卤水体积和应力速率影响下海冰强度的统一表征

无论在地球物理尺度下研究海冰的动力学演化特性,还是在工程结构尺度下分析海冰与海洋结构物的相互作用过程,海冰强度均是影响海冰宏观变形和细观破坏规律的重要力学参数。本文通过对渤海海冰物理力学性质的现场和室内试验,分析了海冰压缩、弯曲和剪切强度参数与卤水体积、应力速率的对应关系。试验结果表明,海冰强度与卤水体积更好地呈指数关系,与应力速率呈线性关系;在此基础上,本文建立了由卤水体积和应力速率共同表征的海冰强度统一函数关系,为工程领域对海冰强度的选取提供有力的参考依据。

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。

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。

渤海海冰断裂韧度试验

海冰的断裂韧度是近海结构冰荷载分析的重要参数,也是影响海冰断裂、重叠和堆积等动力行为的主要力学特性。2011—2012年冬季现场采集了渤海莱州湾的海冰试样,在室内低温环境下通过三点弯曲试验测得了不同温度、盐度和加载速率下的海冰断裂韧度KIC。结果表明,卤水体积(温度和盐度)和加载速率对KIC的影响比较显著。随温度和加载速率的降低,KIC值均会增大,且与卤水体积的平方根呈负指数关系。为极限破坏状态下海冰的断裂过程和冰荷载分析的参数选用提供了依据。

渤海海冰侧限压缩强度的影响因素分析

为研究海冰在侧向作用下的压缩强度,针对A型侧限加载方式,对不同温度、盐度和加载速率下的海冰压缩强度进行了试验研究。利用统计方法分析了试验结果,表明侧限压缩强度与卤水体积的平方根存在负幂函数关系,与侧限应力呈线性关系,而受加载速率的影响并不明显。海冰侧限压缩强度与各影响因素(海冰温度、盐度、侧向力)间的函数关系可为冰荷载的确定提供参考。

渤海莱州湾和黄河口附近海冰剪切强度的试验研究

剪切强度是海冰的基本力学性质,直接影响到冰区结构物冰荷载的确定以及海冰在动力演变过程中的破坏行为。采用侧限单面剪切试验对渤海莱州湾和黄河口的海冰进行了剪切强度测试,分析了温度、卤水体积、剪切应力率的影响。结果表明,海冰剪切强度随冰温的降低和剪切应力率的增大而呈线性增长,而与卤水体积的平方根呈幂函数降低。在此基础上,综合考虑卤水体积和剪切应力率的影响,对海冰剪切强度进行了双参数拟合,为研究海冰剪切破坏机理提供了参考依据。

南极春季海冰物理对叶绿素控制作用的统计分析

利用2006年南极威德尔海西北海域冬末春初的冰芯晶体结构,和302组冰芯温度、盐度、密度、叶绿素-a、脱镁叶绿素数据,以及冰底面叶绿素a垂直分布数据,进一步确定积雪/海冰厚度、冰内温度、盐度、密度对冰内和冰下叶绿素a的贡献.利用环境制约与生态平衡原理,阐明积雪/海冰厚度通过阻碍光通量对冰底叶绿素的效应,以及卤水体积通过冰温度和盐度体现对冰藻细胞活性的抑制作用.统计分析不仅确立了南极海冰冰内卤水体积-内叶绿素a的逻辑斯蒂上限含量曲线,并体现出粒状冰同柱状冰卤水排泄方式的差异及其对冰底春季叶绿素a快速增长的冰物理贡献.冰藻细胞活性指标小于0.5的仅占4.3%,该数据为南极冰藻是维持南极冰区浮游植物旺发的主导因子提供了重要依据.

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。

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。