Для изучения физического процесса воздействия льда на отдельную опору, выявления основных закономерностей разрушения льда, а также для построения математических моделей, выполняются модельные опыты в ледовых бассейнах, мелко- и крупномасштабные эксперименты на ледяном покрове с использованием специальных инденторов (плоских щитов или цилиндров). Результаты исследований нашли отражение в большом количестве работ [ ].
Экспериментальные данные показали, что поле напряжений вблизи индентора характеризуется большими градиентами, приводящими к интенсивному трещинообразованию. Лед в зоне разрушения состоит из мелкой сетки сдвиговых трещин с быстро увеличивающейся плотностью по направлению к контакту. Термин «сдвиговые трещины» использовался потому, что микротрещины совпадают с изолиниями максимальных сдвигов получаемыми из расчета в упругой постановке.
В первых рекомендациях по определению ледовой нагрузки на опоры ГТС использовался опыт исследований нагрузок на опоры мостов на замерзающих реках. При этом не учитывался циклический характер нагрузки, т.е. предполагалось, что после внедрения сооружения в лед на всю ширину ледовая нагрузка принимала постоянное значение. Объяснить это можно тем, что мосты, ледорезы и оградительные сооружения строились на небольших глубинах и имели частоту собственных колебаний, значительно отличающуюся от частоты ледовых воздействий.
При мелкомасштабных экспериментах возникают проблемы моделирования процесса взаимодействия ледяного образования с сооружением. Физическое моделирование данного процесса началось в начале 50-х для целей речной навигации и эксплуатации ледокольного флота. Законы моделирования в ледотехнике сформулированы в работе [ ], в которой подчеркивается необходимость соблюдения геометрического, кинематического и динамического подобия явлений. Наиболее трудно осуществимо физико-механическое подобие, требующее использования специально оборудованных ледовых бассейнов и изготовления модельного льда.
Тэйлор [ ] использовал пять типов плоских щитов размерами по ширине В=0,305; 0,61; 1,22; 2,44; 3,66 м и три типа цилиндрических опоре диаметрами D=0,305; 0,61; 1,22 м (рис. ). Для экспериментов использовали два типа льда: озерный лёд столбчатой структуры с вертикальными и горизонтальными С-осями кристаллов, и лёд, намораживаемый в майнах, с засевом поверхности воды кристаллами снега с горизонтальным развитием С-осей кристаллов.
Лёд перед щитами инденторов и модулями опор деформировался в условиях стеснённого сжатия. В этих условиях прочность зависит от ориентации нагрузки относительно С-осей. 38 опытов проведены при толщине льда, изменявшейся в пределах 0,50-0,75 м. Определённая по толщине температура льда изменялась в пределах -3.9 - -1.1°С, отдельный эксперимент был проведён при температуре льда -16.7°С. Для данных опытов было разработано инденторное устройство повышенной жесткости.
Уменьшение скорости деформации льда (v/B) с 10-2-10-3 с-1 до 10-4 с-1 приводило к снижению давления в четыре раза. Наряду с измерением общей нагрузки был произведен эксперимент по измерению местного давления на щит с В=0,61 м, который имел по высоте 6 сенсорных пластин, позволявших измерить давление различных слоев льда по толщине. Результат измерений показал, что наибольшее давление достигается в средней части по толщине ледяного поля, причём в нижней и верхней части давление ниже максимального всего на 10-20%. Максимум давления во всех слоях достигается одновременно, а при разрушении льда эпюра давления по высоте видоизменялась и наибольшее сопротивление оказывала верхняя t часть ледяной плиты. Это могло служить одной из причин наблюдаемого выпучивания ледяного поля. В работе Нэвела [ ] представлены результаты 60 опытов с моделями круглых, плоских опор и треугольных опор с углом заострения 90° и 45°, диаметром 0,038-0,920 м при толщине солёного льда (средняя солёность 6-11‰) 0,075-0,200 м и осредненной температуре льда 2.5-4.0°С. Основная ценность выполненных исследований заключается в изучении качественной картины и многообразия форм разрушения ледяной плиты вокруг опор различной формы и ширины. Опыты проводили в ледовом бассейне размером 6,4х6,4 м. Скорость перемещения моделей варьировалась от0,18 до0,50 м/с (для малых опор).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.