人工淡水冰单轴压缩强度试验研究

利用高精度控温的低温冰压力试验机,进行了-5、-10、-15、-20和-30℃5种温度、应变速率变化范围为10-8~10-2s-1的人工淡水冰单轴压缩强度试验,加载方向垂直于冰的晶轴方向。结果表明,人工淡水冰压缩强度随着应变速率有较明显的变化。冰极限压缩强度在韧-脆转变过渡区达到最大值,且随着温度的降低其过渡区逐渐向低应变速率偏移,主要发生在1×10-5~3×10-3s-1范围内;在其相对应的韧性区范围内,冰的极限压缩强度与应变速率呈幂函数关系。在相同的应变速率下,冰的破坏应力随着试验温度的降低而增大。

三向受力条件下淡水冰破坏准则研究

为了更清楚地认识含冰冻结壁力学特性、解决复杂冰岩耦合问题以及给冰工程设计和数值仿真分析提供参数,有必要对冰在三向受力条件下的力学特性进行深入研究.以内蒙古自治区东胜煤田石拉乌素矿立井井筒建设为背景,参考现场水文地质资料在室内制作相似冰样,利用TDW-200低温冻土试验机,进行了4组温度和7组围压的人工淡水柱状冰三轴压缩强度试验,加载速率为0.5 mm/min,加载方向垂直于冰的晶轴方向.结果表明:在恒定温度条件下,柱状冰随围压增大塑性增强,而恒定围压条件下,柱状冰随温度降低脆性增强;在试验温度范围内,淡水柱状冰和多晶冰强度均随围压、温度升高而增大,但同条件下柱状冰强度高于多晶冰;采用D-A模型、Teardrop模型解释了高压下偏应力与围压之间的非线性关系,从不同角度对拟合得到的破坏准则综合考虑,认为D-A准则更适合用于描述淡水冰的破坏特征.研究结果可为后期同条件冰-岩耦合、数值模拟研究提供参考.

天然淡水冰断裂韧度的试验研究

为满足按照断裂力学方法进行静冰压力分析的需要,对淡水冰的断裂韧度进行了系统的试验研究.三点弯曲试件采用天然原型冰制作,试验温度为-2℃和-8℃,应变率为6.25×10-5s-1、6.25×10-6s-1和6.25×10-7s-1,在已公开发表的文献中这是很少涉及的试验参数条件.结果显示:S1型柱状晶粒冰的断裂韧度随着应变率的降低和温度的升高而增加,KIC=86.2～226.0kPa·m1/2,比通常在较低温度和较高速率条件下的测量值有显著的提高.

天然淡水冰单轴压缩强度及其温度和应变率效应

本文报道了在不同温度和不同应变率下天然淡水冰单轴压缩强度的实验结果。指出S-1型柱状晶粒冰的压缩强度随着温度的降低而增加,极限压缩强度在应变率为10^(-4)S^(-1)时有一个最大值。本实验的应变率范围是10^(-5)—10~0s^(-1)。10^(-1)—10~0s^(-1)的应变率范围是在冲击速度lm/s左右的实验条件下获得的,这个速度接近于浮冰与海上结构物相撞的情况。以本实验为基础,有希望发展对海冰的实验技术。

大庆红旗泡水库淡水冰弯曲强度试验研究

采用三点弯曲法对大庆红旗泡水库淡水冰试样进行弯曲试验。冰梁发生破坏时,主要经历三个阶段:第一阶段是在杂质和气泡边缘首先产生微裂缝;随着荷载的增加,出现新的微裂缝,并且受拉区达到抗拉强度,此为第二阶段;此后荷载继续增加,冰中微裂缝扩展延伸为宏观裂缝,当施加的荷载大于冰梁的抗拉强度时,冰梁即被破坏,这是第三阶段。在分析上述淡水冰破坏机理的基础上,对试验结果进行研究。结果表明,水库淡水冰弯曲强度与应力速率和冰温有着密切关系。在小于2kPa/s的应力速率范围内,随着应力速率的增大,弯曲强度减小。冰温在-5℃～-15℃范围内,对应的应力速率在30～70kPa/s范围内时,冰梁弯曲强度达到极限,同时也揭示了极限弯曲强度对应的应力速率随着温度的降低逐渐向低应力速率转化。达到极限弯曲强度后,应力速率继续增加,弯曲强度值呈减小趋势。弯曲强度随着冰温的降低呈增加趋势,且弯曲强度在-15℃时达到最大值2 270kPa。

大颗粒柱状淡水冰无侧限剪切强度及其影响因素

针对大颗粒柱状冰无侧限剪切强度同加载方向、加载应变速率和冰样温度有关,在加载应变速率5.00×10-5/s^5.00×10-2/s区间内、试验温度分别为-0.5℃、-2℃、-5℃和-10℃、进行两个加载方向分别为垂直加载(加载力平行于晶体生长方向)和水平加载(加载力垂直于晶体生长方向)的无侧限剪切试验。结果发现,在既定试验条件下,剪切强度随着温度和应变速率的减小有增大趋势;比较两个加载方向剪切强度可知,在-5℃和-10℃条件下力学性质的各向异性更为明显,而在-0.5℃和-2℃时两个加载方向剪切强度相差不大;另外在气泡含量小于8.65%情况下,冰内气泡含量对大颗粒柱状冰剪切强度影响不大。

用扭转试验研究淡水冰的剪切强度及模量

引用各向同性线弹性理论对淡水冰进行了扭转试验研究，测定了扭矩作用面平行于冰的晶柱方向；温度为２６３Ｋ，在不同的剪应变速率γ情况下，淡水冰的扭转强度极限τｂ及剪切弹性模量Ｇ．通过试验数据的分析，得到如下结论：在２６３Ｋ温度下，γ在０．０１２×１０－３～２．３００×１０－３ｓ－１范围内，冰的τｂ随γ的增加而略有降低，其平均值为０．７５６ＭＰａ，而Ｇ随γ的增加无明显增大，约成４５°的螺旋面破坏，如同铸铁试样扭转破坏断口一样．

寒区水库淡水冰导温系数的优化辨识

为探究接近冰点的天然淡水冰导温系数依赖于温度的非线性变化关系,利用分布参数系统参数辨识方法,建立了以淡水冰导温系数依赖于温度函数的参数辨识模型,数值求解该模型辨识计算出淡水冰导温系数的非线性关系.并用该辨识结果数值模拟了山西太原汾河二库淡水冰温度变化过程,模拟结果表明:辨识得到的水库淡水冰依赖于冰温变化的导温系数关系式是有效的.

黑龙江地区淡水冰表面太阳短波辐射与云量关系的优化辨识

依据文献中高纬度海冰区太阳短波辐射与云量关系的参数化方案,利用2009年、2010年两个冬季黑龙江省红旗泡水库现场观测的太阳短波辐射数据和中国气象数据共享网上下载的云量数据,以及观测点的太阳天顶角、太阳时、纬度等数据,根据最小二乘法构造参数辨识模型,用MATLAB编程求解该参数辨识模型,分析得到黑龙江地区淡水冰表面太阳短波辐射与云量关系的参数化方案.

淡水冰与不同材料间动摩擦因数的试验

为研究淡水冰的动摩擦规律,通过不同材料的滑道对淡水冰与多种材料间的动摩擦因数进行了试验研究,分析了温度、正压力和滑动速度的改变对动摩擦因数的影响。试验结果表明:各因素对动摩擦因数的影响取决于接触材料的表面粗糙程度,不同的接触面其摩擦作用的机理不同,接触面较粗糙时,摩擦力取决于软接触材料的抗剪强度;接触面较光滑时,接触界面的水膜对动摩擦因数的增大起主导作用。冰与不同材料间的动摩擦因数的大小顺序为木板、混凝土、冰。

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。

淡水冰导温系数参数识别的应用

利用识别得到的淡水冰导温系数依赖于冰温的变化关系式,模拟山西太原汾河二库淡水冰温度场的变化情况.使用导温系数经验常数模拟同一水库温度场的变化情况.经过比较得出:依赖于冰温变化的淡水冰导温系数更符合实际.

我国淡水冰力学性质研究进展

中国东北和西北地区冬季常发生冰冻现象,冰冻带来的各种冰灾害给我国寒区发展造成巨大困难,同时严重影响了这些地区的经济发展。为了更好地对淡水冰力学性质进行进一步研究,本文对国内淡水冰的力学性质进行了总结与归纳,主要包括抗压强度、剪切强度、弯曲强度,以及影响相关强度的各种因素。本文根据已有研究现状,对今后的淡水冰力学性质研究提出了相关建议,希望能为寒区工作提供参考与帮助。

淡水冰三轴压缩力学特性试验研究

为了能够充分认识三向受力状态下冰体的力学特性,采用TDW-200低温三轴试验机,并在4组温度、7组围压和5组应变速率条件下,对3种不同尺寸淡水柱状冰样进行单轴和常规三轴压缩强度试验,加载方向垂直于冰的晶轴方向.结果表明,在恒定应变速率和较低温度下,当围压在6MPa以内时,柱状冰试样以劈裂破坏为主,当围压大于6MPa时,试样由劈裂破坏向剪切破坏过渡;在试验温度范围内,围压对柱状冰试样强度的影响远高于温度的影响;柱状冰强度、弹模和泊松比均与应变速率呈良好的正线性相关,且应变速率增大使柱状冰由流塑破坏向脆性破坏迁移;柱状冰强度、变形和破坏模式受试样尺寸影响明显,当试样截面尺寸相同时,高径比越大残余强度和偏应力-应变曲线的曲率越小,对应强度、弹模却越大,当高径比相同时,残余强度、偏应力-应变曲线曲率、强度和弹模均随截面尺寸的减小而增大;提出一种新的改进Duncan-Chang模型,并利用实测柱状冰应力-应变曲线对新模型进行验证,取得良好效果.

水库淡水冰剪切强度试验研究

对红旗泡水库淡水冰开展了剪切强度系列试验,累计得到236个试样的剪切强度数据.分析了剪切强度随温度、剪切应变速率以及加载方向的变化规律.通过试验结果得到剪切强度随剪切应变速率的变化规律,利用统计分析得出峰值剪切强度与冰温度的试验关系.同时分析了水库冰各向异性特点,产生不同加载方向下剪切强度的差异.

乌梁素海湖冰单轴压缩强度特征试验研究

为积累有关纯热力生长淡水柱状冰单轴压缩强度的实际资料,选择黄河河迹湖-乌梁素海的柱状冰制备试样。利用具有严格恒温控温和位移速度控制的电子万能试验机,对垂直冰面加载和平行冰面加载的二类试样进行-2℃、-5℃、-7℃、-10℃和-15℃下不同恒位移速度的试验,研究了应变速率、加载方向及温度对单轴压缩强度的影响。试验结果得到:相应温度下试样的单轴压缩强度随着应变速率的增加,存在先增高到峰值,之后再降低,最后趋于平稳的特征;冰样存在3种破坏形式:鼓胀破坏、剪切破坏和劈裂破坏;在试验温度范围内,冰强度随温度降低有着明显提高;试样单轴压缩强度随温度和应变速率的影响由一个二元统计关系表达;垂直冰面方向加载的试样强度比平行冰面方向加载试样强度大。对于乌梁素海的柱状冰,垂直冰面方向加载的试样峰值单轴压缩强度是平行冰面加载试样的2.1倍;出现峰值强度的应变速率随温度升高而增加;峰值强度随温度的变化能够采用对数函数表达。

大庆水库冰表面温度特征及其在冰工程实践应用方法探讨

根据冰面热平衡方程并以大庆红旗泡水库冰面观测的气温、太阳辐射、风速、相对湿度、冰厚数据以及水库附近安达气象站记录的云量、湿度和海平面气压数据,求解了2009/2010年度冬季的冰表面温度,并分析了冰表面温度特征及其同太阳辐射之间的关系、同气温、风速之间的响应关系。在此基础上,就传统考虑的抗冰工程设计所需的设计冰表面温度进行了评估;就日益增加的安全用冰工程设计所需冰表面温度取值也给予定量讨论;对气候变化下的冰内和冰下水体生态适应问题所需的冰面温度日内变化速率和开河期冰凌爆破所需冰表面温度的取值也进行探索。尽管受国际气象资料观测规定的限制,历史资料的应用存在利用接近观测时刻资料的事实,但仍然期望这些分析和讨论能够推动科学地、更广阔地应用冰表面温度。

基于BDS利用海洋上冰山为人类服务的设想

海洋上冰山虽然被人们称为"海洋杀手",但是如果人类能够在远航之前做好充分的准备,亦可以利用冰山为人类服务。本文阐述了海洋上冰山的特点,而且研讨了基于北斗卫星导航系统(BDS)利用海洋上冰山为人类服务的设想。本文研讨的结论也可以为以后数字海洋的建设提供参考。

黑龙江地区水库雪/冰表面温度特征分析

根据雪/冰表面热平衡方程以及黑龙江大庆红旗泡水库2009年冬季现场观测数据和在中国气象数据共享网上下载的安达气象站有关气象数据,模拟计算出红旗泡水库2009年冬季的雪/冰表面温度,发现雪/冰表面温度、气温和净辐射之间存在明显的周期性变化,分析研究了雪/冰表面温度的特征及规律,在此基础上得到雪/冰表面温度最低和最高设计值.统计现场观测气温得到谷值气温一般出现在凌晨,且大多集中在7：00~8：00之间,是以往选取凌晨6：00气温作为最低设计冰温的一个佐证.

红旗泡水库冰面裂缝图像信息提取和初步分析

利用2008~2009年冬季在大庆红旗泡水库获取的138幅冰裂缝数码照片进行图像分析。比较了Image-Pro Plus方法和ACD See和Photoshop联合方法在冰裂缝分析中的优缺点。结果表明运用Image-Pro Plus方法可以自动化处理,但该方法在图片裂缝处理的结果很不精确,只能用于粗略估算。ACD See和Photoshop联合方法处理的结果相对于前一种方法精确,但其操作复杂,与前一种方法相比处理速度较慢。此外运用分形理论,对冰面裂缝进行分析处理,得到分形维数在1.2~1.7之间,冰裂缝分形维数和冰裂缝密度之间有很好的相关性;而冰裂缝角度无论是主要裂缝还是次要裂缝,都具有自相似性,表明冰面裂缝的产生机理相同。