羅成喜， 張大勇， 王國軍， 于哲敏， 婁春娟， 岳前進(jìn)

(1. 中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 長沙 410014;2.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 盤錦 124221；3.大連海洋大學(xué) 土木與海洋工程學(xué)院， 遼寧 大連 116023)

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渤海灣海冰壓縮強(qiáng)度測(cè)試研究

羅成喜1， 張大勇2， 王國軍2， 于哲敏3， 婁春娟2， 岳前進(jìn)2

(1. 中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 長沙 410014;2.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 遼寧 盤錦 124221；3.大連海洋大學(xué) 土木與海洋工程學(xué)院， 遼寧 大連 116023)

渤海灣處于冬季結(jié)冰的區(qū)域，冰荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制荷載。目前，渤海灣存在很多石油平臺(tái)，未來幾年海上風(fēng)力發(fā)電將在該海域興建。對(duì)于導(dǎo)管架平臺(tái)、海上風(fēng)電基礎(chǔ)及海上升壓站平臺(tái)等抗冰結(jié)構(gòu)而言，海冰的擠壓破壞強(qiáng)度引起的極值冰力最為重要，因此確定該海域海冰壓縮強(qiáng)度，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中冰荷載的計(jì)算是非常重要的。對(duì)壓縮強(qiáng)度的主要影響因素(應(yīng)變速率和冰溫)進(jìn)行了分析，并與已有的相關(guān)結(jié)論進(jìn)行了比對(duì)。

單軸壓縮強(qiáng)度；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；室內(nèi)試驗(yàn)；應(yīng)變速率敏感性

0 引言

圖1 冰樣采集流程

冰荷載是寒區(qū)海洋結(jié)構(gòu)物的主要控制荷載。平整海冰與直立樁腿結(jié)構(gòu)之間的作用，發(fā)生擠壓破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大荷載，此時(shí)海冰的壓縮強(qiáng)度是確定冰荷載的決定因素之一。目前，很多寒區(qū)抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(美國石油工業(yè)協(xié)會(huì)API)中的結(jié)構(gòu)靜冰力計(jì)算公式，其本質(zhì)就是把海冰的擠壓破壞過程，近似為大尺度的單軸壓縮狀態(tài)，然后乘以一個(gè)折減系數(shù)或權(quán)值，海冰的單軸壓縮強(qiáng)度是極值靜冰力計(jì)算的重要參數(shù)，不同壓縮強(qiáng)度的海冰產(chǎn)生的擠壓冰力相差很大。因此，對(duì)亟待開發(fā)的新海域，研究海冰力學(xué)性能尤其是單軸壓縮強(qiáng)度顯得尤其關(guān)鍵。

由于天然海冰材料屬于復(fù)合材料，力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試的結(jié)果受到海冰材料、試驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備等方面的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)海冰的抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)力速率的增加主要經(jīng)過三個(gè)階段：延性、過渡和脆性階段[1,2]。與其它材料強(qiáng)度測(cè)試相比，海冰力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試對(duì)環(huán)境和試驗(yàn)條件要求非常高。盡管目前還沒有針對(duì)海冰的力學(xué)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但許多學(xué)者和工程技術(shù)人員通過大量實(shí)踐，總結(jié)了一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要遵循的原則，在1988年國際水利工程協(xié)會(huì)(IAHR)冰工程會(huì)議上提出了冰力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)的推薦方法，包括冰試件的采集、存儲(chǔ)、加工、實(shí)驗(yàn)等，目前已得到大多數(shù)研究人員的認(rèn)可。

根據(jù)渤海海域海洋資源開發(fā)要求，需要對(duì)海冰荷載進(jìn)行針對(duì)性研究，因此開展海冰調(diào)查和海冰性質(zhì)測(cè)試，包括海冰溫度、鹽度、密度等物理性質(zhì)，壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)。該文針對(duì)該海域海冰的單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 渤海灣現(xiàn)場(chǎng)海冰調(diào)查和海冰取樣

渤海灣沿岸海冰物理力學(xué)性質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作中，參考國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，并考慮到渤海海域的特殊狀況，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)海冰的測(cè)試、取樣、運(yùn)輸和室內(nèi)測(cè)試。具體的海冰采樣和實(shí)驗(yàn)操作流程如圖 1所示。

海冰物理性質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與采樣選取的調(diào)查和采樣地點(diǎn)如圖 2所示，保證海冰在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中形成，海冰為平整固定冰，其各種性質(zhì)具有代表性，該海域重疊冰厚接近30 cm。

圖2 渤海灣海冰調(diào)查

在切割冰樣前，預(yù)先定好大致方向，然后用直尺劃切割線。考慮人工搬運(yùn)的重量和試樣的加工尺寸，使每塊冰的水平尺寸為50 cm×70 cm。切割冰塊的工具是汽油鏈鋸，此時(shí)還將同步觀測(cè)冰溫、氣溫、采集冰鹽度樣品和表層海水樣品，采樣點(diǎn)的冰況見表 1。

表1 采樣點(diǎn)的冰況

為了不影響海冰的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，將冰塊裝入絕緣厚泡沫保溫箱內(nèi)。采集好的海冰試樣保存于冰柜中運(yùn)至大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的低溫試驗(yàn)室進(jìn)行存儲(chǔ)。在試驗(yàn)基地用電鋸按標(biāo)準(zhǔn)尺寸切割成便于運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)試樣，海冰切割時(shí)使試樣的長軸平行冰塊的長邊，這樣如果晶體軸方向在水平面內(nèi)趨向一致，就可保證每個(gè)試樣的軸方向與力向夾角基本相同。

2 單軸壓縮強(qiáng)度的試驗(yàn)方法

由于加載速率敏感性等問題，對(duì)試驗(yàn)方法有著嚴(yán)格的要求。單軸壓縮試驗(yàn)原理如圖3所示，主要包括以下幾方面：

圖3 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)示意圖

(1) 壓縮試件的尺寸

單軸壓縮實(shí)驗(yàn)所用的試件，有圓柱形和長方體兩種，實(shí)踐表明兩種形狀試件的結(jié)果沒有明顯差異，因此該實(shí)驗(yàn)采用更易于加工的長方體試件。關(guān)于試件的橫截面尺寸，要求盡量包含足夠多的冰晶數(shù)量，以減少尺寸效應(yīng)的影響。另一方面，試件長度約為橫截面邊長的2.5倍，以保證中間0.5倍的線性段。現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)分別選取170 cm×70 cm×70 cm和250 cm×100 cm×100 cm的基本尺寸。

(2) 端部效應(yīng)

由于海冰的壓縮強(qiáng)度較低，一般低于5 MPa，且屬于脆性材料，容易在壓縮過程中在端部產(chǎn)生裂紋和局部破壞，使得實(shí)測(cè)的強(qiáng)度低于真實(shí)的海冰強(qiáng)度。壓縮過程中由于端部摩擦約束，有可能使得橫向變形不均勻，破壞冰的單軸壓縮狀態(tài)。因此，為了避免端部效應(yīng)，可以在冰試件的上下兩端加墊塊，墊塊材料的選擇要求和冰的彈性模量比較接近，且與冰的接觸表面摩擦較小，該實(shí)驗(yàn)中采用鋼板隔層的橡膠墊。

(3) 試件的加工方法

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的加工條件差，加工精度也相對(duì)較低，實(shí)驗(yàn)離散度較大，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)用的試件先用手鋸切割出毛坯，再用帶鋸進(jìn)行細(xì)加工，保證試件的平行度和垂直度。

(4) 溫度與加載速率的控制

海冰的壓縮強(qiáng)度對(duì)冰溫和加載速率(或應(yīng)變速率)十分敏感，需要嚴(yán)格控制和測(cè)量，才能得到冰溫和應(yīng)變速率對(duì)強(qiáng)度的影響?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中沒有溫度控制，為天然海冰的自然冰溫；室內(nèi)先采用冷庫或冰柜將毛坯冰樣恒溫保存在-15°，壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前24 h，加工冰樣，并移至自制溫控箱中，嚴(yán)格控制冰溫在-5°，在壓縮試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)冰溫進(jìn)行測(cè)量。

(5) 試驗(yàn)設(shè)備

力傳感器與位移傳感器的靈敏度和量程要根據(jù)實(shí)際需求選取，實(shí)際測(cè)量中選取量程為50 kN的壓力傳感器，引申計(jì)量程為3 mm，試驗(yàn)前后都需要對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定與測(cè)試。

3 單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)的海冰壓縮測(cè)試時(shí)，同步記錄海冰冰溫、壓縮試驗(yàn)機(jī)壓頭位移、壓力值。室內(nèi)海冰壓縮強(qiáng)度測(cè)試中，通過設(shè)備調(diào)整決定壓頭速率，采用引申計(jì)測(cè)量海冰的軸向應(yīng)變，從而分析單軸壓縮強(qiáng)度與冰溫和海冰應(yīng)變速率的關(guān)系。

現(xiàn)場(chǎng)海冰單軸壓縮試驗(yàn)共進(jìn)行30組，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)和數(shù)據(jù)見表 2，室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行9組，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)測(cè)試點(diǎn)和數(shù)據(jù)見表 3，其中4組使用引申計(jì)測(cè)量材料應(yīng)變，用以計(jì)算材料應(yīng)變速率。對(duì)于未使用引申計(jì)測(cè)量海冰應(yīng)變的室內(nèi)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，選用壓頭速率計(jì)算得到的名義應(yīng)變速率進(jìn)行分析。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)同步測(cè)量的壓頭壓力和位移

表2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)和數(shù)據(jù)

圖5 室內(nèi)同步測(cè)量的壓頭壓力、壓頭位移和引申及測(cè)量位移

表3 室內(nèi)測(cè)試點(diǎn)和數(shù)據(jù)

3.1 海冰壓縮強(qiáng)度與應(yīng)變速率的關(guān)系

圖6中分別給出了韌性(曲線(3))、韌脆轉(zhuǎn)變(曲線(2))、與脆性(曲線(1))區(qū)間典型的試驗(yàn)曲線，圖7為室內(nèi)測(cè)量海冰單軸壓縮強(qiáng)度與應(yīng)變速率的關(guān)系。從圖7中可以看出，韌性區(qū)間的應(yīng)變要明顯長于其他兩類情況下的加載曲線。從海冰單軸壓縮強(qiáng)度與名義應(yīng)變速率分析結(jié)果可知，該海域海冰韌脆轉(zhuǎn)變范圍為(1.0～2.0)×10-3/s,與渤海其他海域相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。

圖6 不同應(yīng)變速率下海冰的應(yīng)變-應(yīng)力曲線圖

圖7 室內(nèi)測(cè)量海冰單軸壓縮強(qiáng)度與應(yīng)變速率的關(guān)系

3.2 海冰壓縮強(qiáng)度與冰溫的關(guān)系

在相同加載速率下(ε=10-3/s)，控制不同試驗(yàn)溫度獲得了壓縮強(qiáng)度與溫度線性關(guān)系。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析后，得到溫度與壓縮強(qiáng)度的關(guān)系如圖8所示。

圖8 冰溫與單軸壓縮強(qiáng)度的關(guān)系

4 結(jié)論

海冰的物理力學(xué)性質(zhì)是冰區(qū)能源開發(fā)中海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)和海冰動(dòng)力特性分析的重要參數(shù)。通過對(duì)海冰物理力學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)測(cè)試可為合理地確定油氣開發(fā)區(qū)的海冰設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)。該文在渤海灣沿岸對(duì)海冰物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)測(cè)試，并重點(diǎn)對(duì)海冰壓縮強(qiáng)度進(jìn)行了分析。通過對(duì)海冰的溫度和加載速率等因素對(duì)海冰壓縮強(qiáng)度的分析，確定了海冰壓縮強(qiáng)度與海冰溫度和加載速率呈線性關(guān)系，并根據(jù)已有數(shù)據(jù)擬合了相應(yīng)的曲線方程。該文得到的海冰壓縮強(qiáng)度與溫度、加載速率的對(duì)比關(guān)系為推出該海域海冰壓縮強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)提供了參考依據(jù)。

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Study on the Compression Strength of Sea Ice in Bohai Bay

LUO Cheng-xi1, ZHANG Da-yong2, WANG Guo-jun2, YU Zhe-min3, LOU Chun-juan2, YUE Qian-jin2

(1. ZhongNan Engineering Corporation, Power Construction Corporation of China, Changsha 410014, China; 2.School of Ocean Science & Technology, Dalian University of Technology. Panjin 124221, China; 3. South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Science. Guangzhou 510301, China )

Bohai Bay is an icing area in the winter. So ice load is the main control load of structural design. At present, there are a lot of oil platforms in Bohai Bay, and offshore wind power will be built in the next few years in this sea. For the ice-resistant structure of jacket platform, offshore wind power base and offshore booster station platform, the extreme ice force caused by the compressive strength of the sea ice is the most factor. So it is very important to determine the compression strength of sea ice for the ice-resistant structure design. After the investigation of sea ice field in Bohai Bay, the test site was determined, and the experimental study on the compressive strength of sea ice was carried out in the laboratory and in the field. In this paper, the main influencing factors of compressive strength (strain rate and ice temperature) are analyzed and compared with the existing results.

uniaxial compressive strength; field test; laboratory test; strain rate sensitivity

2015-01-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309046)。

羅成喜(1984-)，男，工程師。

1001-4500(2016)05-0045-06

P75

A