洪嘉琳， 焦鳳琪， 應(yīng)詠翰， 李金奇， 王義超， 邵 也， 范曉鵬

（1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春 130026； 2.吉林大學(xué)極地研究中心，吉林長春 130026； 3.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130026； 4.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

0 引言

世界強(qiáng)國針對南極科技前沿、地緣政治、開發(fā)利用權(quán)益的爭奪趨于激烈。目前，世界各國在南極大陸以及周邊所建科學(xué)考察站已突破100 個，機(jī)場超過50 座[1］。在世界極地科考強(qiáng)國穩(wěn)步加大南極布局投入的態(tài)勢下，中國南極科考有可能被其他國家進(jìn)一步拉大差距，重要原因之一是中國未能在南極擁有大型機(jī)場。根據(jù)中國完成的多次藍(lán)冰區(qū)考察結(jié)果可知，在中山站附近建設(shè)藍(lán)冰機(jī)場的可能性較低，壓實雪層跑道是中國在南極建設(shè)大型機(jī)場的首選形式[2］。從美國、俄羅斯此類跑道的壓實雪層技術(shù)原理可以看出使用人工方式大幅度提高雪層強(qiáng)度是建設(shè)雪層跑道的核心技術(shù)，而定期修正冰面形狀維護(hù)壓實雪層跑道是長期運維南極航空網(wǎng)絡(luò)的必要條件。壓實雪層跑道的累積永久塑性變形主要取決于飛機(jī)荷載和人工改造雪層的力學(xué)性質(zhì)。飛機(jī)在跑道運行時每次滑行都相當(dāng)于對地基進(jìn)行了一次加載卸載作用，載荷作用的頻率與滑行速度有關(guān)；不同機(jī)型在起落時對跑道施加的應(yīng)力幅值有所不同[3］。因此，開展冰在循環(huán)載荷下的力學(xué)特性研究具有重要的實踐和理論指導(dǎo)意義。

自然界中大部分海冰或湖冰都在海浪和潮汐作用下承受循環(huán)載荷；人造冰雪路面、跑道或橋梁結(jié)構(gòu)物在使用中受車輛、飛機(jī)等電動機(jī)械的振蕩作用也會承受循環(huán)載荷；此外，冰具有高透明度和易達(dá)到較高的同系溫度等特點，可作為諸如陶瓷等多晶體疲勞裂紋擴(kuò)展和破壞細(xì)觀研究的替身。因此，在不同頻率、應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力和溫度條件下，針對海冰、湖冰、人造淡水柱狀冰、人造鹽水柱狀冰和人造多晶冰等不同類型冰，已經(jīng)開展了壓縮變形、壓縮破壞、旋轉(zhuǎn)彎曲、四點彎曲、拉壓破壞等不同類型的實驗，探究了循環(huán)載荷下冰的疲勞破壞、裂紋擴(kuò)展機(jī)制以及對蠕變特性和強(qiáng)度的影響，表1所示為循環(huán)載荷對冰力學(xué)性質(zhì)影響的代表性研究[4-20］。

表1 循環(huán)載荷對冰力學(xué)性質(zhì)影響的代表性研究Table 1 Representative studies of cyclic loading effect on the mechanical properties of ice

綜合冰在循環(huán)載荷下的力學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀，目前的研究情況總結(jié)如下：（1）就研究對象而言，主要進(jìn)行了海冰、人造柱狀冰和人造多晶冰的試驗研究，各實驗所使用的冰樣尺寸不盡相同，但大多滿足高度是直徑（寬度）的2 倍以上；冰樣形狀因試驗類型而異，拉壓和旋轉(zhuǎn)彎曲類實驗多為圓柱狀，三點或四點彎曲實驗多為板狀或長柱狀；晶粒尺寸為毫米到厘米級別，人造冰樣均采用凍水成冰法制成；（2）就研究內(nèi)容而言，涵蓋了冰自身物理特性（如晶體結(jié)構(gòu)類型和鹽度等）、環(huán)境因素（溫度）和試驗條件（頻率、應(yīng)力幅值和循環(huán)次數(shù)等）多個方面對冰裂紋擴(kuò)展、形變和強(qiáng)度等冰力學(xué)性質(zhì)的影響，其中關(guān)于冰疲勞裂紋擴(kuò)展、蠕變形變和抗彎強(qiáng)度的研究較多，缺乏抗壓強(qiáng)度研究。冰在循環(huán)載荷下的強(qiáng)度是指在位移或載荷控制模式下，以三角波、梯形波或余弦波等加載形式，在一定頻率、平均應(yīng)力、應(yīng)力幅值、加載次數(shù)和有無圍壓條件下，測得的強(qiáng)度極限?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，循環(huán)載荷對冰強(qiáng)度的影響主要存在循環(huán)弱化和循環(huán)強(qiáng)化兩種觀點。循環(huán)弱化指冰在循環(huán)載荷作用下，會在遠(yuǎn)低于其強(qiáng)度極限的應(yīng)力下產(chǎn)生（疲勞）破壞；循環(huán)強(qiáng)化指冰在受循環(huán)載荷作用后的強(qiáng)度極限高于單調(diào)載荷作用下的強(qiáng)度極限。冰在循環(huán)弱化作用下，抗彎強(qiáng)度可下降40%[21］，抗壓強(qiáng)度可下降25%[11］。冰在循環(huán)強(qiáng)化作用下的抗彎強(qiáng)度，具有溫度敏感性，在-3 ℃到-25 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的降低稍有增大；在0.1~2.6 MPa應(yīng)力幅值范圍內(nèi)，與應(yīng)力幅值呈線性正相關(guān)；在0.03~2.00 Hz 頻率范圍內(nèi)，隨著頻率的增大稍有增加；在3~7 000 次循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi)，隨著次數(shù)的增多，先增大，在達(dá)到300 次后趨于穩(wěn)定；尚未針對應(yīng)變速率敏感性開展研究[20］。

綜上所述，已開展的冰單軸循環(huán)壓縮載荷試驗研究，多為循環(huán)載荷對冰形變或蠕變特性的影響，缺乏循環(huán)載荷對冰強(qiáng)度的影響研究，更鮮見針對壓實雪所形成的壓實雪冰抗壓強(qiáng)度研究。人造壓實雪層跑道在使用中受車輛、飛機(jī)等電動機(jī)械的振蕩作用，多承受壓縮循環(huán)載荷；其制作工藝多為夯實積雪，通過增大壓力促進(jìn)雪的壓實，提高密度起到密實化作用，進(jìn)而形成壓實雪冰提高冰雪強(qiáng)度，達(dá)到所需承載力。因此，有必要開展壓實雪冰在循環(huán)載荷作用下的單軸抗壓強(qiáng)度研究，探究循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度影響，為壓實雪層跑道的承載力設(shè)計和維護(hù)奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗方法

1.1 冰樣的制備

南極原位冰具有所含離子和不可溶性粒子濃度較小的特點，試驗使用制冷鋁排冷凝器上的霜花作為雪顆粒原料。制備人工冰樣采用壓實雪的方法，雪顆粒在-12.5 ℃和70 MPa 溫壓條件下壓制30 min，所得人工冰樣的平均密度為0.913 g·cm-3。以樣品長度應(yīng)為直徑的2 倍以上為制樣準(zhǔn)則[22-23］，冰樣直徑為26 mm，高度應(yīng)控制在52~78 mm，本試驗選用樣品的平均高度為65 mm，即高徑比2.5。使用游標(biāo)卡尺和天平測量冰樣的高度和質(zhì)量各三次并計算冰樣密度，將冰樣放入自封袋內(nèi)并標(biāo)記冰樣參數(shù)，將冰樣放入-20 ℃的冷柜中低溫保存。

1.2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗

南極航空后勤保障常用的飛機(jī)類型有C130、C41、C5A、C7A、A320和IL76，其在冰雪跑道上產(chǎn)生輪胎壓力范圍在0.64~1.30 MPa[24］，以此為參照確定循環(huán)載荷實驗的平均應(yīng)力為1.0 MPa，應(yīng)力幅值為0.2~1.0 MPa。已有研究表明，循環(huán)載荷的頻率在0.03~2.00 Hz 范圍內(nèi)對冰的抗彎強(qiáng)度影響相比于循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅值作用不大，本文采用固定頻率0.03 Hz，以循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅值為研究變量。循環(huán)載荷實驗采用載荷控制模式，以等幅度三角波為加載波形，1.0 MPa 為平均加載應(yīng)力，0.03 Hz 為加載頻率，應(yīng)力幅值為0.2 MPa、0.5 MPa、0.8 MPa和1.0 MPa，循環(huán)次數(shù)為100、300、500、700 和900 為加載條件；單調(diào)載荷實驗采用位移控制模式，以獲得壓實雪冰的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，與循環(huán)載荷條件下的單軸抗壓強(qiáng)度對比?？箟簭?qiáng)度試驗所選用的應(yīng)變速率為1.0×10-3s-1、5.0×10-3s-1、1.0×10-2s-1、5.0×10-2s-1和1.0×10-1s-1，為與已有研究結(jié)果對比，單調(diào)載荷實驗應(yīng)變速率增加一組5.0×10-4s-1，實驗溫度均為（?10.0±0.3）℃。表2 為壓實雪冰單軸抗壓強(qiáng)度試驗的設(shè)計方案，該試驗在低溫單軸壓縮試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗儀器及冰樣如圖1所示。

圖1 低溫單軸壓縮試驗機(jī)和冰樣Fig. 1 Low temperature uniaxial compression testing machine and ice sample

本次壓實雪冰單軸抗壓強(qiáng)度試驗的具體步驟如下：（1）將環(huán)境箱溫度設(shè)置為-10.3 ℃，并等待其內(nèi)部溫度達(dá)到設(shè)置溫度；（2）從冷柜中取出冰樣，放入環(huán)境箱內(nèi)的下壓盤中心孔內(nèi)，保證試樣的幾何軸線與試驗機(jī)的中心線重合，防止出現(xiàn)偏心加載的現(xiàn)象。升高下壓盤至冰樣上端與上壓盤距離1 mm 左右，靜置冰樣20~30 min 使冰樣達(dá)到（-10±0.3）℃；（3）冰樣靜置的同時，開啟試驗機(jī)測控系統(tǒng)，按自封袋上的樣品參數(shù)標(biāo)記查找冰樣的高度，而后根據(jù)表2 所示實驗方案設(shè)定試驗參數(shù)，并安裝好應(yīng)變傳感器；（4）冰樣溫度達(dá)到試驗溫度時開始加載，試驗首先進(jìn)入預(yù)加載模式，保證樣品與壓盤之間無間隙，而后再進(jìn)入加載模式；（5）在試樣破壞后，試驗機(jī)自動停止加載，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動保存數(shù)據(jù)，調(diào)整下壓盤至初始位置，迅速開關(guān)環(huán)境箱門，將破壞的試樣盡快取出，減少箱內(nèi)與箱外空氣間的熱交換；將破壞的冰樣放回自封袋中低溫保存，再開始下一次試驗。通過試驗得到的極限應(yīng)力作為冰的單軸抗壓強(qiáng)度σf（MPa），即

表2 壓實雪冰單軸抗壓強(qiáng)度試驗方案Table 2 Uniaxial compressive strength test scheme of compacted snow

式中：Fmax為荷載-時間曲線上所達(dá)到的最大荷載，單位為N；A為試樣原始橫截面積，單位為mm2。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 壓實雪冰單調(diào)載荷實驗應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線

相同溫度和不同應(yīng)變速率條件下，壓實雪冰單調(diào)載荷試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線及其所對應(yīng)的破壞照片如圖2~3所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線是冰在壓應(yīng)力破壞全過程特征的最完整體現(xiàn)，可以全面反映冰破壞前后的力學(xué)特征。在本文中，冰的脆性是指受外力作用時，在變形很小時即發(fā)生破裂的性質(zhì)，而韌性則是指冰能夠承受較大變形而不喪失其承載力的性質(zhì)?；趬簩嵮┍鶈握{(diào)載荷試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和試樣的破壞照片，可以得出：

（1）在5.0×10-4~5.0×10-3s-1應(yīng)變速率下，應(yīng)力會隨著應(yīng)變線性增加，然后增加的速度即斜率，逐漸減小變?yōu)榱?，而后變?yōu)樨?fù)值，應(yīng)力以圓峰形式達(dá)到極值，最大值出現(xiàn)時所對應(yīng)的應(yīng)變介于1.5%~3.0%（如圖2）；試樣以鼓脹破壞形式為主，冰樣表面存在許多狹小的裂縫，沒有明顯的主裂縫，試驗結(jié)束時，樣品仍保持完整，不產(chǎn)生剝離的碎塊（如圖3）。試樣表現(xiàn)出韌性性質(zhì)，將該應(yīng)變速率范圍稱為韌性區(qū)。

（2）在1.0×10-2s-1應(yīng)變速率下加載時，應(yīng)力以稍快的速度增加到一個極值，出現(xiàn)直徑相對較小的圓峰，然后逐漸減小，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)所對應(yīng)的應(yīng)變介于1.0%~1.5%（如圖2）；在1.0×10-2s-1應(yīng)變速率下試樣均以劈裂破壞形式為主，表現(xiàn)為存在與加載方向一致并且貫穿上下表面的裂縫，但試樣中心未完全破壞，伴有不同尺寸的碎塊掉落。試樣同時表現(xiàn)出脆性與韌性性質(zhì)，將該應(yīng)變速率范圍稱為脆性-韌性過渡區(qū)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線同時表現(xiàn)出韌性和脆性雙重特征的過渡應(yīng)變速率為1.0×10-2s-1，這與Arakawa等[25］在?10 ℃下獲得的結(jié)果一致。

（3）在5.0×10-2~1.0×10-1s-1應(yīng)變速率下加載時，應(yīng)力會隨著應(yīng)變快速線性增加到一個極值，然后突然跌落為0，出現(xiàn)一個尖銳峰值，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)所對應(yīng)的應(yīng)變小于1%（如圖2）。在5.0×10-2s-1應(yīng)變速率下試樣均以劈裂破壞形式為主，表現(xiàn)為存在與加載方向一致的局部密集裂紋使試樣出現(xiàn)崩裂掉塊，端部出現(xiàn)完全破碎，伴有不同尺寸的碎塊掉落（如圖3），隨著應(yīng)變速率的增大，碎塊剝落情況更為明顯，破碎程度更為劇烈。試樣表現(xiàn)出脆性性質(zhì)，將該應(yīng)變速率范圍稱為脆性區(qū)。

圖2 單調(diào)載荷不同應(yīng)變速率條件下壓實雪冰的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系Fig. 2 Stress and strain relationship of compacted snow at different strain rates under monotonic load

圖3 不同應(yīng)變速率條件下壓實雪冰樣品在單調(diào)載荷作用后的破壞照片F(xiàn)ig. 3 Damage photos of compacted snow under monotonic loading at different strain rates

2.2 壓實雪冰循環(huán)載荷試驗應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線

不同應(yīng)變速率、循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅值條件下循環(huán)載荷實驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示，循環(huán)加載與卸載階段累計產(chǎn)生的應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅值的增大而增加。在本次試驗條件范圍內(nèi)，循環(huán)加載階段并沒有導(dǎo)致冰樣破壞。在單調(diào)加載階段，應(yīng)力以圓峰或較小圓峰的形式達(dá)到極值，所有試樣均以鼓脹破壞形式為主，試驗結(jié)束時，樣品基本保持完整，幾乎不產(chǎn)生剝離的碎塊，試樣表現(xiàn)出韌性性質(zhì)。循環(huán)載荷對壓實雪冰的破壞形式產(chǎn)生了顯著的影響，尤其是在1.0×10-2s-1至1.0×10-1s-1應(yīng)變速率范圍內(nèi)，試樣由單調(diào)載荷作用下的脆-韌性或者脆性破壞特征轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性破壞特征。這說明，循環(huán)載荷改變了冰抗壓性能對應(yīng)變速率的敏感性。

2.3 循環(huán)次數(shù)對壓實雪冰在循環(huán)載荷作用下單軸抗壓強(qiáng)度的影響

壓實雪冰在溫度為（?10.0±0.3）℃，頻率為0.03 Hz、平均應(yīng)力為1.0 MPa、應(yīng)力幅值為0.5 MPa和1.0 MPa 以及循環(huán)次數(shù)為100~900 的循環(huán)載荷試驗條件下，在1.0×10-2s-1應(yīng)變速率下獲得的單軸抗壓強(qiáng)度如圖5 所示，圖中灰色虛線為相同應(yīng)變速率條件下施加單調(diào)載荷所獲得的抗壓強(qiáng)度。由圖可知在上述循環(huán)載荷作用下，循環(huán)加載次數(shù)對壓實雪冰的抗壓強(qiáng)度具有強(qiáng)化或弱化作用；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為100、應(yīng)力幅值為0.5 MPa 和1.0 MPa 時，所得抗壓強(qiáng)度分別是單調(diào)載荷下抗壓強(qiáng)度的1.30 和1.29倍，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為900、應(yīng)力幅值為0.5 MPa 時，所得抗壓強(qiáng)度與單調(diào)載荷下抗壓強(qiáng)度相同，而應(yīng)力幅值為1.0 MPa時其所得抗壓強(qiáng)度為單調(diào)載荷下抗壓強(qiáng)度的98.8%；壓實雪冰的抗壓強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)呈負(fù)線性關(guān)系，隨著循環(huán)次數(shù)的增加抗壓強(qiáng)度不斷減小，直至低于單調(diào)載荷下的抗壓強(qiáng)度；應(yīng)力幅值的增大會加快強(qiáng)化與弱化作用的轉(zhuǎn)變。圖4中的擬合直線表明，在應(yīng)力幅值為0.5 MPa和1.0 MPa時，抗壓強(qiáng)度σf與循環(huán)次數(shù)N的線性關(guān)系分別為σf=0.0036N+13.693，R2為96.9%；σf=0.0093N+13.463，R2為98.9%。當(dāng)應(yīng)力幅值為1.0 MPa 條件下，循環(huán)次數(shù)達(dá)到900 次時，抗壓強(qiáng)度就已經(jīng)稍低于單調(diào)載荷下的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)應(yīng)力幅值為0.5 MPa時，根據(jù)外推趨勢線得出循環(huán)次數(shù)要將近1 000 次時，抗壓強(qiáng)度會減小到稍低于單調(diào)載荷下的抗壓強(qiáng)度。在本文的試驗條件范圍內(nèi)，無法判斷1~100 次循環(huán)加載條件下，循環(huán)次數(shù)對抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，尚不能確定使壓實雪冰抗壓能力強(qiáng)化作用最顯著的循環(huán)次數(shù)，仍需開展更多循環(huán)次數(shù)的試驗，驗證循環(huán)次數(shù)對抗壓強(qiáng)度的弱化影響規(guī)律。

圖4 循環(huán)載荷壓實雪冰的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系Fig. 4 Stress and strain relationship of compacted snow at different strain rates under cyclic loading[different strain rate（a）；b-different number of cycles（b）；different stress amplitude（c）］

圖5 不同循環(huán)次數(shù)下壓實雪冰在循環(huán)載荷下的單軸抗壓強(qiáng)度Fig. 5 Uniaxial compressive strength of compacted snow under cyclic load at different cycles

2.4 應(yīng)力幅值對壓實雪冰在循環(huán)載荷作用下單軸抗壓強(qiáng)度的影響

壓實雪冰在溫度為（?10.0±0.3）℃、頻率0.03 Hz、循環(huán)次數(shù)為100、平均應(yīng)力為1.0 MPa 以及應(yīng)力幅值在0.2~1.0 MPa 的循環(huán)載荷試驗條件下，在1.0×10-2s-1和1.0×10-1s-1應(yīng)變速率下獲得的單軸抗壓強(qiáng)度與單調(diào)載荷條件下獲得的抗壓強(qiáng)度如圖6 所示，虛線為對應(yīng)應(yīng)變速率條件下抗壓強(qiáng)度最大值與最小值限定的區(qū)間。由圖可知在相同應(yīng)變速率條件下，壓實雪冰的抗壓強(qiáng)度受循環(huán)載荷的影響，先大幅增加，而隨著應(yīng)力幅值的增加，其先稍有增大后趨于穩(wěn)定，由于應(yīng)力幅值增加而產(chǎn)生的抗壓強(qiáng)度增幅并不大；在不同應(yīng)變速率條件下，高應(yīng)變速率在循環(huán)作用下的抗壓強(qiáng)度增幅（11.4 MPa）是低應(yīng)變速率下的抗壓強(qiáng)度增幅（3.1 MPa）的3.68倍。在本文的實驗條件范圍內(nèi)，應(yīng)力幅值對循環(huán)載荷作用下壓實雪冰的抗壓強(qiáng)度影響并不顯著。

圖6 不同應(yīng)力幅值下壓實雪冰在循環(huán)載荷下的單軸抗壓強(qiáng)度Fig. 6 Uniaxial compressive strength of compacted snow under cyclic loading at different stress amplitudes

注：實驗溫度為（?10.0±0.3）℃，A為應(yīng)力幅值，f為頻率，ε?為應(yīng)變速率，σm為平均應(yīng)力，N為循環(huán)次數(shù)；圖中灰色虛線為相同應(yīng)變速率條件下單調(diào)載荷條件下所獲得的抗壓強(qiáng)度；黑色虛線與紅色虛線分別為應(yīng)力幅值在1.0 MPa和0.5 MPa條件下，表征循環(huán)載荷作用下的單軸抗壓強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)間的線性關(guān)系擬合線The experimental temperature is（?10.0±0.3）℃，A is the stress amplitude，fis the frequency，εis the strain rate，σmis the average stress，Nis the number of cycles；The grey dotted line in the figure is the compressive strength obtained under monotonic loading at the same strain rate；the black dotted line and the red dotted line are the fitting lines of the linear relationship between the uniaxial compressive strength and the number of cycles under the cyclic loading when the stress amplitude is 1.0 MPa and 0.5 MPa，respectively

2.5 應(yīng)變速率對壓實雪冰在循環(huán)載荷作用下單軸抗壓強(qiáng)度的影響

壓實雪冰在溫度為（?10.0±0.3）℃，頻率為0.03 Hz、循環(huán)次數(shù)為100、平均應(yīng)力為1.0 MPa以及應(yīng)力幅值在1.0 MPa 的循環(huán)載荷實驗條件下，在1.0×10-3~1.0×10-1s-1應(yīng)變速率下獲得的循環(huán)載荷單軸抗壓強(qiáng)度與單調(diào)載荷條件下獲得的抗壓強(qiáng)度如圖7 所示，壓實雪冰在單調(diào)載荷下的抗壓強(qiáng)度在韌性區(qū)內(nèi)隨著應(yīng)變速率的增加而增加，在韌性-脆性過渡區(qū)達(dá)到最大值，然后在脆性區(qū)中顯著減少，這種應(yīng)變速率敏感性與Yasui 等[26］以及Schulson等[27］所得出的結(jié)論是一致的；在循環(huán)載荷作用下，在1.0×10-3~5.0×10-3s-1的低應(yīng)變速率條件下，壓實雪冰的抗壓強(qiáng)度與單調(diào)載荷下的抗壓強(qiáng)度相比稍小，數(shù)值上相差不大幾乎沒有影響，而在高于1.0×10-2s-1的高應(yīng)變速率條件下，壓實雪冰的抗壓強(qiáng)度相比于單調(diào)載荷下的抗壓強(qiáng)度有了明顯的提高，隨著應(yīng)變速率的增加其增加幅度逐漸變小，后趨于穩(wěn)定。循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度強(qiáng)化作用，從試樣的破壞形式推斷，是通過延遲韌性-脆性的轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)的。在本文的試驗條件范圍內(nèi)，證明了在一定應(yīng)變速率范圍內(nèi)，循環(huán)載荷對壓實雪冰的抗壓強(qiáng)度具有強(qiáng)化作用，但仍需開展更大應(yīng)變速率范圍內(nèi)的試驗，以確定循環(huán)載荷在低應(yīng)變速率條件下是否存在對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度的弱化作用，以及在更高應(yīng)變速率范圍內(nèi)循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

圖7 不同應(yīng)變下壓實雪冰在單調(diào)載荷與循環(huán)載荷下的單軸抗壓強(qiáng)度Fig. 7 Uniaxial compressive strength of compacted snow under monotonic load and cyclic load at different strain rates

2.6 極限應(yīng)力的臨界應(yīng)變和循環(huán)加載的累積應(yīng)變

因循環(huán)載荷所產(chǎn)生的累積變形與循環(huán)條件（循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力幅值、頻率等）有關(guān)，為探究循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的臨界應(yīng)變產(chǎn)生的影響，僅考慮單調(diào)加載階段引起的應(yīng)變。將達(dá)到極限應(yīng)力即抗壓強(qiáng)度時對應(yīng)的應(yīng)變Δε定義為單調(diào)載荷條件下的臨界應(yīng)變，將應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度時對應(yīng)的應(yīng)變與循環(huán)加載結(jié)束時對應(yīng)的應(yīng)變之差Δε作為循環(huán)載荷條件下的臨界應(yīng)變。對比結(jié)果如表3 所示，單調(diào)載荷與循環(huán)載荷（循環(huán)次數(shù)為100、應(yīng)力幅值為1.0 MPa）在應(yīng)變速率相同時獲得的臨界應(yīng)變非常接近，最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.32%；在不同應(yīng)變速率條件下獲得的臨界應(yīng)變在韌性破壞階段具有顯著差異，在脆性破壞階段浮動較小。當(dāng)應(yīng)變速率相同，應(yīng)力幅值分別為0.5 MPa 和1.0 MPa 時，相同循環(huán)次數(shù)條件下獲得的臨界應(yīng)變非常接近，最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.07%；在不同循環(huán)次數(shù)條件下獲得的臨界應(yīng)變更為接近，標(biāo)準(zhǔn)差僅有0.05%。當(dāng)循環(huán)次數(shù)相同，應(yīng)變速率分別為1.0×10-2s-1和1.0×10-1s-1時，在相同應(yīng)力幅值條件下獲得的臨界應(yīng)變具有較為一致的標(biāo)準(zhǔn)差，約為0.11%；在相同應(yīng)變速率（10-2s-1或10-1s-1），不同應(yīng)力幅值條件下獲得的臨界應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.18%和0.03%?；谝陨辖Y(jié)果分析得出，應(yīng)變速率對極限應(yīng)力的臨界應(yīng)變影響較為顯著，在本文的試驗條件范圍內(nèi)循環(huán)載荷對其影響并不明顯，仍需進(jìn)一步試驗來確定應(yīng)變速率是否為臨界應(yīng)變最主要的影響因素。

表3 壓實雪冰在單調(diào)載荷和循環(huán)載荷條件下極限應(yīng)力對應(yīng)的臨界應(yīng)變和循環(huán)加載的終止應(yīng)變Table 3 Critical strain corresponding to ultimate stress and cyclic loading of compacted snow under monotonic load and cyclic load

注：實驗溫度為（?10.0±0.3）℃，應(yīng)力幅值在單調(diào)載荷時為0 MPa，應(yīng)力幅值在循環(huán)載荷時為1.0 MPa，頻率為0.03 Hz，平均應(yīng)力為1.0 MPa，循環(huán)次數(shù)為100 The experimental temperature is（?10.0±0.3）℃，the stress amplitude is 0 MPa under monotonic load，the stress amplitude is 1.0 MPa under cyclic loading，the frequency is 0.03 Hz，the average stress is 1.0 MPa，and the number of cycles is 100

為探究循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)化和弱化作用與不同循環(huán)條件所產(chǎn)生的累積變形之間的關(guān)系，將循環(huán)加載結(jié)束時對應(yīng)的應(yīng)變εc定義為循環(huán)加載的累積應(yīng)變。如表3 所示，循環(huán)加載的累積應(yīng)變在循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅值相同時基本一致（標(biāo)準(zhǔn)差在0.02%~0.13%），并隨著循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力幅值的增加而增大。在本文試驗條件范圍內(nèi)，循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生強(qiáng)化作用的臨界條件為循環(huán)次數(shù)為100、應(yīng)力幅值為1.0 MPa、應(yīng)變速率為1.0×10-2s-1以及循環(huán)次數(shù)為100、應(yīng)力幅值為0.2 MPa、應(yīng)變速率在1.0×10-2s-1或1.0×10-1s-1，對應(yīng)的循環(huán)加載累積應(yīng)變分別為0.98%和（0.985%±0.085%）；循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生弱化作用的臨界條件為應(yīng)變速率為1.0×10-2s-1、應(yīng)力幅值為1.0 MPa、循環(huán)次數(shù)為900，對應(yīng)的循環(huán)加載累積應(yīng)變?yōu)?.33%?；谝陨辖Y(jié)果可以推測，循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度強(qiáng)化或弱化作用與循環(huán)加載累積應(yīng)變有關(guān)，仍需進(jìn)一步試驗來確定產(chǎn)生強(qiáng)弱化作用的循環(huán)載荷臨界條件及其對應(yīng)的臨界累積應(yīng)變。

3 結(jié)論

根據(jù)中國完成的多次藍(lán)冰區(qū)考察結(jié)果，在中山站附近建設(shè)藍(lán)冰機(jī)場的可能性較低，壓實雪層跑道事實上成為中國在南極建設(shè)大型機(jī)場的首選形式。建設(shè)壓實雪層跑道的核心技術(shù)原理雖已有總結(jié)，但中國尚未全面掌握該項技術(shù)。根據(jù)壓實雪方法制作人工冰樣，以循環(huán)次數(shù)、應(yīng)力幅值和應(yīng)變速率為主要影響因素，通過開展在位移控制模式下的單調(diào)載荷冰單軸抗壓強(qiáng)度試驗研究以及載荷控制模式下的循環(huán)載荷冰單軸抗壓強(qiáng)度試驗研究，分析了循環(huán)載荷對壓實雪冰單軸抗壓強(qiáng)度的影響。實際上，循環(huán)載荷對壓實雪冰的抗壓強(qiáng)度影響存在強(qiáng)化和弱化作用，在設(shè)計機(jī)場運行指揮監(jiān)測體系時，應(yīng)充分考慮執(zhí)行任務(wù)的運輸機(jī)、客機(jī)施加的循環(huán)載荷對壓實跑道所產(chǎn)生的影響，在設(shè)計和修繕雪冰道面時應(yīng)結(jié)合循環(huán)載荷對雪冰抗壓強(qiáng)度影響的臨界值，合理提出強(qiáng)度設(shè)計指標(biāo)和維護(hù)周期與時段，避免低估雪冰力學(xué)性能造成施工用料浪費或高估其強(qiáng)度疏于維護(hù)。結(jié)合試驗結(jié)果及分析，本文得到主要結(jié)論如下：

（1）單調(diào)載荷下的壓實雪冰抗壓強(qiáng)度在韌性區(qū)內(nèi)隨著應(yīng)變速率的增加而增加，在韌性-脆性過渡區(qū)達(dá)到最大值，然后在脆性區(qū)中顯著減少。單調(diào)載荷下的壓實雪冰應(yīng)力-應(yīng)變曲線同時表現(xiàn)出韌性和脆性雙重特征的過渡應(yīng)變速率為1.0×10-2s-1。

（2）在一定應(yīng)變速率和循環(huán)次數(shù)范圍內(nèi)，循環(huán)載荷對壓實雪冰的抗壓強(qiáng)度具有強(qiáng)化作用；當(dāng)超過一定循環(huán)次數(shù)時，循環(huán)載荷對壓實雪冰的抗壓強(qiáng)度會產(chǎn)生弱化作用；應(yīng)力幅值相比于應(yīng)變速率和循環(huán)次數(shù)，其對抗壓強(qiáng)度的影響并不顯著，但會改變其他影響因素產(chǎn)生弱化作用的臨界值。在本文的實驗條件范圍內(nèi)，使壓實雪冰抗壓能力強(qiáng)化作用最顯著的循環(huán)次數(shù)為100 次；在高于1.0×10-2s-1的高應(yīng)變速率條件下循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度開始有強(qiáng)化作用。（3）循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度強(qiáng)化作用，從試樣的破壞形式推斷，可能是通過延遲韌性-脆性的轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)的；循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度弱化作用，可能是疲勞破壞引起的。在本文的實驗條件范圍內(nèi)，尚不能確定使壓實雪冰抗壓能力強(qiáng)化作用最顯著的循環(huán)次數(shù)、循環(huán)次數(shù)對抗壓強(qiáng)度的弱化影響規(guī)律，循環(huán)載荷在低應(yīng)變速率條件下是否存在對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度的弱化作用，以及在更高應(yīng)變速率范圍內(nèi)循環(huán)載荷對壓實雪冰抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。