【摘要】：冰荷載是寒冷區(qū)域水工和海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計的控制荷載之一,也是冰管理中不可或缺的冰參數(shù)之一,其中冰的單軸壓縮強度則是冰荷載計算的關(guān)鍵參數(shù)。但由于冰是一種受水文、氣象等地理和環(huán)境條件所控制的性質(zhì)較復(fù)雜的天然復(fù)合材料,所以其物理和力學(xué)性質(zhì)也各有差異,并且科學(xué)工作者們試驗所選取的冰樣存在地域差異和試驗研究方法的不同致使獲得的結(jié)果也各不相同,所以采用人工凍結(jié)的方法來模擬天然冰是獲取不同冰試樣的有效手段；進一步開展冰單軸壓縮強度以及不同因素對壓縮強度的影響實驗研究來充實已有的試驗研究和理論研究是非常有必要的；研究不同類型冰的單軸壓縮強度及其與影響因素之間的關(guān)系也是非常有意義的。 利用低溫環(huán)境實驗室和動態(tài)水體冰生消模擬水槽,通過逐步控制降溫幅度的凍結(jié)方法進行人工制備淡水冰。使用配置了高精度低溫恒溫試驗箱的冰壓力試驗機,分別對人工凍結(jié)冰、現(xiàn)場取樣的水庫冰和海冰進行了單軸壓縮強度試驗研究。通過制備水平和垂直晶體薄片分析確定三種冰的晶體結(jié)構(gòu)。同時采用等效圓直徑的方法計算出相應(yīng)的平均粒徑尺寸,并得到了冰內(nèi)氣泡分布情況和隨深度變化的氣泡含量變化曲線,以及海冰鹽度隨深度呈現(xiàn)“C”型的變化趨勢。 利用試驗數(shù)據(jù),分別得到人工凍結(jié)冰、水庫冰和海冰的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,對應(yīng)冰試樣不同的變形形態(tài),并給出冰破壞應(yīng)力與破壞時間的關(guān)系曲線。通過試驗觀測發(fā)現(xiàn)冰試樣主要存在鼓脹、剪切和劈裂的破壞形式,且對應(yīng)的冰試樣破壞現(xiàn)象各有差異。 選取不同的溫度和大范圍內(nèi)的應(yīng)變速率作為條件進行試驗,重點分析了應(yīng)變速率、溫度、平均粒徑尺寸等不同因素對冰單軸壓縮強度的影響。試驗結(jié)果表明：人工凍結(jié)冰、水庫冰和海冰均表現(xiàn)了明顯的應(yīng)變速率敏感性,存在著韌性區(qū)、韌脆過渡區(qū)和脆性區(qū)；冰單軸壓縮強度與溫度有著密切的關(guān)系,在相同的應(yīng)變速率下,冰單軸壓縮強度值隨著冰溫的降低而一直增大,且隨著溫度的降低,韌脆過渡區(qū)向低應(yīng)變速率方向偏移。同時采用非線性方法擬合峰值壓縮強度和溫度的關(guān)系式,使其更符合冰溫度接近冰點時,其強度接近零的物理事實。探討了在試樣尺寸相同的條件下,平均粒徑尺寸變化對冰單軸壓縮強度的影響,引入?yún)?shù)平均粒徑尺寸/試樣尺寸比(D/A),相同試樣尺寸不同平均粒徑尺寸下冰單軸壓縮強度變化表明,在D/A1.5的情況下,隨著比值的減小,冰的單軸壓縮強度增大。針對水庫冰,在水平和垂直兩種加載方向條件下,上層冰單軸壓縮強度相同,體現(xiàn)了粒狀冰各向同性的特性；下層冰由于同時存在粒狀冰和柱狀冰結(jié)構(gòu),加載方向?qū)Ρ鶈屋S壓縮強度的影響表現(xiàn)不明顯。將試驗結(jié)果進行擬合,對于淡水冰,建立了單軸壓縮強度與大范圍應(yīng)變速率和溫度三者之間的統(tǒng)計關(guān)系式；對于海冰,建立了單軸壓縮強度和大范圍應(yīng)變速率及與孔隙率之間的定量關(guān)系表達式。 探討了冰單軸壓縮強度在工程中的應(yīng)用。水庫冰和海冰的峰值壓縮強度結(jié)果分別與同區(qū)域的歷史研究結(jié)果在同一范圍內(nèi),因而在工程設(shè)計中,仍可取實測冰強度的峰值作為設(shè)計強度參考依據(jù)。在海冰管理中,利用已定型的渤海氣象預(yù)報、海冰厚度預(yù)報和海冰漂移預(yù)報模式,在獲得氣溫、水溫、冰厚以及冰速等參數(shù)值的基礎(chǔ)上,將單軸壓縮強度的應(yīng)用范圍擴展到冰工程管理中,基于獲得的冰單軸壓縮強度與大范圍應(yīng)變速率和孔隙率之間的定量關(guān)系,建立了海冰荷載計算流程,并采用冰荷載預(yù)警指標反映出結(jié)構(gòu)物所受的實時冰力的狀態(tài),為結(jié)構(gòu)物的安全狀態(tài)、正常生產(chǎn)作業(yè)及人員感受提供警示,為冰區(qū)結(jié)構(gòu)物的安全運營的預(yù)警系統(tǒng)提供科學(xué)指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：P75

【參考文獻】

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本文編號：2745001