冰的力學性能試驗研究

郭潁奎, 孟聞遠

(華北水利水電大學,河南 鄭州 450045)

摘要：為解決冰凌災(zāi)害防治研究中冰的力學參數(shù)取值問題,在傳統(tǒng)力學試驗方法的基礎(chǔ)上,通過改進試驗設(shè)備、控制試驗條件,測得了冰體在不同溫度(-5、-15、-25、-30、-35、-40 ℃)及不同加載速率(0.05、0.10、0.30、0.50、0.80 kN/s)下的強度、變形和彈性模量.通過分析，比較不同條件下冰體破壞特征和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,得出了冰體力學參數(shù)及其材料性能,為冰凌災(zāi)害防治、冰凌爆破及數(shù)值模擬等研究提供了數(shù)據(jù)參考.

關(guān)鍵詞：冰;力學性能;溫度；加載速率中圖分類號：TV875文獻標識碼：A文章編號：1002-5634(2015)03-0040-04

收稿日期:2015-01-11

作者簡介：周厚貴(1962—),男,湖北枝江人,教授級高級工程師,中國能源建設(shè)集團總工程師、副總經(jīng)理,河海大學博導(dǎo),博士,主要從事水利水電建設(shè)與管理方面的研究.

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.03.011

我國北方江河冬春季節(jié)容易發(fā)生冰塞、冰壩等冰凌災(zāi)害[1-2].如流冰對橋墩、堤壩的撞擊,寒冷地區(qū)冰蓋凍脹力對橋梁、大壩的作用等,嚴重影響水中建筑物的安全運行和沿岸人民的正常生活.為有效預(yù)防和控制冰凌災(zāi)害的發(fā)生,開展有關(guān)冰凌災(zāi)害防治和冰體力學性能等方面的研究具有重要的現(xiàn)實意義.

由于冰體材料的特殊性,目前國內(nèi)外開展冰力學性能試驗的研究較少[3-6].大連理工大學李志軍的教授主要開展海冰物理和力學性能的研究,東北林業(yè)大學于天來教授主要開展河冰力學性能和冰凌災(zāi)害防治技術(shù)的研究.由于缺乏冰體力學試驗的規(guī)范和專用試驗設(shè)備,目前冰體力學參數(shù)還沒有統(tǒng)一的標準值.本文主要開展冰體的抗壓和劈拉試驗,測得了不同溫度、不同加載速率下冰體的抗壓強度、抗拉強度，計算得到不同條件下的彈性模量，分析各參數(shù)隨溫度和加載速率而變化的趨勢,為冰特性研究[7-8]、冰凌爆破數(shù)值模擬等提供數(shù)據(jù)參考.

1試件的選材及加工

試驗所用的設(shè)備和工具主要有低溫冰柜、不銹鋼管、塑料桶、切割機和鋼鋸等.參照有關(guān)材料的力學性能試驗標準[9],經(jīng)過冷凍、取樣、切割和加工等多道程序,制作出50 mm×100 mm的圓柱體標準試件.

2試驗方法及試驗條件

試驗儀器采用微機控制電液伺服萬能試驗機,加載速率為0.05、0.10、0.30、0.50、0.80 kN/s,試件溫度設(shè)定為-5、-15、-25、-30、-35、-40 ℃,在一定溫度和加載速率下進行5個試件的抗壓試驗,試驗室溫度在0 ℃左右,試驗機壓頭和壓座處采用剛度很大的復(fù)合材料板進行隔熱,以此來減小外界環(huán)境對冰材料性質(zhì)的影響.

3冰單軸受壓全曲線幾何特點

試驗過程中,冰的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征呈現(xiàn)一定規(guī)律,在-15 ℃和0.1 kN/s加載速率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示.由圖1可知:①曲線在彈性階段具有明顯的直線段;②試件脆性特性明顯,在加載達到極限強度時,冰體直接破碎失效.由于儀器探頭沒有完全接觸冰試樣,且在探頭接觸冰樣瞬間,冰表面融化,很小的壓力就發(fā)生較大變形,OA階段幾乎為一條直線;AB階段,冰試樣內(nèi)部微裂縫不明顯,但裂縫在不斷發(fā)展,曲線切線斜率不斷減小;BC階段,冰試樣內(nèi)部氣泡和微裂縫連通形成破壞面,內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整,C點以后曲線進入下降階段,峰值應(yīng)力即為冰試樣的抗壓強度fc;CD階段,隨著裂縫不斷擴張,冰試樣發(fā)生失效破壞,該階段曲線下降很陡,冰呈現(xiàn)脆性,試樣最終強度接近于0.0 MPa.

圖1　冰體受壓破壞應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

4試驗數(shù)據(jù)分析

4.1　冰體的抗壓試驗

冰的抗壓強度和壓縮彈性模量是冰下水中爆炸研究的主要參數(shù).這些參數(shù)的獲得可為工程實踐以及數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)參考.另外,冰的單軸無側(cè)限壓縮試驗,力學概念清楚,是研究天然冰基本特性與冰力學性能的基本方法.冰體在力的作用下從局部或內(nèi)部開始產(chǎn)生裂縫,隨著荷載的增加,裂縫繼續(xù)延伸、擴張,直至最后冰體破碎,結(jié)構(gòu)失效.所以常用冰的強度來確定冰的最大抗力,一般并不考慮冰內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的破損,而是通過試驗得到極限應(yīng)力作為冰的單軸壓縮強度[10-11].軸心抗壓強度的計算公式為

(1)

式中:fc為軸心抗壓強度;F為試件破壞的最大荷載;A為試件的承壓面積.

抗壓強度與溫度的關(guān)系如圖2所示.

圖2　抗壓強度-溫度關(guān)系曲線

由圖2可知,在加載速率一定的條件下,一定范圍內(nèi)抗壓強度隨著溫度降低而增大,達到最大值后,隨著溫度繼續(xù)下降,抗壓強度呈下降趨勢.

抗壓強度與加載速率的關(guān)系如圖3所示.由圖3可知,加載速率對抗壓強度的影響不太明顯.在溫度一定的條件下,溫度為-30、-40 ℃的冰體在加載速率分別為0.50、0.30 kN/s以下時，其抗壓強度均隨著加載速率的增加而增加,并在加載速率分別為0.50、0.30 kN/s時最大;溫度為-30、-35、-40 ℃的冰隨著加載速率的變化都存在抗壓強度最大值,而且冰抗壓強度在達到最大值后均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢;溫度為-5、-15、-25 ℃的冰體隨著加載速率的增加，其抗壓強度呈增大趨勢.由圖3還可知,溫度為-35 ℃的冰體在加載速率0.30 kN/s時抗壓強度達到最大值6.89 MPa.

圖3　抗壓強度-加載速率關(guān)系曲線

4.2　冰體的劈裂抗拉試驗

目前對冰體抗拉強度的研究有多種試驗方法,按試件受力情況的不同,分為3種:直接受拉試驗法、劈裂抗拉試驗法和彎折試驗法.劈裂抗拉試驗法因測量簡單易行，目前已被工程上廣泛使用,并以此來推斷冰體的軸拉強度[9].常用的圓柱體試件劈裂抗拉強度ft的計算公式為

(2)

式中:F為試件破壞荷載;l為試件高度;d為圓柱體直徑.

劈裂抗拉強度與溫度的關(guān)系如圖4所示.由圖4可知,在加載速率一定的條件下,冰體材料的劈裂抗拉強度隨溫度而變化的趨勢不明顯,但有極大值出現(xiàn).

劈裂抗拉強度與加載速率的關(guān)系如圖5所示.由圖5可知,在溫度一定的條件下,加載速率對劈裂抗拉強度的影響也不太明顯,總體上,冰體的劈裂抗拉強度隨著加載速率的增加稍有增大,達到某一加載速率時,冰的劈裂抗拉強度達到極大值,而后隨著加載速率的繼續(xù)增加,冰的劈裂抗拉強度呈下降趨勢.劈裂抗拉強度的最大值3.31 MPa出現(xiàn)在溫度-40 ℃、加載速率0.3 kN/s的情況下.

4.3　河冰彈性模量

河冰彈性模量是冰下水中爆炸仿真分析所需的基本參數(shù)之一.目前，國內(nèi)對河冰彈性模量的研究較少,對其規(guī)律的認識尚不全面,為此根據(jù)冰體單軸壓縮強度試驗結(jié)果來推導(dǎo)其彈性模量[3].在均勻加壓冰體的初始階段,由于試件在制作上存在誤差或冰體上表面不夠平滑,上壓頭與其不能充分接觸,表現(xiàn)出來的彈性性能不明顯.因此,在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上選取直線上升階段來進行研究.按式(3)計算壓縮彈性模量值.

(3)

式中:l為試件高度;d為圓柱體直徑;ΔF為荷載變化量;Δl為試件兩側(cè)變形的平均值.

壓縮彈性模量與溫度的關(guān)系如圖6所示.由圖6可知,在0～-35 ℃、同一加載速率下,冰體壓縮彈性模量隨溫度降低呈增大的趨勢,在-35 ℃左右達到最大值.

圖6　壓縮彈性模量-溫度關(guān)系曲線

壓縮彈性模量與加載速率的關(guān)系如圖7所示.由圖7可知,在同一溫度下,壓縮彈性模量隨著加載速率改變而改變,存在極值點,但是出現(xiàn)峰值時的加載速率不一樣.溫度為-5、-15、-25 ℃的冰體材料在加載速率小于0.3 kN/s的情況下,壓縮彈性模量隨著加載速率的增加而增大;在加載速率大于0.30 kN/s的情況下，壓縮彈性模量隨著加載速率的增加而減小.溫度為-30、-35 ℃的冰體材料在加載速率小于0.50 kN/s時,壓縮彈性模量隨著加載速率的增加而增大；大于0.50 kN/s的情況下，壓縮彈性模量隨著加載速率增大而減小.壓縮彈性模量在溫度-35 ℃、加載速率0.50 kN/s時出現(xiàn)最大值0.84 GPa,在溫度為-5 ℃、加載速率0.05 kN/s時出現(xiàn)最小值0.47 GPa.

圖7　壓縮彈性模量-加載速率關(guān)系曲線

5結(jié)語

通過開展冰的單軸壓縮試驗和劈裂抗拉試驗,測得了不同條件下冰的抗壓強度和劈裂抗拉強度,計算得出其不同條件下的彈性模量.

1)在加載速率一定的情況下,冰體抗壓強度隨著溫度的降低而逐漸增大,在-35 ℃左右達到最大；之后,隨著溫度繼續(xù)降低,冰體抗壓強度反而減小.

2)一定溫度(-5、-15、-25 ℃)下,冰體抗壓強度隨著加載速率的增大呈增大趨勢.

3)在相同溫度、相同加載速率情況下,冰的抗壓強度值近似等于抗拉強度值的2倍.

4)在0～-35 ℃、同一加載速率下,冰體壓縮彈性模量隨溫度降低呈增大的趨勢,在-35 ℃左右達到最大值.

參考文獻

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Experimental Investigations on Mechanical Properties of Ice

GUO Yingkui, MENG Wenyuan

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:For solving the problem of determining the values of mechanical parameters in researches on controlling icicle hazards, on the basis of experimental methods of classical mechanics, through improving the test equipment and controlling test conditions, the strength, deformation and elastic modulus of icicles were obtained at the temperatures of -5, -15, -25, -30, -35, -40 ℃ and the loading rates of 0.05, 0.10, 0.30, 0.50, 0.80 kN/s. Through analyzing and comparing damage characteristics and stress-strain curves of ice bodies under different conditions, the mechanical parameters and material properties of ice bodies were obtained, and these can supply reference datum for the researches on controlling icicle hazards, blasting icicles, numerical simulation, and so on.

Keywords:ice; mechanical property; temperature; loading rate

(責任編輯:陳海濤)