Диссертация (1141536), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Также наблюдается пропорциональное увеличение напряжения в зависимостиот , и наоборот. С увеличением скорости деформирования льда, кривая предельныхнапряжений меняет не только размеры, но и форму (рисунок 1.14в).Согласно исследованиям Джонса [43, 44] при скорости деформирования льда меньше10−5 с−1 ограничение боковых деформаций льда незначительно влияет на его прочность присжатии.
[МПа] [МПа]б) [МПа] [МПа]а) [МПа]в) [МПа]Рисунок 1.14 - Натурные данные о прочности льда при двухосном сжатии - при разныхскоростях деформирования льда: а) = 10−4 с−1 ; б) = 10−3 с−1; в) = 10−2 с−1 [46]Предел прочности на растяжение и на изгибПрочность на растяжение и изгибная прочность – это характеристики, которые нужныдля определения воздействия льда на наклонные сооружения, т.к. лед в этом случаеразрушается на изгиб. При этом прочность на изгиб гораздо ниже, чем на сжатие, так какпрочность нижней растянутой зоны (или прочность на растяжение льда) в 5-10 раз ниже, чем30прочность на сжатие С / ≈ 5 − 10. Значения изгибной прочности могут приниматьсязначения в диапазоне = 0,1 − 1.0 МПа [39, 47].Прочностные характеристики льда по критерию Мора-Кулона (коэффициент сцепления и угол внутреннего трения )Для задания критерия прочности Мора-Кулона экспериментальным путем определяютсяугол внутреннего трения и коэффициент сцепления льда С при помощи внедрения зондиндентора в толщу льда (рисунок 1.15а) или путем вдавливания ледового блока (рисунок 1.15б).Характеристики и С также часто определяют при помощи обычного сдвигового прибора, вкоторый помещается образец льда.б)а)3421Рисунок 1.15 - Установки для определения сцепления и угла трения: а) ровного льда припомощи зонд-индентора; б) киля тороса вдавливанием ледового блока; 1-зонд-индентор; 2гидростанция и рукава высокого давления; 3-нагрузочные домкраты; 4-ледовый якорь [48]Из примеров использования критерия Мора-Кулона для задания прочности ровного льда– работы Шхинека [49] и Шульсона [50].
Последний был особым сторонником данной моделильда.Параметры C и имеют широкий спектр значений в зависимости от типа льда,солености и температуры, размеров испытываемых образцов льда. По результатам испытанийцилиндрических образцов ровного льда в сдвиговом приборе в натурных условиях на шельфесевера Сахалина, среднее значения угла трения было 42.5±8˚, коэффициент сцепленияпринимал значения 0.2-1.0 МПа при разбросе температуры льда от -2 до -12 ˚С [51].311.4.Основные факторы, определяющие ледовые нагрузки нагидротехнические сооруженияНа конференции в 2001 году [31] Карлом Шхинеком был представлен переченьосновных факторов, влияющих на величину ледовой нагрузки (рисунок 1.16). Этиосновные факторы были взяты за основу, впоследствии, в стандарте ISO 19906.Факторы, влияющие на ледовую нагрузку3.Предельный механизмледового воздействия1.Тип льда2.Параметры льда5.Форма разрушения льда4.Геометрия и форма сооруженийРисунок 1.16 - Основные факторы, влияющие на величину ледовой нагрузкиСреди типов льда существует разнообразие.
Помимо ровного льда, к основным типам,вызывающим значительные ледовые нагрузки, относятся торосы (или поля торошения),стамухи, айсберги. Полная ледовая терминология и типология представлена на сайтеМеждународной Метеорологической Организации [52] и переведена на русский языкинститутом ААНИИ [53].
Параметры льда, как уже было сказано, включают физикомеханические, морфометрические и динамические характеристики льда.Под предельными механизмами понимают 2 основных механизма воздействия ледовогополя на сооружение: 1 – с разрушением льда; 2 – без разрушения льда. В первом случае ледоказывает максимальную нагрузку на сооружение, так как при воздействии на сооружениедостигается предел его прочности на сжатие.Говоря о геометрии и форме сооружения, в первую очередь, имеется в виду:- форма сооружения в плане (сооружение – узкое/широкое, одноопорное/многоопорное);- геометрия профиля торцевой стенки (вертикальная/наклонная).
В зависимости отгеометрии торцевой стенки, ледовое поле разрушается либо на сжатие (рисунок 1.17а) либо наизгиб (рисунок 1.17б).32а)б)Рисунок 1.17 - Воздействие льда на: а) вертикальную стенку; б) на наклонную стенку [21]Среди форм разрушения льда выделяют следующие (рисунок 1.18) [54]:- разрушение на сжатие (дробление);- разрушение на изгиб;- разрушение в результате потери устойчивости (характерно для льда небольших толщиндо 0.6м);- раскалывание.Рисунок 1.18 - Основные формы разрушения льда [54]Многочисленные наблюдения за поведением ледовых полей при взаимодействии ссооружением говорят о том, что, как правило, в процессе воздействия льда на сооружениеимеет место сразу несколько форм разрушения льда.
Как и в любом другом материале, впервую очередь случается та форма разрушения, которой соответствует наименьшая энергияразрушения [55]. Наибольшая нагрузка, как уже было сказано, случается при разрушении насжатие.331.5. Механика разрушения льда и особенности воздействия льда на морскиегидротехнические сооружения с вертикальной граньюПоведение льда при взаимодействии с сооружением является сложным процессом иреализуется в различных формах и характерах разрушения.
При взаимодействии свертикальным сооружением лед либо имеет вязкий, пластический характер разрушения, либоразрушается хрупко. Характер разрушения зависит, в первую очередь, от скоростидеформирования.Принизкихскоростяхдеформированиялед«течет»,происходитрекристаллизация льда и, деформируясь, он остается относительно целостным. При большихскоростях деформаций лед разрушается хрупко с образованием большого количества обломковразличных размеров. Исследования показывают, что максимальные нагрузки на сооруженияпроисходят именно при переходных скоростях: = 10−3 с−1(для морского льда); =10−4 с−1(для пресного льда) [56, 57].Процессы, происходящие в зоне контакта ледового поля с сооружением, такжезаслуживают отдельного внимания. Как изображено на рисунке 1.19 в зоне контактапроисходит либо равномерное по площади разрушение льда (рисунок 1.19б), либонеравномерное (рисунок 1.19а).
Последнему процессу характерен также неплотный контактмежду льдом и конструкцией [58-60].а)б)Рисунок 1.19 - Неравномерное (а) и равномерное (б) разрушение льда в зоне контакта ссооружением [58]Неравномерное разрушение и неплотный контакт льда с сооружением случается, когдапроисходит хрупкое разрушение льда при относительно высоких скоростях деформированияльда. Идеализированная картина данного процесса изображена на рисунке 1.20.34а)Обломки льдаЗоны высокогодавленияЛедовое полеСооружениеЛедовоеобразованиеб)VoЗоны высокогодавленияЛедовыеобломкиСколы льдаТрещины вольдуСколы льдаРисунок 1.20 - Идеализированная картина хрупкого разрушения льда о вертикальную опору:а) – общий вид; б) вид сверху [57]В процессе хрупкого разрушения льда образуется большое количество горизонтальных инаклонных трещин.
Трещины склонны распространяться по направлению к свободной (отнапряжений) поверхности, поэтому при контакте с сооружением образуются сколы льда,которые уменьшают площадь непосредственного контакта льда с сооружением. Сколыобразуются на верхней, нижней и боковых гранях льдин [57].Одновременное разрушение льда по площади контакта с сооружением, как правило,случается в трех случаях [58]:1)При первоначальном контакте, когда происходит удар льдины о сооружение. Этопроисходит благодаря тому, что во время первого контакта торцевая поверхность льдины имеетровную целостную поверхность.2)Если процесс разрушения льда имеет вязко-пластический характер при медленныхскоростях деформирования льда.3)Если сооружение податливое и происходит захват частоты собственных колебанийсооружения под воздействием динамической ледовой нагрузки.35Как отмечается в работах многих исследователей механики льда, основные нагрузки отледового поля на сооружение передаются в области контакта через локальные зоны высокогодавления, которые занимают лишь небольшую часть от всей площади контакта.
Ввидуактивного процесса трещинообразования и рекристаллизации льда, а также образования сколовльдин и скопления обломков льда в зоне контакта, зоны высокого давления постоянно меняютсвое местоположение, неожиданно появляясь то в одном месте, то в другом. Тем не менее,отмечается, что для льдин небольшой толщины зоны высокого давления концентрируютсяближе к центру льдины, как условно изображено на рисунке 1.21а. В случае многолетнихтолстых льдин зоны высокого давления концентрируются в средней площади контакта(рисунки 1.21б и 1.21в). В зонах высокого давления лед испытывает трехосное напряженноесостояние, прочность которого может достигать 20-30 МПа [57].а)в)б)Зоны высокого давленияКонтурыобразованиясколов льдаРисунок 1.21 - Условное изображение зон высокого давления: а) – для тонкого льда; б) – принебольших прямоугольных площадях контакта; в) – для толстого льда (изображена зонаконтакта квадратной формы) [60]1.6.
Актуальные исследования в области ледовых воздействий на гидротехническиесооруженияИсследования последних лет в значительной степени пролили свет на физику ледовыхвоздействий на гидротехнические сооружения. Тем не менее, активная исследовательскаядеятельность в области изучения льда ведется по нескольким направлениям и их результатыосвещаются на ежегодных международных конференциях:1.International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, POAC,http://www.poac.com/;2.Ice Research and Engineering Committee International Symposium on ice, IAHR,https://www.iahr.org/;3.The International Society of Offshore and Polar Engineers International conference,ISOPE, http://www.isope.org/.36Анализируя материалы прошлых конференций, а также работу Дэмси [61], можносказать, что наиболее актуальными исследованиями в области оценки ледовых воздействий нагидротехнические сооружения на сегодняшний день являются следующие:В отношении физики и механики ледовых воздействий:-изучение поведения льда в зоне контакта лед-сооружение, в том числе исследованиехарактера и величин локальных нагрузок (зон высокого давления);-изучение прочности льда в естественных условиях при сложном напряженномсостоянии (двух- и трехосном);-изучение характера разрушения льда на сжатие на микро- и на макроуровне;-изучение механики хрупкого разрушения льда;-изучение зависимости величины ледовых воздействий от скорости льда, анизотропииледового поля, от физико-механических характеристик льда;-изучение динамических ледовых нагрузок и опасности появления вибраций вконструкциях, подверженных динамическим ледовым воздействиям;-определение трещиностойкости и хрупкости льда;-изучение условий перехода механизма разрушения льда с вязко-пластического кхрупкому;-изучение природы и математическое описание масштабного эффекта ледовой нагрузки;-изучение зависимости между прочностью ледовых образцов, прочностью льда в толщеледового поля (испытания зонд-интендеров) и интегральной прочностью ледового поля.В отношении методик расчетов ледовых нагрузок:-совершенствование методологий расчета ледовых нагрузок;-совершенствование вероятностных методик расчета ледовых нагрузок;-разработка математических моделей льда, как твердого материала под нагрузкой;-сравнение методик расчетов ледовых нагрузок по различным стандартам, выявлениенеточностей.В отношении численного моделирования ледовых воздействий:-совершенствование и разработка новых численных моделей для моделирования ледовыхвоздействий на гидротехнические сооружения.Другие исследования:-изучение вопросов масштабирования результатов ледовых исследований (возможностьполучения ясной картины ледового воздействия на базе лабораторных испытаний);37-изучение эффектов от затора ледовых масс в пространстве между отдельными опорамимногоопорных сооружений;-изучение влияния гидродинамических эффектов на ледовые воздействия;-изучение эффектов образования ледовых навалов вблизи сооружения;-проведение крупномасштабных измерений ледовых нагрузок;-проведение экспериментальных, натурных и расчетных исследований по изучениюглубины ледовой абразии различного рода материалов;-рассмотрение различных вариантов оптимального и эффективного проектированиясооружений в акваториях с суровой ледовой обстановкой;-изучение статических и динамических коэффициентов трения льда с другимиматериалами;-изучение сил смерзания ледовых обломков в киле, парусе торосов, в ледовых навалах иполях ледовых обломов;-изучение влияния наличия внутренних трещин и напряжений на прочностныехарактеристики ледового поля;-влияние включений многолетнего льда в поле однолетнего льда на прочностныехарактеристики ледового поля.Выводы по Главе 1В качестве заключения к Главе 1 можно отметить, что ледовые условия в акваторияхсеверных морей на территории России являются достаточно суровыми с наличием толстогооднолетнего льда, в некоторых районах многолетнего прочного льда, деформированныхледовых образований, айсбергов и других типов льдов, которые могут воздействовать нагидротехнические сооружения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
