孔隙对粒状海冰单轴压缩强度影响的数值模拟研究

强度是影响海冰与结构物相互作用关系的关键性质之一。海冰内部的卤水胞和气泡等孔隙结构对海冰的强度有重要影响。为从细观角度探究冰内孔隙含量、形状和尺寸等海冰结构参数对海冰力学性质的影响,基于离散元方法,建立了包含孔隙的数值海冰模型,模拟粒状冰在平行和垂直冰面方向加载脆性破坏的单轴压缩过程。孔隙尺寸设置为符合均匀分布、标准正态分布和Gamma分布等不同随机分布类型。数值模拟试验结果表明孔隙率是影响海冰强度的主要因素,海冰单轴压缩强度和弹性模量均随孔隙的增加而减小。当压缩应力达到极值时,冰内裂缝迅速扩展。对于圆形孔隙,裂缝主要沿荷载施加方向开展,因此平行冰面方向试样破坏时多表现为大裂缝;对于椭圆形孔隙,裂缝易扩展形成裂缝带。当孔隙率相同时,孔隙尺寸随机分布类型和位置对单轴压缩强度和弹性模量影响不大,但影响冰内裂缝的扩展方式。

黄河冰单轴压缩强度的试验与影响因素探究

为进行黄河冰单轴压缩强度的试验,在黄河头道拐水文站附近取冰坯,加工成单轴压缩试验冰样,在实验室测试了其单轴压缩强度。试验温度分别为-3℃、-5℃、-7℃、-10℃、-15℃,应变速率范围10-7s^(-1)~10-2s^(-1)。试样按加载方向分为垂直冰面方向和平行冰面方向,分别测试75个和212个。试验得到250组有效数据,分析结果验证了单轴压缩强度的应变速率效应,建立了单轴压缩强度随应变速率变化的拟合公式;给出不同力学行为下的单轴压缩强度与温度和应变速率的统计关系,进而得到了宽应变速率范围下单轴压缩强度随温度变化的统计关系曲面。此外,试验还推断出河流流向与黄河冰单轴压缩强度之间不存在相关关系,垂直冰面方向加载试样的峰值强度比平行冰面方向加载试样的峰值强度高。

渤海沿岸海冰单轴压缩强度的基本特性分析

海冰单轴压缩强度是寒区海洋工程中的一个重要设计参数,也是影响海冰动力学行为的主要因素。在2008-2012年间的三个冬季,对渤海沿岸的海冰单轴压缩强度进行了现场与室内试验,由此分析了其在温度、卤水体积和应力率下的基本特征。测试结果表明,海冰单轴压缩强度与其温度呈幂函数关系,与卤水体积平方根呈指数关系,与应力率呈线性关系。此外还分别在不同温度与卤水体积下确定了海冰单轴压缩强度上包络限的变化规律。最后,综合考虑卤水体积和应力率的影响,对海冰单轴压缩强度分布特征进行了分析。以上研究有助于揭示渤海海冰基本力学性质,为冰区结构设计和海冰动力学分析提供参考依据。

点荷载强度指数估算与岩浆岩的单轴压缩强度的关系

单轴压缩强度是岩石工程建设中广泛使用的力学参数,直接确定单轴压缩强度相对耗时且较为麻烦。点荷载试验可以间接估算岩石的单轴压缩强度(UCS),试验方式简洁。通过收集到的岩浆岩点荷载试验成果,分析结果表明,(1)大部分转换公式在点荷载强度指数较大时得到偏高的单轴压缩强度值,特别是对部分幂函数;(2)ISRM(American Society for Testing and Materials)建议的取值范围仍然高估了岩石的单轴压缩强度值。为更准确地估算岩石的单轴压缩强度,建议采用点荷载强度指数50sI的二次函数(见式(1))估算岩石的单轴压缩强度,适用范围为0.0 MPa<50sI<15.0 MPa。

融冰期北极海冰单轴压缩强度的试验研究

为了评估融冰期北极海冰的单轴压缩强度,其中在中国第七次北极科学考察期间,现场钻取冰芯,测量冰层温度、盐度、密度和晶体结构;在低温实验室内将冰芯加工成标准试样并测量单轴压缩强度,其中试验应变速率为10^(-7)～10^(-2)s^(-1),温度分别为-3℃、-6℃和-9℃,加载方向为垂直冰面加载。试验结果表明:融冰期北极海冰表现出高温、低盐、低密度的物理性质;随应变速率增加,单轴压缩强度先增加再降低最后稳定,试样破坏形态由主裂缝贯穿转变为产生较多微裂缝;随孔隙率增加,单轴压缩强度降低。试验建立了以应变速率和孔隙率评估海冰单轴压缩强度的计算模型,通过冰层物理参数计算孔隙率,给出了融冰期北极冰层垂直方向的极限单轴压缩强度参考值。

中国船舶科学研究中心小型冰水池柱状盐水模型冰单轴压缩强度分析

新建的中国船舶科学研究中心小型冰水池采用淡盐水溶液制成了柱状模型冰。为了评估该模型冰的物理力学性能,进行了一系列试验测量。其中,利用取自冰层的大量样本对模型冰单轴压缩强度特性进行了检测分析,观察了模型冰的破坏模式和断裂行为,研究了压缩强度对应变率的依赖性。在对试验结果进行综合分析和评价的基础上,提出了进一步改进模型冰单轴压缩强度研究的方向。

卤水体积和应变率影响下的渤海海冰单轴压缩强度分布

2018—2021年3个冬季期间在渤海辽东湾鲅鱼圈海域沿岸进行海冰单轴压缩试验。采用典型的柱状结构海冰作为试验对象,试验中加载方向垂直于柱状结构冰晶的轴向,应变率选取区间为4.5×10^(-5)~7.5×10^(-3)/s,海冰试样的温度在-3~-33℃之间。每组试验完成后对温度、盐度和密度进行了测量,用于计算每个试验试样的卤水体积。试验结果表明:海冰试样的应变-应力曲线表现出3种典型形式:韧性破坏、单峰值脆性破坏和多峰值脆性破坏。海冰名义压缩强度和卤水体积呈指数关系,应变率影响下的海冰单轴名义压缩强度出现韧性区-过渡区-脆性区的转化过程,在韧性区和脆性区阶段海冰的单轴名义压缩强度和应变率均呈幂函数关系。此外,综合卤水体积和应变率的影响,确定了海冰名义单轴压缩强度在两者共同影响下的变化规律。

细粒酒精模型冰单轴压缩强度特征试验研究

介绍细粒酒精模型冰的单轴压缩强度试验研究的方法和结果．试验采用两种试样，即长方形和哑铃形．对长方形试样发生不同破坏模式发生的条件，即试样尺寸、加载速度和压头与试样接触面摩擦等效应进行了详细讨论．描述了细粒酒精模型冰单轴压缩强度的基本特征，并比较了两种试样的试验结果．

加载方向对海冰脆性破坏时单轴压缩强度的影响

对渤海的柱状海冰开展了系统的现场单轴压缩试验。在试验过程中,分别采用垂直于(水平加载)/平行于(竖直加载)冰晶的两种加载方向。同时,通过改变加载速率的方式研究了应变速率对压缩强度的影响。在测试结果中,结合试样的应变、应力以及裂纹特征分析了脆性破坏模式下海冰单轴压缩强度特征。试验结果表明:平行于冰晶方向的加载强度约为垂直于冰晶方向强度的3倍,并且两种加载方向的海冰单轴压缩强度均随加载速率的提高而降低。破坏模式的分析表明:脆性破坏主要由裂纹的发展所主导。随着加载速率的提高,海冰的破坏过程由单次破碎向多次破碎转变从而弱化了压缩强度。由于裂纹更容易在晶界处发展,不同加载方向下的裂纹特征以及最终的破坏模式有所区别。水平加载下的破坏模式以剪切形式为主,而竖直加载时主要发生柱状冰晶的屈曲破坏。屈曲破坏更容易发生在冰晶内部而表现出较高的压缩强度,因此竖直压缩强度更高。

海冰单轴压缩强度影响因素分析

海冰压缩强度是冰区海洋结构安全设计的重要参数之一,确定海冰物理特性对其单轴压缩强度的影响有利于确立冰区海冰荷载。通过分析国内外已建立的海冰压缩强度与物理参数的关系式,发现了这些关系式的适用性和局限性。基于室内实验的方法,对辽东湾和黄海海域的海冰进行了单轴压缩实验,分析了不同物理参数(加载速率、盐度、温度)下海冰试样的破坏特征及应力应变曲线特征,结果表明压缩强度的极值与加载速率的三次曲线函数相关,与卤水体积平方根的负幂函数相关。通过对ISO19906(2010)规范中的海冰压缩强度公式的修改,拟合出了辽东湾海域及庄河海域海冰压缩强度在宽加载速率范围的计算公式,此公式在宽应变速率范围内具有较好的拟合度。

人工淡水冰的单轴压缩强度试验技术

通过对电子万能试验机增加低温恒温试验箱,实现了人工淡水冰的单轴加载强度试验。试验试样为50×50×100(mm3)的长方体;沿垂直冰晶生长方向加载。试验采用不同的位移速率并观测了人工淡水冰韧脆转变过程的宏观破坏形式,以及冰的单轴压缩强度。同前人试验结果比较,获得了预期的试验结果。从而说明低温恒温试验箱0.1℃的控温精度,与天然冰类似晶体的人工冰以及电子万能试验机的组合进行冰的单轴压缩强度试验是可行有效的。

冰单轴压缩强度试验的方法与设备

以乌梁素海湖冰的单轴压缩强度试验为例,详细阐述了冰单轴压缩强度试验的试样制备、试验方法和所需设备。具体内容包括:现场采集冰坯的方法和工具;现场观测冰晶体结构所需薄冰片的制作方法和工具;冰密度的测量方法和工具;大连理工大学低温环境实验室内加工冰单轴压缩强度试验标准试样的加工设备;试验的主要设备和具体步骤。最后给出淡水冰压缩破坏的三种典型破坏形式及它们对应的应力-应变曲线。

喷雾冻结冰弯曲强度与单轴压缩强度试验研究

飞机发动机产生的明冰会改变流场分布,影响发动机组的正常工作,同时脱落后的明冰可能会对发动机部件产生破坏。弯曲强度和压缩强度是明冰基本的力学性质,依据明冰的形成原理,人工喷制明冰,并对明冰的弯曲强度和压缩强度进行测试,分析了温度对弯曲强度和压缩强度的影响。该研究为准确判断冰脱落形式以及脱落后的运行轨迹提供了重要依据,同时也为冰脱落数值仿真计算提供了可靠参数。

辽河口附近海冰单轴压缩强度的试验与统计特征

为研究影响海冰单轴压缩强度的因素,在渤海辽河口附近海域采集冰坯,加工成方柱状冰样.在试验温度分别为-3℃,-5℃,-7℃,-10℃和-15℃下,对225个冰样沿平行和垂直自然冰表面方向进行加载.研究试样温度,加载方向,应变速率和孔隙率对海冰单轴压缩强度的影响.试验结果表明:海冰单轴强度随试样温度的降低而增加;垂直方向冰样的峰值强度高于水平方向,海冰表现为各向异性.利用试验结果建立了韧性区内海冰单轴压缩强度与应变速率和孔隙率的统计关系.

基于热力数值模式的营口海域海冰单轴压缩强度分布规律

海冰灾害对冰区人类经济活动有着重要影响。本文基于2020/2021年冬季在将军石港观测的海冰温度与海冰盐度数据,结合海冰卤水体积参数化方案,给出基于海冰温度的海冰卤水体积分数评估公式;结合近67年的海冰温度计算结果,重现历年海冰单轴压缩强度演变过程,发现营口海域海冰单轴压缩强度呈减小趋势(0.0027 MPa/a);分析海冰单轴压缩强度的概率分布,发现20世纪90年代后低强度海冰发生概率增大;评估营口海域20世纪60年代与近十年不同重现期下的单轴压缩强度,发现随着重现期的增大两个年份对应的力学强度差值也越来越大,且规范给出的重现期强度值小于上述计算结果。本文可为冰区经济活动的防灾减灾精细化管理提供科学支撑。

不同温度下冻土单轴抗压强度与电阻率关系研究

为了研究青藏铁路路基在载荷下的力学行为,探索新型手段快速准确地估计冻土的单轴抗压强度参数,采用北麓河粉质黏土在室内进行了不同温度的冻土单轴压缩试验,并全过程监测土样电阻率的变化,得到了冻土的应力-应变-电阻率全过程曲线。试验结果表明,在干密度ρd=1.71g/cm3且含水率w=17.83%下,冻土的单轴抗压强度随温度降低而线性增加;初始电阻率ρ0随温度降低逐渐增大,从-20℃对温度的敏感性开始显著增强;冻土单轴抗压强度与初始电阻率之间满足半对数线性关系,相关性很好,因此测定初始电阻率可准确估算冻土的qu。从应力-应变-电阻率全过程曲线来看,冻土在单轴载荷作用下经历的压密、弹性变形、塑性屈服、破裂后各阶段对应电阻率变化趋势是快速减小至最小、稳定增加、剧烈增加,这种关联的变化关系也说明用电阻率法来研究冻土强度及载荷下的变形问题是可行的。

河冰单轴压缩破坏过程细观数值仿真

为了解并认知河冰材料的内在属性,对黄河封冻期的河冰进行了现场取样观测并开展了单轴抗压破坏过程的物理试验,依据物理试验结果,在细观层面将河冰看成由晶粒、晶界、初始缺陷构成的非均质材料,给出了随机缺陷界面弹簧元模型模拟河冰单轴压缩强度的数值方法,模拟了河冰在单轴受压荷载作用下的开裂破坏过程,分析了初始缺陷分布和含量、晶粒尺寸等各相组分对河冰力学性能的影响。结果表明:随着初始缺陷含量的增加,河冰单轴压缩强度呈下降趋势,但下降幅度逐渐变缓;随着晶粒尺寸的增加,河冰单轴压缩强度呈降低趋势,且与晶粒尺寸d-1/2呈线性相关关系。与物理试验对比发现,该计算模型能较好地模拟黄河冰的单轴压缩强度和开裂过程。

基于神经网络的节理岩体单轴强度预测

基于RMT-150C岩石力学试验系统上的节理岩体单轴压缩试验结果,分析了影响节理岩体单轴压缩强度的因素。节理岩体的单轴压缩强度与节理贯通度、节理倾角、节理个数等因素有关,且是一种复杂的非线性关系。同一贯通度节理岩体在节理倾角为0°时峰值强度最大;同一节理倾角岩体的峰值强度随着贯通度的增大而减小。考虑到多种因素对节理岩体单轴压缩强度的影响,建立了BP神经网络模型,对节理岩体的单轴压缩强度进行预测,然后利用遗传算法优化BP神经网络模型。通过岩石单轴压缩试验样本数据的学习,遗传算法优化的神经网络模型能够很好地预测节理岩体的单轴压缩强度。

渤海湾海冰压缩强度测试研究

渤海湾处于冬季结冰的区域,冰荷载是结构设计的主要控制荷戢。目前,渤海湾存在很多石油平台,未来几年海上风力发电将在该海域兴建。对于导管架平台、海上风电基础及海上升压站平台等抗冰结构而言,海冰的挤压破坏强度引起的极值冰力最为重要,因此确定该海域海冰压缩强度,对结构设计中冰荷载的计算是非常重要的。对压缩强度的主要影响因素(应变速率和冰温)进行了分析,并与已有的相关结论进行了比对。

裂隙面摩擦系数变化对大理岩单轴抗压强度的影响

通过剪切试验,研究饱水岩石裂隙面摩擦系数的变化,结果表明,饱水岩石的孔隙水在裂隙表面覆盖一层水膜,当裂隙出现相对滑动趋势时,水膜造成裂隙面摩擦系数降低;基于室内试验结果,运用离散元软件FLAC模拟并分析裂隙面水膜对裂隙周边应力分布的影响,结果显示,由于裂隙面摩擦系数降低,饱水岩石内裂隙的拉应力集中效应更明显;运用颗粒流软件PFC模拟单一裂隙岩石试样的单轴压缩试验,结果表明,孔隙水膜是饱水岩石单轴压缩强度降低的重要原因之一,并使饱水岩石的破坏模式由贯通性的剪切破坏面变为非贯通性的张拉破坏面。