（%）為

從而確定小麥孔隙率分別為39%、36%、33%，可模擬不同裝卸料階段或高度處不同密實程度的試樣[27]。

剪脹角作為分析小麥剪脹性的的定量指標之一，可反映出剪切過程中體積的變化規律。通過計算剪切過程中剪應力達到峰值時豎向位移-剪切位移相應位置的斜率即為剪脹角的正切值，通過公式（3）表述該位置為所求剪脹角的正切值，再計算出剪脹角

選取豎向壓力為50、100、150、200 kPa下，對孔隙率為39%、36%、33%的小麥進行單調直剪試驗、往復剪切試驗、往復后單調直剪試驗。單調直剪試驗采用固結快剪的方式，剪切速率為2.4 mm/min，試驗進行到20 mm停止試驗。由于在單調直剪試驗中，試樣一般在剪切位移為8 mm左右時達到抗剪強度峰值，為了防止試樣被剪壞，往復剪切試驗的單向最大剪切位移確定為6 mm，并進行水平雙向往復剪切試驗。往復剪切試驗同樣采用固結快剪的方式，剪切速率為2.4 mm/min，往復剪切次數確定為10次[28]。完成10次往復剪切試驗后，以相同速率繼續對小麥進行往復后單調直剪試驗。

2 結果與分析

2.1 單調直剪試驗

圖2為孔隙率為36%時不同豎向壓力（50、100、150、200 kPa）影響下的小麥單調直剪試驗結果。由圖2a可知，豎向壓力越大，試樣的剪應力峰值越大，峰值過后的軟化現象也越明顯。在豎向壓力為50、100、150、200 kPa作用下，剪應力峰值所對應的剪切位移分別為7.23、7.61、9.01、9.44 mm，即峰值對應的剪切位移隨豎向壓力的增大而增大，這是由于豎向壓力越大，顆粒間的擠壓、摩擦現象越明顯，導致峰值過后的剪應力降低幅度越大，即軟化現象越明顯，顆粒間運動受限，需要更大的剪切位移才能達到穩定位置，即達到峰值所需剪切位移越大。

由圖2b可知，豎向位移-剪切位移的曲線斜率隨豎向壓力的增大而減小，即試樣的剪脹性隨豎向壓力的增大而減小。通過式（3）求得試樣在豎向壓力為50、100、150、200 kPa下的剪脹角分別為4.5°、3.6°、2.4°、0.7°，即豎向壓力越大，試樣剪脹越不明顯，剪脹角也越小。隨著豎向壓力的增大，顆粒位置的調整變得更加困難，使得顆粒間很難發生翻越，所以其剪脹性逐漸不明顯，剪脹角越小。

不同壓力下均表現為不同的剪脹特性，但150、200 kPa下的剪脹性不明顯，在豎向壓力為50、100 kPa下，試樣在剪切位移分別為14.13、15.5 mm左右時達到了豎向位移最大值即最大剪脹量0.47、0.19 mm，隨后剪脹速率逐漸減小。

圖3為豎向壓力100 kPa時不同孔隙率（39%、36%、33%）對小麥試樣單調直剪試驗中強度及剪脹特性的影響。由圖3a可知，同一豎向壓力下，試樣孔隙率越小，其剪應力峰值越大，剪應力峰值后的軟化現象也越明顯。孔隙率39%、36%、33%的試樣達到剪應力峰值所對應的剪切位移分別為9.32、7.61、5.76 mm，即達到峰值所需剪切位移隨孔隙率的減小而減小。原因是試樣孔隙率越小，顆粒排列越緊密，在剪切過程中顆粒位置更容易改變，因此，達到剪應力峰值所需剪切位移越小。

由圖3b可知，同一豎向壓力下，孔隙率越小，剪脹越明顯，原因是孔隙率小的試樣顆粒之間的孔隙更少，在受到剪切作用時顆粒間的運動形式以翻越和攀爬為主，所以剪脹更明顯。由式（3）獲得圖3b所示豎向壓力100 kPa下，孔隙率為39%、36%、33%試樣的單調直剪試驗下的剪脹角分別為1.3°、3.6°、9.9°。綜上所述，同一豎向壓力下，試樣孔隙率越小，其剪脹越明顯，剪脹角也越大。孔隙率39%的試樣主要發生剪縮，孔隙率36%與孔隙率33%試樣的剪脹量在剪切位移分別為15.5、13.6 mm左右時達到了最大值0.19、0.89 mm。

圖3 豎向壓力100 kPa下不同孔隙率小麥單調直剪試驗結果

圖4為單調直剪試驗中3種不同孔隙率試樣的抗剪強度擬合曲線，其決定系數2均在0.95以上，抗剪強度與豎向壓力呈現了良好的線性關系。利用摩爾-庫倫準則擬合試樣抗剪強度與豎向壓力關系

2.2 往復剪切試驗

圖5為豎向壓力為100 kPa時不同孔隙率（39%、36%、33%）試樣的剪應力與往復剪切次數關系。由圖5可知，孔隙率39%的試樣經歷了往復剪切后，其剪應力峰值從54.1 kPa逐漸增大到63.9 kPa，增加了18.2%，增加的幅度較為明顯；孔隙率為36%的試樣剪應力峰值從62.6 kPa逐漸增大到64.0 kPa，增加了2.1%，增加的幅度明顯減小；孔隙率為33%試樣的剪應力峰值從73.8 kPa逐漸減小到64.0 kPa，減小了13.3%；由此可得，隨著孔隙率的減小，試樣的剪切軟化現象逐漸明顯。原因是孔隙率較小的試樣顆粒間排列較為緊密，隨著往復剪切次數的增加，顆粒間會發生擠壓、摩擦，致使顆粒表面磨損加劇，剪應力逐漸降低，即試樣的剪切軟化現象隨孔隙率的減小而越明顯。

圖4 單調直剪試驗中小麥抗剪強度擬合曲線

圖5 豎向壓力100 kPa下不同孔隙率小麥剪應力與往復剪切次數曲線

圖6為不同孔隙率試樣經歷不同往復剪切次數時剪應力與剪切位移曲線。由圖6可知，每個滯回圈的變化趨勢大體上都呈現了“梭形”，隨著孔隙率的減小，其滯回圈的形態由外向內收縮的趨勢表現的逐漸明顯，由孔隙率39%與孔隙率36%試樣的滯回圈往復剪切硬化形式向孔隙率33%的試樣往復剪切軟化形式發展。

圖6 豎向壓力100 kPa下不同孔隙率小麥經歷不同往復剪切次數剪應力與剪切位移曲線

圖7為豎向壓力100 kPa時3種孔隙率試樣的豎向位移與剪切位移曲線。由圖7可得，3種孔隙率試樣在同一個循環圈內卸載時豎向位移均表現為增大，每一次往復剪切過程都表現為剪縮和剪脹的交替發生，隨著孔隙率的減小，該現象表現的更為明顯。由圖8可知，隨著往復剪切次數的增加，3種孔隙率試樣均發生了整體的剪縮，且隨著往復剪切次數的增大豎向位移均逐漸增大，表明其剪縮量也逐漸增大。孔隙率越小的試樣在同一往復剪切次數下對應的豎向位移越小，表明孔隙率越小的試樣在經歷了相同的往復剪切次數時對應的剪縮量越小，在完成了10次往復剪切后，孔隙率為39%、36%、33%的試樣對應的豎向位移分別為2.77、1.74、1.15 mm，即最大剪縮量隨孔隙率的減小而減小。原因是孔隙率較大的試樣在經歷往復剪切過程中，顆粒的運動形式以填充孔隙為主，導致其最終剪縮量較大，而孔隙率較小的試樣，顆粒間排列更為緊密，致使其最大剪縮量較小，即孔隙率越小，剪縮現象越不明顯，最大剪縮量也越小。

圖7 豎向壓力100 kPa下不同孔隙率小麥豎向位移與剪切位移曲線

圖8 不同孔隙率下豎向位移與往復剪切次數變化曲線

2.3 往復后單調直剪與單調直剪試驗對比

圖9為孔隙率36%的試樣在豎向壓力為50、100、150、200 kPa下的往復后單調直剪試驗的試驗結果。由圖9a可知，不同豎向壓力下小麥試樣的剪應力-剪切位移曲線呈相似的變化趨勢。隨著豎向壓力的增大，試樣的剪應力峰值越大，峰值過后的軟化現象也越明顯，在不同豎向壓力為50、100、150、200 kPa下達到剪應力峰值對應的剪切位移分別為7.38、7.62、7.71、7.85 mm，可見，達到峰值所需剪切位移隨豎向壓力增大而增大。

從圖9b中得出，試樣的剪脹性隨豎向壓力的增大而減小，剪脹現象逐漸不明顯。利用式（3）求得往復剪切后單調直剪試驗中試樣在豎向壓力50、100、150、200 kPa下對應的剪脹角分別為11.8°、10.6°、7.4°、4.7°，即剪脹角隨豎向壓力的增大而減小。綜上所述，同一孔隙率條件下，豎向壓力越大，剪脹現象越不明顯，剪脹角越小。原因是豎向壓力越大，試樣顆粒間位置的調整更困難，顆粒間很難發生翻越，試樣剪脹現象越不明顯。

在不同豎向壓力為50、100、150、200 kPa下，試樣分別在剪切位移為15.82、16.01、16.77、17.02 mm左右時達到了最大剪脹量1.26、1.17、0.87、0.35 mm，即達到最大剪脹量所需剪切位移隨豎向壓力的增大而增大，最大剪脹量隨豎向壓力的增大而減小。

圖9 孔隙率36%的小麥在不同豎向壓力下往復后單調直剪試驗結果

圖10為豎向壓力100 kPa下孔隙率為39%、36%、33%試樣的往復后單調直剪試驗結果。由圖10a可知，不同孔隙率試樣的剪應力-剪切位移曲線均呈現為軟化型。孔隙率39%、36%、33%的試樣達到剪應力峰值所對應的剪切位移分別為7.83、7.62、7.41 mm，即試樣達到剪應力峰值所需剪切位移隨孔隙率的減小而減小。

由圖10b可知，3種孔隙率的試樣初始時均發生了短暫的剪縮，而后均呈現了較為顯著的剪脹現象。利用式（1）求得往復后單調直剪試驗中，孔隙率39%，36%，33%的試樣對應的剪脹角分別為7.3°、10.6°、12.1°，即隨著孔隙率的減小，試樣剪脹角逐漸增大。

孔隙率39%、36%、33%的試樣分別在剪切位移為17.81、16.01、15.11 mm左右時達到了最大剪脹量1.09、1.17、1.26 mm，即孔隙率越小，達到最大剪脹量所需剪切位移越小，對應的最大剪脹量越大。

圖10 豎向壓力100 kPa下不同孔隙率小麥往復后單調直剪試驗結果

圖11為往復后單調直剪試驗的抗剪強度擬合曲線，其中決定系數2均在0.95以上，表明抗剪強度與豎向壓力兩者的線性擬合關系較好。往復后單調直剪試驗中孔隙率39%、36%、33%對應的內摩擦角分別為27.7°、31.1°、34.2°，黏聚力分別為18.4、12.0、10.5 kPa。即孔隙率越小，其內摩擦角越大，黏聚力越小。這是由于在往復剪切作用下，位于剪切面附近的試樣顆粒經歷了擠壓、摩擦，導致顆粒表面磨損，使得咬合作用減弱，黏聚力降低。

為研究往復剪切作用的影響，將往復后單調直剪試驗結果與單調直剪結果進行對比分析。對比結果表明：往復后單調直剪試驗中，孔隙率36%的試樣在豎向壓力50、100、150、200 kPa下抗剪強度較單調直剪試驗抗剪強度分別增加了13.3%、27.8%、23.2%、24.7%；孔隙率為39%、33%的試樣在豎向壓力100 kPa下抗剪強度分別增加了36.1%、15.3%，即試樣的抗剪強度均明顯高于單調直剪試驗的抗剪強度；豎向壓力50、100 kPa下，孔隙率36%的試樣最大剪脹量分別提高了168.1%、515.8%，即經歷了往復剪切后單調直剪的試樣剪脹現象更明顯，最大剪脹量也越大。小麥顆粒在受到動力作用后，其強度與剪脹特性均發生了改變，會對倉壁側向壓力的受力產生影響，進而影響倉體結構的受力，這表明考慮動力作用時，倉壁側壓力系數需要進一步提高。

圖11 往復后單調直剪試驗中小麥抗剪強度擬合曲線

3 結 論

本文利用新型糧食動直剪儀，設計進行了一系列小麥靜動載荷作用下的直剪試驗，對3種不同孔隙率小麥在不同豎向壓力下的往復剪切特性及往復后單調直剪特性行了探討與分析，得到如下結論。

1）利用該糧食動直剪儀，對小麥進行了單調直剪試驗，結果表明：同一孔隙率下，豎向壓力越大，其軟化現象越明顯，剪脹現象越不明顯，剪脹角越小，剪脹角的變化范圍為0.7°～4.5°；同一豎向壓力下，孔隙率越小，其軟化現象越明顯，內摩擦角與黏聚力也越大，剪脹現象也越顯著，最大剪脹量也越大，剪脹角也越大，內摩擦角的變化范圍為22.2°～28.1°，黏聚力的變化范圍為12.6～17.0 kPa，剪脹角的變化范圍為1.3°～9.9°。

2）利用該糧食動直剪儀對小麥施加往復荷載，進行了往復直剪試驗，試驗結果表明：在往復剪切過程中，每一個循環圈都表現為剪脹和剪縮現象的交替發生，孔隙率越小，小麥的往復剪切軟化現象越明顯，剪縮現象越不明顯，最大剪縮量也越小，最大剪縮量的變化范圍為1.15～2.77 mm。

3）進行了小麥往復剪切后單調直剪試驗，并將其結果與單調直剪試驗結果進行了對比。對比結果表明：經歷了往復剪切后，小麥抗剪強度均明顯高于單調直剪試驗的抗剪強度，其剪脹現象也更明顯，最大剪脹量也越大。

為了避免裝卸糧作業等動力作用下可能會出現的糧倉結構局部破壞、失穩等問題，本文的研究結果考慮了裝卸料過程、振動作用下的靜動力特性及動力作用過后的靜力特性，可為糧倉結構設計提供理論依據，也為精細化分析糧倉與儲糧相互作用、糧倉的結構優化設計以及糧食安全性儲藏提供參考依據。

[1] 國家發展和改革委員會，國家糧食安全中長期規劃綱要（2008—2020年）[A].(2008-11-13)[2019-10-15]. https:// www.ndrc.gov.cn/xwdt/xwfb/200811/t20081114_957261.html

[2] 王振清. 糧倉建筑基本理論與設計[M]. 鄭州：河南科學技術出版社，2015.

[3] 鋼筋混凝土筒倉設計規范：GB 50077—2003[S]. 北京：中國計劃出版社，2004.

[4] 糧食鋼板筒倉設計規范：GB 50322—2011[S]. 北京：中國計劃出版社，2011.

[5] 曾長女，田彥歌，宋飛如. 不同剪切速率下儲倉內小麥剪脹特性的三軸實驗研究[J/OL]. 中國糧油學報，2020，35(7)：131-136. Zeng Changnü, Tian Yange, Song Feiru, Effects of shearing velocity on wheat shearing during triaxial tests[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2020, 35(7): 131-136. (in Chinese with English abstract)

[6] 曾長女，馮偉娜. 小麥強度特性的三軸試驗研究[J]. 中國糧油學報，2015，30(5)：96-101. Zeng Changnü, Feng Weina. Strength properties of wheat in triaxial tests[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2015, 30(5): 96-101. (in Chinese with English abstract)

[7] 曾長女，金南南，谷賀，等. 基于數字圖像測量技術的豆粕剪切變形特性[J]. 農業工程學報，2020，36(5)：310-317. Zeng Changnü, Jin Nannan, Gu He, et al. Analysis of triaxial shear characteristics of soybean meal based on digital image measurement technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 310-317. (in Chinese with English abstract)

[8] 蔣敏敏，郭祝輝. 豎向壓力和剪切速率對小麥直剪強度及剪脹特性的影響[J]. 農業工程學報，2017，33(6)：275-280. Jiang Minmin, Guo Zhuhui. Effects of vertical pressure and shear rate on wheat direct shear strength and shear expansion characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(6): 275-280. (in Chinese with English abstract)

[9] 楊作梅，郭玉明，崔清亮，等. 谷子摩擦特性試驗及其影響因素分析[J]. 農業工程學報，2016，32(16)：258-264. Yang Zuomei, Guo Yuming, Cui Qingliang, et al. Friction characteristic test of millet and its influencing factors analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(16): 258-264. (in Chinese with English abstract)

[10] 許啟鏗，王錄民，王麗坤. 糧食專用直剪儀的研制[J]. 實驗技術與管理，2009，26(12)：62-64. Xu Qikeng, Wang Lumin, Wang Likun. Development of a special direct shear apparatus for grain[J]. Experimental Technology and Management, 2009, 26(12): 62-64. (in Chinese with English abstract)

[11] 許啟鏗，金立兵，王錄民，等. 糧食力學參數的試驗研究[J].河南工業大學學報：自然科學版，2010，31(1)：18-21. Xu Qikeng, Jin Libing, Wang Lumin, et al. Research on the determination of mechanical parameter of grains[J]. Journal of Henan University of Technology (Natural Science Edition), 2010, 31(1): 18-21. (in Chinese with English abstract)

[12] Moya M, Ayuga F, Guaita M, et al. Mechanical properties of granular agricultural materials[J]. Transactions of the ASAE, 2002, 45(5): 1569-1577.

[13] Moya M, Aguado P J, Ayuga F. Mechanical properties of some granular agricultural materials used in silo design[J]. International Agrophysics, 2013, 27(2): 181-193.

[14] Molenda M, Montross M D, Horabik J, et al. Mechanical properties of corn and soybean meal[J]. Transeffects of the ASAE, 2002, 45(6): 1929-1936.

[15] Figueroa J D C, Hernandez Z J E, Veles M J J, et al. Evaluation of degree of elasticity and other mechanical properties of wheat kernels[J]. Cereal Chemistry, 2011, 88(1): 12-18.

[16] Alvaro Ram?-rez, Moya M, Ayuga F, et al. Determination of the mechanical properties of powdered agricultural products and sugar[J]. Particle & Particle Systems Characterization, 2009, 26(4): 220-230.

[17] 程緒鐸，陸琳琳，石翠霞. 小麥摩擦特性的試驗研究[J]. 中國糧油學報，2012，27(4)：15-19. Cheng Xuduo, Lu Linlin Shi Cuixia. The experimental research on friction properties of wheat[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2012, 27(4): 15-19. (in Chinese with English abstract)

[18] 劉飛禹，王攀，王軍，等. 顆粒粒徑對格柵-土界面靜、動力直剪特性的影響[J]. 巖土力學，2017，38(1)：150-156. Liu Feiyu, Wang Pan, Wang Jun, et al. Influence of soil particle size on monotonic and reciprocating direct shear behaviors of geogrid-soil interface[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(1): 150-156. (in Chinese with English abstract)

[19] 張嘎，張建民. 循環荷載作用下粗粒土與結構接觸面變形特性的試驗研究[J]. 巖土工程學報，2004(2)：254-258. Zhang Ga, Zhang Jianmin. Experimental study on reciprocating behavior of interface between soil and structure[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004(2): 254-258. (in Chinese with English abstract)

[20] Mortara G, Mangiola A, Ghionna V N. Reciprocating shear stress degradation and post-reciprocating behaviour from sand-steel interface direct shear tests[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2007, 44(7): 739-752.

[21] Leng W, Liu W, Zhao C, et al. Dynamic characteristics of compacted coarse-grained soil filling in heavy haul railway subgrade[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 19(Z1): 9653-9664.

[22] Wang R, Jia B, Deng A, et al. Dynamic triaxial testing study on dynamic characteristics of sandy pebble soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(2), 4059-4064.

[23] 曾長女，王萌，許啟鏗，等. 糧食直剪儀的改進與試驗研究[J]. 中國農機化學報，2020，41(4)：105-110. Zeng Changnü, Wang Meng, Xu Qikeng, et al. Improvement and experimental study on direct shear apparatus for grain[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2020, 41(4): 105-110. (in Chinese with English abstract)

[24] 糧食、油料檢驗水分測定法：GB5497-85[S]. 北京：中國標準出版社，2004.

[25] 糧食、油料檢驗容重測定法：GB5498-85[S]. 北京：中國標準出版社，2004.

[26] 糧食、油料檢驗比重測定法：GB/T5518-85[S]. 北京：中國標準出版社，2004.

[27] 于航. 考慮貯料剪脹性的筒倉卸料機理離散元研究[D]. 鄭州：河南工業大學，2016. Yu Hang. Discrete Element Analysis of Silo Unloading Mechanism Considering Storage Dilatancy[D]. Zhengzhou: Henan University of Technology, 2016. (in Chinese with English abstract)

[28] 劉博，李海波，朱小明. 循環剪切荷載作用下巖石節理強度劣化規律試驗模擬研究[J]. 巖石力學與工程學報，2011，30(10)：2033-2039. Liu Bo, Li Haibo, Zhu Xiaoming. Experiment simulation study of strength degradation of rock joints under reciprocating shearloading[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(10): 2033-2039. (in Chinese with English abstract)

Experimental study on shear performance of wheat under static and dynamic loading

Wang Meng1, Zeng Changnü1※, Zhou Fei2, Guo Chengzhou1

(1.450001;2450001)

When grain is stored in the granary, it will be subjected to static and dynamic loads under the circumstances such as loading and unloading, earthquake and so on. And then these effects will act on the wall of the granary, affecting the stress of the wall. A new dynamic direct shear apparatus which consisted of shear box connecting components, horizontal thrust system and data acquisition system was used to provide a test platform for testing the mechanical properties of grain under static and dynamic loads. In order to investigate the dynamic mechanics of grain，the wheat direct shear experiments under static and dynamic loads were carried out. Meanwhile, the horizontal shear stress, shear displacement, vertical displacement and other relations in the dynamic test results were also analyzed. Using the new dynamic direct shear apparatus for grain, a series of tests were designed to study the dynamic characteristics of reciprocating shear considering three different porosities of 39%, 36%, 33% and four vertical pressures of 50, 100, 150, 200 kPa. These test results of strength and deformation were compared among the monotonic and post-reciprocating monotonic loading direct tests. The results showed that the stress-strain curves showed a softer curve and less dilatancy phenomenon with increasing vertical pressure during the monotonic direct shear test for the same porosity, thus a smaller dilatancy angle was also obtained. Under the vertical pressure of 50, 100, 150, 200 kPa, the corresponding dilatancy angles were 4.5°, 3.6°, 2.4°, 0.7°, While with the decreasing wheat porosity, the softening phenomenon became more obvious and the internal friction angle became larger. The internal friction angles of wheat with porosity of 39%, 36%, and 33% were 22.2°, 24.4°, 28.1°. What’s more, the dilatancy phenomenon became more obvious with the decreasing porosity, inducing the increasing dilatancy angle. The corresponding dilatancy angles are 1.3°, 3.6°, 9.9°during the monotonic direct shear test. In the reciprocating direct shear test, with the decrease of porosity, the softening phenomenon of wheat was more obvious, and the dilatancy phenomenon was less evident. The maximum dilatancy are decrease with decreasing porosity, which corresponding with the maximum dilatancy deformation were 2.77, 1.74, 1.15 mm. These results of monotonic direct shear tests and post-reciprocating monotonic direct shear tests were compared. The results showed that the shear strength of wheat after reciprocating shear were significantly higher than those directly from the monotonic direct shear tests. The shear dilatation was also more obvious after reciprocating shear, corresponding with larger dilatancy deformation. The results showed that the strength and dilatancy characteristics of wheat were changed after the dynamic effect, which would affect the lateral pressure on the silo wall, which indicated that the lateral pressure coefficient of the silo wall need to be further improved when considering the dynamic effect. The results take into account the loading and unloading process, the static and dynamic characteristics of vibration, and the static characteristics after the dynamic effect. These results are necessarily provided for the engineers in the design and dynamic analysis of granary structure.

wheat; experiment; shear strength; reciprocating shear; dilatancy angle

王萌，曾長女，周飛，等. 靜動荷載作用下小麥剪切特性試驗研究[J]. 農業工程學報，2020，36(14)：273-280.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.033 http://www.tcsae.org

Wang Meng, Zeng Changnü, Zhou Fei, et al. Experimental study on shear performance of wheat under static and dynamic loading[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 273-280. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.033 http://www.tcsae.org

2019-12-16

2020-07-01

河南省高等學校重點科研項目計劃（19A560009）；河南省糧油倉儲建筑與安全重點實驗室開放基金（2016KF-B03）；糧食公益性行業科研專項（201513001）；河南工業大學青年骨干教師資助計劃（2015004）；河南工業大學優秀博士、碩士學位論文培育項目（2018-001）。

王萌，研究方向：糧倉與地基相互作用。Email：837238968@qq.com

曾長女，博士，教授。研究方向：糧倉與地基相互作用。Email：zengcnv@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.033

TS210

A

1002-6819(2020)-14-0273-08