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细粒散料振动松散与密实机理探讨
2011-07-26
高湿度细粒散料的松散与密实处理在矿业工程、筑路与筑堤工程中经常遇到,振动是常用的手段之 一。从松散与密实的概念入手,提出用临界孔隙比等参数判断散料的振动松散与密实效应,并进行了相关的 实验研究和理论分析。
第 20 卷 第 1 期 矿 冶 工 程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol. 20 № 1 March 2000 2000 年 3 月 ① 细 粒 散 料 振 动 松 散 与 密 实 机 理 探 讨 戴 兴 国 , 吴 贤 振 ( 中 南 工 业 大 学 资 源 环 境 与 建 筑 工 程 学 院 ,湖 南 长 沙 410083) 摘 要 : 高 湿 度 细 粒 散 料 的 松 散 与 密 实 处 理 在 矿 业 工 程 、筑 路 与 筑 堤 工 程 中 经 常 遇 到 ,振 动 是 常 用 的 手 段 之 一 。 从 松 散 与 密 实 的 概 念 入 手 ,提 出 用 临 界 孔 隙 比 等 参 数 判 断 散 料 的 振 动 松 散 与 密 实 效 应 ,并 进 行 了 相 关 的 实 验 研 究 和 理 论 分 析 。 关 键 词 : 散 料 ; 松 散 与 密 实 ; 振 动 ; 孔 隙 比   细 粒 散 料 是 以 颗 粒 为 主 的 固 、液 、气 三 相 混 合 体 。 112 散 料 的 孔 隙 比 与 临 界 孔 隙 比 散 料 孔 隙 比 e 是 指 散 料 孔 隙 部 分 的 体 积 与 固 体 部 分 的 体 积 之 比 : 自 太 沙 基 创 立 土 力 学 以 来 ,散 料 静 力 学 和 动 力 学 特 性 得 到 了 广 泛 的 研 究 ,但 对 散 料 在 振 动 作 用 下 的 松 散 与 [ 1 ,2] 密 实 效 应 至 今 尚 未 开 展 深 入 研 究 ,目 前 这 个 问 题 e = Vw + Va (1) Vg 已 成 为 一 个 亟 待 研 究 的 课 题 ,因 为 它 对 于 散 料 在 工 矿 业 中 的 仓 储 、运 输 和 处 理 ,以 及 在 筑 路 和 筑 堤 工 程 中 的 散 料 加 密 处 理 都 具 有 十 分 重 要 的 理 论 价 值 和 实 际 意 义 。 本 文 从 散 料 松 散 与 密 实 效 应 概 念 的 界 定 着 手 ,以 相 关 实 验 结 果 为 依 据 ,对 散 料 的 振 动 松 散 与 密 实 效 应 作 了 初 步 的 探 讨 和 理 论 分 析 。 散 料 总 容 量 r : ( Gg + S e) rw + e r = (2) 1 式 (1) 、(2) 中 的 V 、G 和 S 分 别 表 示 体 积 、密 度 和 散 料 的 饱 和 度 ,下 标 g、w、a 分 别 表 示 固 料 、水 和 空 气 。 由 散 料 总 容 重 公 式 可 知 散 料 孔 隙 比 越 大 ,则 其 容 1 散 料 动 力 失 稳 与 振 动 松 散 密 实 效 应 重 r 越 小 ,两 者 呈 反 比 关 系 ,故 在 实 测 中 可 由 散 料 的 容 重 增 减 得 知 孔 隙 比 的 增 减 。 对 散 料 施 加 振 动 作 用 时 ,散 料 骨 架 上 的 颗 粒 会 受 散 料 的 临 界 孔 隙 比 ecr由 Casagrande 于 1936 年 提 出 ,作 为 判 断 散 料 振 动 液 化 的 方 法 曾 在 相 当 一 段 时 间 到 不 同 程 度 的 惯 性 力 干 扰 而 在 颗 粒 接 触 点 上 引 起 新 应 力 ,这 种 新 应 力 与 原 有 应 力 的 共 同 作 用 力 超 过 颗 粒 之 间 的 联 结 强 度 时 ,将 破 坏 原 有 的 骨 架 结 构 ,从 而 使 散 料 颗 粒 重 新 排 列 ,并 伴 随 产 生 松 散 或 密 实 效 应 。 由 此 可 知 ,振 动 在 散 料 颗 粒 上 引 起 的 惯 性 力 导 致 散 料 颗 粒 骨 架 结 构 的 可 能 破 坏 (动 力 失 稳 ) 是 振 动 松 散 或 密 实 的 前 提 条 件 ,而 散 料 孔 隙 率 (或 孔 隙 比 ) 变 化 是 振 动 松 散 或 密 实 效 应 的 表 现 。 [ 1] 内 得 到 广 泛 应 用 。 如 果 将 散 料 简 化 成 一 堆 具 有 同 样 半 径 的 圆 球 体 ,且 每 个 球 均 质 并 相 互 接 触 ,那 么 颗 粒 若 呈 立 方 体 堆 积 时 ,孔 隙 比 最 大 ,其 值 为 0191 ;若 颗 粒 呈 斜 四 方 体 堆 积 时 ,其 孔 隙 比 最 小 , e = 0135。 以 上 叙 述 的 是 理 想 统 计 模 型 ,虽 有 理 论 价 值 ,但 实 际 意 义 不 大 。 因 为 对 于 具 有 合 适 级 配 的 散 料 致 密 堆 积 ,其 最 小 孔 隙 比 小 于 0135 ,而 将 具 有 不 规 则 形 状 的 散 料 颗 粒 堆 积 成 内 部 有 结 拱 成 穴 的 散 料 体 ,或 细 粒 粘 性 散 料 呈 絮 状 结 构 堆 积 时 ,其 最 大 孔 隙 比 将 大 于 0191。 临 界 孔 隙 比 的 基 本 含 意 是 散 料 在 受 剪 切 破 坏 时 , 低 密 度 的 散 料 将 产 生 密 实 或 压 密 效 应 ,高 密 度 的 散 料 将 产 生 松 散 或 松 胀 效 应 。 于 是 在 散 料 的 最 大 孔 隙 比 和 最 小 孔 隙 比 之 间 存 在 一 个 临 界 孔 隙 比 ecr ,也 就 是 散 料 受 剪 切 破 坏 时 ,既 不 产 生 压 密 效 应 也 不 产 生 松 胀 效 应 的 散 料 孔 隙 比 。 1 11   散 料 的 动 力 失 稳 散 料 的 动 力 失 稳 是 指 散 料 的 骨 架 结 构 在 振 动 作 用 下 达 到 极 限 动 强 度 而 出 现 的 结 构 破 坏 现 象 ,而 散 料 结 构 的 破 坏 是 随 着 动 力 强 度 的 增 大 ,并 经 历 一 定 的 发 展 过 程 才 能 达 到 极 限 动 强 度 进 入 急 剧 破 坏 阶 段 ,在 此 之 前 需 要 一 段 时 间 的 动 应 变 积 累 。 散 料 的 动 强 度 定 义 为 :在 一 定 应 力 往 返 作 用 次 数 N 下 产 生 某 一 指 定 破 坏 [ 1] 应 变 ε 所 需 的 动 应 力 。 散 料 的 动 强 度 与 散 料 的 相 f 对 密 度 Dr 大 致 成 线 性 关 系 ,且 随 散 料 颗 粒 平 均 粒 径 临 界 孔 隙 比 在 理 论 上 具 有 可 靠 的 依 据 ,其 值 随 散 料 的 应 力 状 态 变 化 而 变 化 ,即 临 界 孔 隙 比 还 受 振 动 载 增 加 而 增 大 。 ① 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (59774008) 收 稿 日 期 : 1999210225 第 一 作 者 男 教 授 博 士 第 1 期 戴 兴 国 等 : 细 粒 散 料 振 动 松 散 与 密 实 机 理 探 讨 13 荷 特 性 和 散 料 特 性 的 影 响 。 13   散 料 的 振 动 稳 定 密 度 散 料 的 振 动 稳 定 密 度 就 是 散 料 在 某 一 不 变 强 度 的 1 动 载 荷 连 续 作 用 下 达 到 体 积 不 变 时 所 对 应 的 密 度 。 实 践 证 明 ,一 定 的 振 动 稳 定 密 度 对 应 于 一 定 的 动 力 强 [ 1] 度 。 应 当 指 出 的 是 ,振 动 稳 定 密 度 与 临 界 密 度 在 散 料 应 力 状 态 相 似 时 并 不 相 同 ,因 为 实 验 表 明 ,散 料 在 单 向 体 力 加 荷 条 件 下 的 体 积 变 化 与 振 动 加 荷 条 件 下 的 体 积 变 化 并 不 一 致 。 图 1 散 料 孔 隙 比 e 与 振 动 强 度 J 的 关 系 1 ———σ = 46 kPa ; 2 ———σ = 189 kPa ; 3 ———σ = 330 kPa 2 散 料 振 动 松 散 与 密 实 机 理 初 探 2 12   散 料 的 振 动 松 散 实 验 试 验 装 置 是 在 1 个 竖 立 支 架 上 安 装 1 个 有 机 玻 璃 筒 (如 图 2) 。 振 动 台 通 过 1 个 传 振 钢 板 对 有 机 玻 璃 筒 影 响 散 料 振 动 松 散 与 密 实 效 应 的 内 在 因 素 有 颗 粒 性 质 (颗 粒 形 状 与 级 配 情 况 ) 、结 构 特 征 (孔 隙 比 ) 和 起 始 应 力 状 态 (临 界 孔 隙 比 ) ,其 中 结 构 特 征 和 起 始 应 力 状 态 最 为 重 要 。 而 主 要 外 界 因 素 则 是 散 料 研 究 体 的 外 部 约 束 条 件 变 化 。 [ 3] 内 的 散 料 试 样 施 振 ,钢 板 上 设 有 可 开 闭 漏 口 。 由 于 散 料 试 样 时 常 处 于 流 动 状 态 ,难 以 测 定 其 孔 隙 率 。 因 此 只 能 利 用 测 得 散 料 中 的 波 动 加 速 度 信 号 ,辅 之 肉 眼 观 察 来 分 析 散 料 松 散 情 况 。 文 献 [1]叙 述 “ 动 力 加 速 度 愈 大 ,振 动 稳 定 密 度 愈 高 ”。 需 要 指 出 的 是 ,这 个 结 论 并 不 全 面 。 因 为 它 仅 适 用 于 筑 路 、筑 堤 等 振 动 加 密 散 料 的 工 程 场 合 ,而 对 于 振 动 料 斗 中 的 振 动 放 料 等 工 作 场 合 ,散 料 在 其 重 力 作 用 方 向 无 约 束 ,可 以 充 分 产 生 流 动 ,实 验 表 明 此 时 的 动 力 强 度 愈 大 ,振 动 稳 定 密 度 愈 小 。 这 正 是 本 文 提 出 的 散 料 的 振 动 松 散 与 密 实 效 应 还 与 散 料 研 究 体 的 外 部 约 束 条 件 变 化 有 关 。 因 此 ,若 欲 振 动 加 密 散 料 体 ,应 增 强 散 料 体 的 约 束 或 增 大 其 内 部 的 静 应 力 状 态 。 如 振 动 压 路 机 的 作 用 原 理 就 是 使 散 料 内 的 体 应 力 增 大 ,也 即 减 少 了 其 临 界 孔 隙 比 ,因 此 能 有 效 地 达 到 振 动 密 实 的 效 果 。 又 如 料 仓 的 振 动 料 斗 放 料 时 ,放 料 前 打 开 出 料 口 可 以 降 低 料 斗 中 散 料 的 内 应 力 ,增 大 其 临 界 孔 隙 比 ,或 者 在 振 动 开 始 作 用 后 不 久 ,料 斗 中 散 料 开 始 发 生 结 构 破 坏 时 及 时 开 启 出 料 口 ,让 散 料 产 生 流 动 也 可 以 降 低 散 料 的 振 动 稳 定 密 度 ,使 散 料 得 到 充 分 松 散 与 活 化 。 2 11   散 料 的 振 密 实 验 图 2 散 料 振 动 松 散 实 验 装 置 图 1 给 出 了 振 动 强 度 J 与 散 料 孔 隙 比 e 之 间 的 关 1 ——— 加 速 度 计 ; 2 ——— 有 机 玻 璃 筒 ; 3 ——— 振 动 板 ; 4 ——— 振 动 台 系 曲 线 ,它 表 明 了 振 动 台 上 逐 渐 加 荷 得 到 的 散 料 试 样 变 形 和 强 度 特 征 。 可 以 看 出 ,在 一 定 密 度 和 应 力 状 态 下 ,当 作 用 的 动 荷 强 度 (振 动 加 速 度 ) 逐 渐 增 大 但 又 小 于 某 一 振 动 加 速 度 值 ,此 时 散 料 试 样 的 变 形 和 抗 剪 强 度 开 始 发 生 明 显 变 化 ,这 个 振 动 加 速 度 称 为 临 界 加 速 度 ,也 是 散 料 试 样 原 有 骨 架 结 构 发 生 破 坏 (动 力 失 稳 ) 所 需 的 振 动 加 速 度 。 2 1211   初 始 阶 段 的 振 动 效 应 开 启 漏 口 施 加 初 始 振 动 ,传 感 器 感 应 到 的 散 料 波 动 加 速 度 是 一 种 混 差 波 动 信 号 ,如 图 3 所 示 。 它 反 映 了 时 间 t 与 振 动 加 速 度 之 间 的 关 系 (max a = 75100 ,min a = - 19192) ,其 纵 坐 标 值 等 于 J 资 max a ,其 中 J 为 加 速 度 比 。 可 见 正 向 加 速 度 值 时 大 时 小 ,观 察 到 的 散 料 试 样 较 为 松 散 ,有 明 显 a 由 图 1 还 可 看 到 ,随 着 动 荷 强 度 的 增 大 ,散 料 试 样 的 孔 隙 比 经 过 不 同 程 度 的 减 小 之 后 会 趋 于 一 个 稳 定 值 ,这 说 明 散 料 的 振 动 稳 定 密 度 有 一 个 极 值 存 在 ,这 在 理 论 上 也 是 成 立 的 。 这 个 结 论 同 样 适 用 于 散 料 的 振 动 松 散 情 况 。 的 脉 动 现 象 。 此 时 散 料 试 样 处 于 结 构 破 坏 (动 力 失 稳 ) 形 成 新 结 构 → 再 次 破 坏 的 动 态 破 坏 过 程 ,总 体 振 动 效 应 是 不 断 地 松 散 。 1212   稳 定 流 变 阶 段 的 振 动 效 应 如 果 漏 口 放 料 顺 畅 ,振 动 一 定 时 间 后 ,传 感 器 感 应 到 的 散 料 波 动 加 速 度 → 2 1 4 矿 冶 工 程 第 20 卷 图 3 散 料 混 极 差 波 动 时 域 信 号 图 5 散 料 微 极 差 波 动 时 域 信 号 3 结 论 1 ) 散 料 骨 架 结 构 的 不 断 破 坏 (动 力 失 稳 ) 是 振 动 松 散 或 密 实 的 前 提 条 件 ,使 散 料 骨 架 结 构 发 生 破 坏 所 需 的 振 动 加 速 度 称 临 界 加 速 度 ,而 散 料 振 动 松 散 与 密 实 的 效 应 可 用 孔 隙 率 (或 孔 隙 比 ) 表 示 。 2 ) 散 料 的 实 际 孔 隙 比 e 与 临 界 孔 隙 比 ecr的 大 小 关 系 可 以 反 映 散 料 可 能 发 生 的 振 动 松 散 或 密 实 效 应 。 e > ecr则 会 发 生 振 动 密 实 效 应 ;若 e < ecr则 会 发 生 若 振 动 松 散 效 应 。 临 界 孔 隙 比 与 散 料 应 力 状 态 有 关 ,可 以 通 过 改 变 散 料 应 力 状 态 来 改 变 其 临 界 孔 隙 比 ,如 增 减 外 部 作 用 力 或 改 变 约 束 条 件 。 图 4 散 料 稳 极 差 波 动 时 域 信 号 3 ) 散 料 无 论 是 振 动 松 散 或 振 动 密 实 ,经 过 一 段 连 续 振 动 后 ,其 密 度 会 趋 于 一 个 稳 定 值 。 实 践 证 明 ,一 定 的 振 动 稳 定 密 度 对 应 于 一 定 的 振 动 强 度 和 外 界 约 束 条 件 ,并 且 存 在 极 值 。 是 一 种 稳 差 波 动 信 号 ,如 图 4 所 示 。 其 中 曲 线 含 意 同 图 3(max a = 38187 ,min a = - 23144) ,只 是 正 、反 向 加 速 度 均 较 稳 定 ,但 绝 对 值 相 差 较 大 。 观 察 到 散 料 试 样 较 为 松 散 ,呈 现 出 明 显 稳 定 的 流 变 状 态 。 此 时 散 料 达 到 了 一 个 稳 定 的 振 动 松 散 密 度 ,若 欲 使 散 料 进 一 步 松 散 ,则 需 增 大 振 动 强 度 。 4 ) 在 测 试 散 料 孔 隙 率 比 较 困 难 的 连 续 作 业 条 件 下 ,可 通 过 测 试 散 料 内 部 颗 粒 的 波 动 加 速 度 特 征 来 分 析 散 料 的 振 动 松 散 与 密 实 效 应 ,实 验 表 明 ,这 是 一 个 很 有 效 的 测 定 方 法 。 21213   约 束 流 变 阶 段 的 振 动 效 应 散 料 试 样 达 到 稳 定 松 散 密 度 之 后 ,关 闭 漏 口 ,传 感 器 感 应 到 的 散 料 波 动 加 速 度 信 号 要 经 历 一 个 与 初 始 振 动 阶 段 相 反 的 过 程 , 散 料 不 断 地 密 实 ,其 颗 粒 的 正 向 加 速 度 值 不 断 减 小 ,反 向 加 速 度 有 所 增 加 ,两 者 的 比 值 在 不 断 减 小 ,并 趋 于 一 个 稳 定 状 态 ,如 图 5 所 示 (max a = 11122 , min a = 参 考 文 献 [ 1]   谢 定 义 . 土 动 力 学 . 西 安 : 西 安 交 通 大 学 出 版 社 ,1988 [2] 普 拉 卡 什 . 土 动 力 学 . 北 京 : 水 利 电 力 出 版 社 ,1984 [ 3]   戴 兴 国 . 贮 矿 空 间 内 散 体 矿 岩 的 压 力 理 论 与 流 动 机 理 的 研 究 :[ 博 士 论 文 ]. 长 沙 :中 南 工 业 大 学 ,1990 - 10155) 。 此 时 的 散 料 波 动 加 速 度 是 一 种 微 差 信 号 , 观 察 到 的 散 料 试 样 较 为 密 实 ,已 达 到 了 一 个 稳 定 的 振 动 加 密 密 度 。 若 欲 使 散 料 进 一 步 密 实 ,需 增 大 振 动 强 度 ,因 原 有 的 振 动 己 不 能 使 散 料 结 构 再 产 生 有 效 破 坏 , 散 料 颗 粒 的 波 动 也 近 似 弹 性 波 动 。 ( 下 转 第 18 页 ) 1 8 矿 冶 工 程 第 20 卷 New Type Percussive Mechanism of Electric Rock Drills ——— A Dynamic Analysis TANG Hong2ping ( Mining Enginering Department , Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy , Changsha 410012 , China) Abstract : A dynamic analysis is made of structure and operating principle of a new type percecssive mechanism of YPT231 electric rock drills using dynamic theory , and a general dynamic equation is established for the new type percussive mecha2 nism. On this basis , numerical computation is carried out for the percussive mechanism′s dynamic process by computer simu2 lation. The author discusses the influence of the mechanism on its performance parameters and compares its theoretical results with the results obtained by high2speed photograph. Key words : electric rock drill ; dynamic equation ; computer simulation ; high2speed photograph ( 上 接 第 14 页 ) Mechanism of Loosening and Compacting of Small2diameter Dispersed Media by Vibration DAI Xing2guo , WU Xian2zhen ( College of Resources , Environments and Civil Engineering , Central South University of Technology , Changsha 410083 , China) Abstract : Vibration used to be one of methods for loosening and compacting high2moisture small2dia. dispersed media in min2 ing , roads construction and dike2dam building. Beginning with the concept of loosening and compacting , the paper determines effect of vibration on loosening and compacting of dispersed media using such parameters as critical porosity. Relevant labora2 tory research and theoretical analysis have been done. Key words : dispersed media ; loosening and compacting ; vibration ; porosity
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