汪恩良,許春光,于 俊

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030)

我國土地遼闊，物產(chǎn)資源相當(dāng)豐富，東西緯度跨度較大，南北地區(qū)氣候差異顯著，大部分國土地處中高緯度。冬季隨著氣溫的降低，我國寒冷地區(qū)的河流、湖泊和水庫會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象[1]，由此引發(fā)的冰層生消是地球表面水體最為直觀的水文過程之一[2]。隨著春季氣溫回升，封凍河流的冰蓋受冰溫升高影響會(huì)發(fā)生熱膨脹作用，隨之產(chǎn)生較大的水平靜冰壓力[3]，進(jìn)而對(duì)岸邊渠道及橋墩閘門造成不同程度的破壞。河北省沽源縣閃電河水庫曾發(fā)生過多次冰推破壞，尤其在1976年進(jìn)水塔立柱被冰推斷裂破壞[4]，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)氣溫進(jìn)一步升高時(shí)，河流流量增大，水位升高，岸冰會(huì)逐漸產(chǎn)生裂縫。裂縫形式主要包括縱向裂縫和橫向裂縫。冰蓋解體后會(huì)形成破碎的浮冰，浮冰[5]隨著河流向下移動(dòng)逐漸撞擊與堆積，進(jìn)而極易引發(fā)冰塞與冰壩現(xiàn)象。據(jù)已有研究資料顯示，在松花江下游佳木斯河段，江面上曾產(chǎn)生了6 m高的冰壩，形成了歷史罕見的凌汛[6]，待冰壩潰壩后河流流量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增大，進(jìn)而引發(fā)春季洪水現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅了河流下游沿岸城鎮(zhèn)居民的生命安全。大量的流凌會(huì)沖擊河流中的水工建筑物，對(duì)橋墩、閘門等造成二次損傷。姜連杰等[7]對(duì)庫冰冰層變形與冰層爬坡對(duì)岸坡破壞的成因進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)的防治意見。相對(duì)于國外研究，我國關(guān)于淡水冰力學(xué)性質(zhì)的研究較晚，且淡水冰力學(xué)牽連學(xué)科甚廣，很多問題亟待解決[8]。

1 國內(nèi)淡水冰研究現(xiàn)狀

近年來淡水冰力學(xué)研究日益受到人們的重視，我國已有較多學(xué)者開展了相關(guān)研究。冰作為一種特殊材料，具有13種晶體結(jié)構(gòu)和2種非晶形態(tài)[9-10]。目前具有代表性的淡水冰物理結(jié)構(gòu)主要包括顆粒冰和柱狀冰，兩種冰都具有以C軸為基準(zhǔn)的微觀結(jié)構(gòu)，且冰單晶體沿著垂直C軸方向生長的速度最快[11]。貢力等[12]利用有限元的方法對(duì)流凌與引水隧洞襯砌相碰撞進(jìn)行了理論分析。張小鵬等[13]測定了天然淡水冰的斷裂韌度KIC，擴(kuò)大了斷裂韌度值的參數(shù)范圍。汪恩良等[14]對(duì)冰上沉排施工工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與總結(jié)。陳曉東等[15]將冰水的換熱過程簡化為一維模型。黃文峰等[16]對(duì)紅旗泡淡水湖天然冰晶體進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)冰從上到下分別為雪冰、顆粒冰和柱狀冰。白乙拉等[17]對(duì)庫冰導(dǎo)溫系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化辨識(shí)，為淡水冰溫度場的模擬研究提供了參考。秦緒祥等[18]從淡水冰的滑動(dòng)試驗(yàn)中得出了冰與接觸面的摩擦規(guī)律。呂云峰[19]以偏振度為指標(biāo)來說明淡水冰與海冰的區(qū)別。張紅彪[20]通過對(duì)黃河淡水冰進(jìn)行巴西圓盤劈裂試驗(yàn)，得出在試驗(yàn)條件下淡水冰的單軸壓縮強(qiáng)度約為其抗拉強(qiáng)度的6～10倍。鄧宇等[21]采用隨機(jī)缺陷界面彈簧元模型的數(shù)值方法來模擬河冰單軸壓縮強(qiáng)度與冰晶體破壞的碎裂破壞過程，且模擬效果較好。曹曉衛(wèi)等[22]使用雷達(dá)來觀測黃河彎道處與橋墩周圍的冰層厚度，發(fā)現(xiàn)了冰層厚度分布的不均勻性。沈洪道[23]對(duì)河流開河情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為河流開河數(shù)值模擬提供了理論依據(jù)。茅澤育等[24-25]研究了開河期冰蓋的橫向裂縫和縱向裂縫的形成機(jī)理。吳劍疆等[26]研究并建立了河道中冰的形成及演變的垂向二維紊流數(shù)學(xué)模型。汪恩良等[27]模擬了野外天然冰的生長過程，提出了室內(nèi)模型試驗(yàn)的相似比尺。閆慧榮等[28]建立了冰蓋增厚期冰溫的數(shù)學(xué)模型并采用有限元分析求解。李志軍等[29]主要從事淡水冰及海冰冰力學(xué)性質(zhì)的研究。于天來等[30]主要從事淡水冰力學(xué)性質(zhì)與冰和結(jié)構(gòu)物作用的研究。王軍等[31]從事冰塞冰壩模擬試驗(yàn)研究。

綜上所述，我國淡水冰研究已取得長足進(jìn)步，從最開始的定性描述到后來的定量模擬整個(gè)冰層生消過程[32]。本文對(duì)國內(nèi)淡水冰力學(xué)性質(zhì)，單軸壓縮強(qiáng)度、三軸壓縮強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度進(jìn)行了總結(jié)與概述，希望能為國內(nèi)淡水冰的研究提供參考。

2 單軸壓縮強(qiáng)度

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，冰上運(yùn)輸、冰凌爆破[33]和冰體景觀建設(shè)等方面都與人民生活息息相關(guān)。冰作為一種特殊的材料，有著其獨(dú)特的力學(xué)特性。對(duì)于冰力學(xué)性質(zhì)的研究方法，基本分為現(xiàn)場觀測探查、室內(nèi)模型試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬三大類[34]。冰的單軸壓縮強(qiáng)度是冰區(qū)橋梁、堤壩、港灣和鉆井平臺(tái)等結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算冰荷載的重要因素之一[35]，影響因素主要有溫度、應(yīng)變速率、加載方式及試樣尺寸等[6,36]。

2.1 溫度

對(duì)于天然淡水冰而言，冰溫是決定其性質(zhì)的關(guān)鍵因素[37]。

于天來等[38]探究了冰溫對(duì)呼瑪河冰抗壓強(qiáng)度的影響。當(dāng)應(yīng)變速率為3×10-3s-1時(shí)，溫度在-5～-30 ℃范圍內(nèi)，呼瑪河冰的抗壓強(qiáng)度隨溫度的降低而增大。當(dāng)溫度低于-30 ℃時(shí)，冰相成分發(fā)生改變從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。王金峰等[39]對(duì)呼瑪河原狀冰進(jìn)行無側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溫度在-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃和-25 ℃時(shí)，當(dāng)加載速率一定時(shí)，冰的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而增大，且當(dāng)溫度達(dá)到-30 ℃時(shí)，冰的抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。張麗敏等[40]分別研究了庫冰和人工凍結(jié)冰在不同溫度下的抗壓強(qiáng)度，人工凍結(jié)冰的抗壓強(qiáng)度在溫度為-30 ℃的條件下達(dá)到峰值，其值為4.47 MPa左右，而庫冰在溫度為-20 ℃時(shí)，峰值抗壓強(qiáng)度達(dá)到了5.40 MPa。

2.2 應(yīng)變速率

應(yīng)當(dāng)指出，在設(shè)計(jì)某些水中結(jié)構(gòu)物時(shí)，應(yīng)該結(jié)合具體的實(shí)際情況，不能只考慮靜止的冰對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用，浮動(dòng)的冰會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)物造成更嚴(yán)重的破壞，應(yīng)當(dāng)將動(dòng)靜冰力相結(jié)合。例如，通向南北兩極地區(qū)的破冰船，不僅需要對(duì)冰蓋進(jìn)行破碎，還需要抵御浮冰的撞擊，這樣就需要對(duì)冰的變形與破碎展開深入的研究，與之相關(guān)聯(lián)的最主要影響因素就是應(yīng)變速率，即應(yīng)變率效應(yīng)[41]。

李志軍等[42]探討了應(yīng)變速率對(duì)烏梁素海淡水冰抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)冰單軸壓縮強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增加先逐漸增高，當(dāng)達(dá)到峰值壓縮強(qiáng)度后，抗壓強(qiáng)度開始降低，當(dāng)應(yīng)變速率高于10-2s-1時(shí)，抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。周慶[34]認(rèn)為冰的韌脆性的體現(xiàn)主要與應(yīng)變速率相關(guān)，應(yīng)變速率的不同也會(huì)造就不同的冰的破壞形式。

2.3 加載方式

李志軍等[42-43]探究了不同加載方式對(duì)柱狀冰單軸壓縮強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)垂直于冰面加載得到的抗壓強(qiáng)度峰值大于平行于冰面加載的強(qiáng)度峰值，而且兩者強(qiáng)度峰值的比值為1.87～2.40。在加載方向?qū)趿核睾５箟簭?qiáng)度影響的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)垂直冰面方向加載時(shí)的抗壓強(qiáng)度峰值要大于平行冰面方向加載時(shí)的強(qiáng)度峰值，兩者之間的比值大約為2.1倍。

垂直方向加載：

σcp=1.7435ln(|T|)+1.9455

r=0.9936

(1)

水平方向加載：

σcp=0.8386ln(|T|)+0.9169

r=0.9946

(2)

式中：σcp為峰值單軸壓縮強(qiáng)度，MPa；T為溫度，℃；r為擬合后的相關(guān)系數(shù)。

王慶凱等[44]對(duì)黃河冰H層、HF層與HB層進(jìn)行了溫度為-5 ℃的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)河道的主流向?qū)ζ叫斜婕虞d得到的抗壓強(qiáng)度無明顯影響。并且在冰溫對(duì)黃河冰抗壓強(qiáng)度影響的研究中，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度峰值的影響同樣會(huì)體現(xiàn)在應(yīng)變速率的變化上，隨著溫度的降低，極限抗壓強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變速率，隨著溫度的降低逐漸減小。特別地，將溫度和應(yīng)變速率結(jié)合起來一同考慮，在寬應(yīng)變速率范圍內(nèi)研究溫度對(duì)單軸壓縮強(qiáng)度的變化，采用對(duì)數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合，

(3)

得到了垂直冰面方向加載：

σmax,v=1.577ln(|T|)+2.428

r=0.976

(4)

平行水平冰面方向加載：

σmax,h=0.767ln(|T|)+0.591

r=0.948

(5)

其中：σmax,v=2.606σmax,h

式中：σmax,v為垂直冰面方向加載試樣極值強(qiáng)度，MPa；σmax,h為平行冰面方向加載試樣極值強(qiáng)度，MPa；T為溫度，℃。

通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)垂直冰面加載得到的抗壓強(qiáng)度大于平行冰面加載的抗壓強(qiáng)度，而且不同區(qū)域的淡水冰的抗壓強(qiáng)度存在較大差異。

2.4 試樣尺寸

李志軍等[43]對(duì)柱狀冰的尺寸大小即尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)柱狀冰尺寸越小，抗壓強(qiáng)度越大。當(dāng)冰面加載面積大于49 cm2時(shí)，尺寸大小對(duì)抗壓強(qiáng)度峰值的影響不大。IAHR(國際水利與環(huán)境工程學(xué)會(huì))建議的標(biāo)準(zhǔn)單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣尺寸為7.0 cm×7.0 cm×17.5 cm，對(duì)于東北庫冰和水塘淡水冰單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)也是適用的。

張大長等[45]利用weibull理論對(duì)冰的尺寸效應(yīng)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了構(gòu)件的橫截面積和長度對(duì)人工淡水冰的壓縮強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生影響。在研究淡水冰的尺寸效應(yīng)時(shí)，通過控制人工淡水冰的尺寸，即當(dāng)高徑比小于2時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨著構(gòu)件的長度的增加而減小，而在高徑比大于2時(shí)，抗壓強(qiáng)度不會(huì)隨之發(fā)生太大變化。

3 三軸壓縮強(qiáng)度

劉維波等[46]用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)來研究淡水冰的剪切強(qiáng)度。徐洪宇等[47]認(rèn)為多晶冰的三軸壓縮試驗(yàn)屬于對(duì)于冰的剪切破壞，通過對(duì)人造多晶冰進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，將壓縮過程分為兩個(gè)階段，軸向壓縮應(yīng)變小于1.6%的這一階段為彈性階段，當(dāng)應(yīng)變大于4.0%時(shí)，冰進(jìn)入到塑性流動(dòng)階段，同時(shí)表現(xiàn)出較大的殘余強(qiáng)度。

冰的溫度越低，冰晶結(jié)構(gòu)越堅(jiān)固，以致晶體顆粒之間難以發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，冰的彈性、脆性性能越突出；反之，溫度越高，冰的塑性性能越顯著，由此推出冰溫和應(yīng)變速率是影響冰剪切強(qiáng)度的主要因素[48]。單仁亮等[49]將不同冰試樣在不同溫度、圍壓和應(yīng)變速率下加載，將冰試樣破壞過程分為5個(gè)階段，即壓密變形階段、彈性變形階段、塑性屈服階段、破壞階段和殘余強(qiáng)度階段。

3.1 溫度

徐洪宇等[47]在溫度為-2～-15 ℃范圍內(nèi)對(duì)人工多晶冰進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，當(dāng)圍壓相同時(shí)，剪切強(qiáng)度隨著溫度的降低而增大，且二者之間存在線性關(guān)系。

韓紅衛(wèi)等[50]在獲取原狀冰的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)溫度應(yīng)力對(duì)取原狀冰具有較大的影響，溫度應(yīng)力可能使冰本身產(chǎn)生大量裂縫。在圍壓為500 kPa，加載速率為0.4 mm/min的條件下，對(duì)淡水冰進(jìn)行三軸剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，指出冰在溫度為-6 ℃、-12 ℃和-24 ℃條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，即冰在達(dá)到極限廣義剪切應(yīng)力后，應(yīng)力繼續(xù)隨著應(yīng)變的增大而逐漸減小，但當(dāng)試驗(yàn)溫度為-18 ℃時(shí)，冰在達(dá)到極限廣義剪切應(yīng)力后，冰發(fā)生了斷裂破壞，沒有出現(xiàn)相類似的軟化現(xiàn)象。

3.2 圍壓

徐洪宇等[47]在回歸試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果中分析到，在溫度較高的情況下，三軸壓縮強(qiáng)度受圍壓的影響較小，當(dāng)溫度為-7 ℃和-15 ℃時(shí)，三軸壓縮強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大，并且溫度越低，圍壓對(duì)強(qiáng)度的影響越顯著。在恒定的溫度下，進(jìn)行的圍壓為500 kPa、1000 kPa與1500 kPa的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，廣義剪應(yīng)力峰值隨著圍壓的增大呈現(xiàn)近似線性增加的規(guī)律[50]。

單仁亮等[51]對(duì)淡水柱狀冰分別進(jìn)行了在溫度為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃和-20 ℃的條件下的三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)。當(dāng)溫度相同時(shí)，淡水柱狀冰的三軸抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大，近似于線性關(guān)系。而且發(fā)現(xiàn)溫度越低，冰強(qiáng)度越大，冰在低溫下表現(xiàn)出硬脆性。將溫度和圍壓這兩種因素進(jìn)行了耦合，結(jié)果顯示，在較低圍壓下，冰強(qiáng)度受溫度影響很大，但隨著圍壓的升高，溫度的影響作用不再明顯，由此推出圍壓對(duì)冰強(qiáng)度峰值的影響程度高于溫度。

3.3 應(yīng)變速率

賈青等[48]通過對(duì)大慶紅旗泡水庫淡水冰進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率的改變會(huì)對(duì)剪切強(qiáng)度造成很大的影響，當(dāng)應(yīng)變速率在1.0×10-4～5.0×10-4s-1范圍內(nèi)時(shí)，庫冰剪切強(qiáng)度達(dá)到了最大值，但是當(dāng)應(yīng)變速率超過這一范圍，隨著應(yīng)變速率的增大，剪切強(qiáng)度開始減小。

單仁亮等[49]在0.167×10-4～3.334×10-4s-1內(nèi)采用公式

(6)

對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)柱狀冰壓縮強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)變速率有較大的敏感性，且與之呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系。

3.4 加載方向

淡水冰中的顆粒冰各向同性，柱狀冰晶體排列方式的不同決定了柱狀冰各向異性的特征[52]。賈青等[48]將加載力分別置于顆粒冰與柱狀冰的表面上，研究了加載方向?qū)Ρ羟袕?qiáng)度的影響和冰種類對(duì)剪切強(qiáng)度的影響。針對(duì)顆粒冰，垂直冰面加載得到的剪切強(qiáng)度大于平行冰面加載得到的強(qiáng)度，但數(shù)值相差不大，體現(xiàn)了顆粒冰各向同性的特征。例如在-15 ℃時(shí)的顆粒冰，垂直方向加載與水平方向加載峰值剪切強(qiáng)度分別為500 kPa和475 kPa。對(duì)于柱狀冰，采取3種加載方式，分別是水平加載、上下方向的垂直加載和左右方向的垂直加載，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)柱狀冰沿水平方向加載的剪切強(qiáng)度比垂直加載得到的強(qiáng)度大。

韓紅衛(wèi)等[53]在溫度為-0.5 ℃和-2 ℃的條件下，采用垂直加載和水平加載兩種方式對(duì)柱狀冰加載，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過加載后測得的兩者的剪切強(qiáng)度變化不大，當(dāng)溫度為-5 ℃和-10 ℃時(shí)，水平加載的剪切強(qiáng)度大于垂直加載的剪切強(qiáng)度。當(dāng)試驗(yàn)溫度較高時(shí)，加載方向?qū)τ诒羟袕?qiáng)度的影響程度不大。

4 彎曲強(qiáng)度

比較常用的測量冰彎曲強(qiáng)度的試驗(yàn)方法是現(xiàn)場懸臂梁試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。三點(diǎn)彎曲法即在壓力試驗(yàn)機(jī)上配以加載梁和三個(gè)支點(diǎn)，用以克服現(xiàn)場懸臂梁試驗(yàn)的弊端。張傲妲等[54]通過對(duì)大慶紅旗泡水庫顆粒冰進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，將整個(gè)彎曲過程分為三個(gè)階段。第一階段：當(dāng)荷載較小時(shí)，冰產(chǎn)生許多微裂縫，此時(shí)冰發(fā)生彈性形變；第二階段：隨著荷載的繼續(xù)增加，冰上的微裂縫進(jìn)行擴(kuò)張，同時(shí)產(chǎn)生新裂縫，受拉區(qū)呈現(xiàn)很大的塑性形變；第三階段：當(dāng)荷載達(dá)到很大時(shí)，之前形成的裂縫相互貫通，形成很多的大裂縫，當(dāng)施加的荷載超過冰極限彎曲強(qiáng)度時(shí)，冰就會(huì)發(fā)生斷裂破壞。

薛彥卓等[55]建立了冰的彈脆性近場動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)冰的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)從開始加載到最后破碎變形進(jìn)行了全過程數(shù)值模擬。

4.1 溫度

于天來等[38]研究了冰溫對(duì)呼瑪河冰抗彎強(qiáng)度的影響，采用了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法，運(yùn)用彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式

σ=pl/(bh2)

(7)

式中：σ為彎曲強(qiáng)度，MPa；p為梁的破壞載荷，N；l為梁的跨度，mm；b為截面寬度，mm；h為截面高度，mm。

指出在同一加載速率條件下，除-20 ℃外，溫度在-5～-30 ℃范圍內(nèi)，冰的抗彎強(qiáng)度隨著溫度的降低而增大，同時(shí)在-30 ℃時(shí)抗彎強(qiáng)度取到最大值。有國家建議河冰的抗彎強(qiáng)度取抗壓強(qiáng)度的0.7倍。經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)呼瑪河冰的抗彎強(qiáng)度約是其抗壓強(qiáng)度的0.40～0.67倍，平均為0.54倍，與建議取值存在差異。對(duì)于松花江冰的抗彎強(qiáng)度是其抗壓強(qiáng)度的0.50～0.82倍，平均為0.70倍[56]，與建議取值相差不大，由此推出，抗彎強(qiáng)度在進(jìn)行取值時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況合理取值。

4.2 應(yīng)力速率

張傲妲等[54]在溫度為-5 ℃、-10 ℃和-15 ℃的條件下，各進(jìn)行了一系列應(yīng)力速率條件下的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力速率對(duì)冰彎曲強(qiáng)度的影響規(guī)律。當(dāng)開始加載時(shí)，彎曲強(qiáng)度隨著應(yīng)力速率的增大而減小，待彎曲強(qiáng)度出現(xiàn)最小值后，彎曲強(qiáng)度開始隨著應(yīng)力速率的增大而增大，當(dāng)達(dá)到最大值后，彎曲強(qiáng)度又隨著應(yīng)力速率的增大而減小，此過程為冰的彎曲破壞，由延性破壞到過渡區(qū)最后到達(dá)脆性破壞。當(dāng)應(yīng)力速率小于2 kPa/s時(shí)，彎曲強(qiáng)度隨著應(yīng)力速率的增大而減小，當(dāng)應(yīng)力速率大于2 kPa/s時(shí)，彎曲強(qiáng)度隨著應(yīng)力速率的增大而增大到極限強(qiáng)度。本試驗(yàn)條件下，彎曲強(qiáng)度的范圍在1.950～2.260 MPa。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

本文主要介紹了國內(nèi)淡水冰冰力學(xué)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，概述了淡水冰的抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度這三種主要的力學(xué)參數(shù)，對(duì)以后寒區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和水工結(jié)構(gòu)建設(shè)提供了參考依據(jù)?？偨Y(jié)如下。

(1)在進(jìn)行冰單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)中，冰的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低而增大，但是，當(dāng)溫度降低到-30 ℃時(shí)，冰相會(huì)發(fā)生改變，這時(shí)抗壓強(qiáng)度有降低的趨勢；抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；垂直于冰面加載的強(qiáng)度大約是平行于冰面加載的強(qiáng)度的2倍多；當(dāng)試樣的高徑比小于2時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨構(gòu)件長度的增大而增大。

(2)對(duì)于冰三軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，剪切強(qiáng)度隨著溫度的降低而增大；圍壓這一因素相比于溫度因素對(duì)冰剪切強(qiáng)度的影響更大，隨著圍壓的增大，剪切強(qiáng)度也隨之增大；紅旗泡庫冰剪切強(qiáng)度隨著應(yīng)變速率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；應(yīng)變速率在1.0×10-4～ 5.0×10-4s-1的范圍內(nèi)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值。

(3)彎曲強(qiáng)度大約是抗壓強(qiáng)度的0.40～0.82倍，不同地區(qū)應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況采取相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。大慶紅旗泡水庫庫冰的彎曲強(qiáng)度在1.950～2.260 MPa。

5.2 展望

針對(duì)我國現(xiàn)在冰力學(xué)研究狀況有以下幾點(diǎn)展望。

(1)淡水冰抗壓強(qiáng)度受溫度、應(yīng)變速率、加載方式和試樣尺寸等單一因素或多因素耦合影響的單軸壓縮試驗(yàn)，已經(jīng)得到各科研院所的廣泛研究。但針對(duì)冰的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，即三軸壓縮試驗(yàn)開展的還不算多，希望可以多增加三軸壓縮試驗(yàn)方面的研究。

(2)國內(nèi)學(xué)者在試驗(yàn)室內(nèi)凍結(jié)冰多缺少太陽輻射這一重要因素的影響。在冬季向春季的過渡期，河冰受太陽輻射和氣溫等多種因素的影響，冰發(fā)生了復(fù)雜的物理變化，物理力學(xué)性質(zhì)也會(huì)隨之改變。并且當(dāng)白天氣溫高，太陽輻射強(qiáng)，在冰表面會(huì)形成水洼，這種現(xiàn)象被稱作融池。在夜晚，氣溫降低，太陽輻射減少，融池會(huì)再次凍結(jié)，這種現(xiàn)象也會(huì)改變冰的力學(xué)特性。除此之外，太陽輻射中不同種類的色光對(duì)冰的力學(xué)性質(zhì)影響程度尚不清楚，對(duì)于這一階段的冰的力學(xué)性質(zhì)研究也少之又少，所以應(yīng)多致力于天氣開始回暖這個(gè)階段的冰的力學(xué)性質(zhì)的研究。

(3)冰由于受各種環(huán)境條件的影響，冰會(huì)產(chǎn)生許多裂縫，冰裂縫的開展將會(huì)降低整個(gè)冰架的強(qiáng)度。裂縫在最開始時(shí)可能會(huì)很小，但有擴(kuò)展成大裂縫的趨勢，會(huì)誘發(fā)冰架垮塌，嚴(yán)重威脅冰架穩(wěn)定性，因此研究冰裂縫開展的機(jī)理與規(guī)律和冰碎裂后的力學(xué)特性有著重要意義。