Диссертация (1141536), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Лед, как природный материал, относится к классу твердых тел ихарактеризуются рядом характерных физических и механических свойств:физические свойства:- плотность льда;- температура льда;- соленость льда (для морского льда);- коэффициент трения между льдом и другими материалами;механические свойства:- модуль упругости и коэффициент Пуассона;- прочность на сжатие;- прочность на растяжение;- прочность на изгиб;- прочностные характеристики льда по критерию Мора-Кулона (коэффициент сцепления и угол внутреннего трения ).25На прочностные характеристики льда существенное влияние оказывают его температураТ, структура льда, скорость деформирования льда, а также в случае с морским льдом соленость S (доля массы соляного раствора) [31].Температура и соленость изменяются по толщине льда, что вызывает анизотропиюпрочностных свойств льда, при этом наименее прочным является н ижний слой льда.
Ввидуопределенной специфики строения кристаллов льда, прочность образцов льда, взятых понаправлению перпендикулярно к поверхности ледового поля, как правило, больше прочностиобразцов льда, взятых параллельного поверхности, в среднем в 1.5-3 раза [3, 32].Плотность льдаСогласно ISO 19906 плотность морского льда варьируется в пределах 720-920 кг/ м³. Приэтом плотность льда, который находится в воде, имеет стабильные значения 900-920 кг/м³;плотность льда, который находится над водой, - 720-910 кг/ м³ в зависимости от пористостильда.В целях расчетов ледовых воздействий принимается среднее значение плотности льда,которое равно 900 кг/м³ [33].Температура льдаТемпература льда сильно варьируется под воздействием температуры воздуха, морскойводы и наличия снежного покрова.
В зимнее время, температурный градиент сквозь однолетнийили многолетний лед можно принимать линейным, температура которого на нижней грани льдаравна температуре замерзания воды (t= -1.8°С в случае морской воды), на верхней поверхности,при отсутствии снега, равна средней температуре воздуха за обоснованный период времени.Наличие снежного покрова влияет на температуру верхней поверхности льда, так какснег играет роль изоляционного слоя. При отсутствии натурных данных о температуре льда ееопределяют методами тепло- и массообмена по данным о температуре воздуха, толщине иплотности снежного покрова. Согласно [21] для теплообменных расчетов применяютсяследующиезначениятеплопроводности:теплопроводностьльда–2.2Вт/м*К,теплопроводность плотного слежавшегося снега – 0.34 Вт/м*К, теплопроводность свежего слояснега – 0.086 Вт/м*К.26Соленость морского льдаНаличие в ледовом покрове морей и океанов солей существенно изменяет строение ифизико-механические свойства льда.
Соли образуют в ледовом покрове жидкие прослойкирассола с более низкими температурами замерзания, чем чистый лед. С течением времени приповышении температуры льда рассол вытекает и в ледовом покрове образуются полости(происходит увеличение пористости льда). Типовое распределение солей в толще однолетнегои многолетнего льда представлено в американском стандарте API RP 2N [34] (рисунок 1.12).Толщина льда, мОднолетнийледМноголетнийледСоленость льда, ‰Рисунок 1.12 - Типовые профили солесодержания во льдудля однолетнего / многолетнего льда [34]После первого месяца роста, однолетние льды обычно имеют соленость 5-7 единиц натысячу массы.
Во время летнего сезона таяния, некоторое количество содержащегося солевогораствора выходит изо льда. Таким образом, многолетний лед имеет соленость 1-4 единицы натысячу массы, что делает его более прочным по сравнению с однолетним льдом.Коэффициент трения между льдом и другими материаламиКоэффициент трения между льдом и материалом сооружений, на которые воздействуетлед, влияет на величину ледовой нагрузки. Коэффициент трения присутствует в формулах дляопределения ледовой нагрузки от ледовых образований на наклонные сооружения как вроссийских, так и в международных стандартах.27В ISO 19906 представлены данные о динамических коэффициентах трения при скоростяхвнедрения опоры в ледовое поле 0.5 м/с и более: для гладкой стали – 0.05; для гладкого бетона– 0.05; для корродированного металла – 0.1; для шероховатого бетона – 0.22.При медленных ледовых деформациях трение между льдом и материалом опоры имеетбольший эффект.
В таких случаях используется статический коэффициент трения, значениекоторого, в среднем, превышает динамический коэффициент трения в 2 раза.Модуль упругостиПо данным лабораторных исследований Куна [35], проведенных при относительнойскорости деформирования льда = 10−3 с−1 и температуре льда -10˚С, модуль упругости имелсреднее значение =6 ГПа. В исследованиях Санда говорится, что модуль упругости придинамических испытаниях морского льда на сжатие может принимать значения от 6 до 10 ГПа[36]. В работе [37] по данным натурных измерений напряжений и деформаций в ледовомпокрове толщиной 1 м и при средней температуре льда -6˚С был получен модуль упругости,равный 5 ГПа.Согласно ISO 19906, модуль упругости льда для расчета ледовых нагрузок долженприниматься в диапазоне 1-6 ГПа в зависимости от температуры льда.
Согласно исследованиям[38], при изменении температуры льда от -2˚С до -20˚С значение модуля упругостиувеличивается примерно в 2 раза.Таким образом, можно сделать вывод, что значение модуля упругости морского льдаможет иметь достаточно широкий диапазон значений в зависимости от температуры льда,солености и скорости сжатия льда, а именно =1-10 ГПа.Коэффициент ПуассонаКоэффициент Пуассона для льда в среднем равен 0.33±0.03 [39], но может иметьотличающиеся значения при определенных температурах и скорости деформации льда.Предел прочности льда на сжатие (ледовых образцов)Предел прочности на одноосное сжатиеПрочность ледовых образцов на одноосное сжатие достаточно хорошо изучена и можетбыть определена по таблицам СП 38.13330.2012 либо по формулам, представленным в ISO19906, в зависимости от температуры и солености льда.28Лабораторные и натурные испытания образцов однолетнего морского льда на одноосноесжатие, проведенные отечественными специалистами [11, 40, 41], говорят о широком разбросезначений прочности ледовых образцов на одноосное сжатие:- параллельно поверхности ледового покрова С = 0.5 − 5.0 МПа;- перпендикулярно поверхности ледового покрова С = 1.0 − 9.0 МПа.Широкий разброс значений прочности льда на сжатие связан со значительнойпространственной анизотропией льда.
В работе [128] предлагается при определении расчетнойпрочности ледового поля С вводить поправочный коэффициент н в зависимости от площадиконтакта льда с сооружением . При определенных значениях поправочный коэффициентможет принимать значения меньше единицы, т.е. обоснованно снижать расчетнуюмаксимальную прочность ледового поля.Предел прочности при двух- и трехосном сжатииЛедовое поле в натурных условиях при взаимодействии с гидротехническимисооружениями испытывает сложное напряженное состояние. Несколько исследователейзанимались изучением вопроса прочности льда с учетом двух- и трехосного напряженногосостояния, среди них Тимко и Фредеркинг [42], Джонс [43, 44], Хослер [45], Шульсон иНиколаев [46].Тимко и Фредеркинг [42] провели натурные испытания сжатия ледовых образцовморского призматического льда, выпиленного параллельно поверхности ледового поля, сограничением деформаций по двум сторонам (рисунок 1.13).
Как результат, ограничениядеформаций по оси Z (рисунок 1.13б) не привели к существенному увеличению прочностиледовых образцов (по сравнению с испытаниями на обычное одноосное сжатие). Ограничениядеформаций по Y (рисунок 1.13а), напротив, привели к значительному увеличению прочностильда. Данный эффект объясняется спецификой кристаллической решетки льда (более подробнов [32]).а)б)zxСжимающаясилаyСжимающаясилаРисунок 1.13 - Испытание образцов льда на двухосное сжатие Тимко и Фредеркингом, 1984: а)при ограничении деформаций по оси Y; б) при ограничении деформаций по оси Z [42]29Согласно исследованиям Шульсона и Николаева [46] двухосное напряженное состояние - льда в значительной степени зависит от скорости деформирования льда. На рисунке 1.14видно, что наибольшей прочностью морской лед обладает при скорости деформирования льда = 10−3 с−1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
