Многоцикловое и истирающее воздействия дрейфующего ледяного покрова на морские гидротехнические сооружения (Феноменологическая модель процесса разрушения ледяной плиты на контакте с сооружением), страница 10

Процесс разрушения льда происходит следующим образом. Первоначально при сжатии льда по контакту на величину d под действием давления Р происходит сдвиг двух призм льда под углом b. После этого, по мере продвижения ледяной плиты, начинает сминаться заостренная кромка льда на величину d₁ до момента, когда вертикальный размер зоны контакта не достигнет h₁. В этот момент значения давления Р₁ и, соответственно, силы становится достаточно для реализации сдвига очередного объема льда. Затем процесс повторяется с характерными параметрами d₁, h₁, Р₁. Таким образом, наблюдается периодическое разрушение льда при одновременном проявлении сжатия и сдвига. Нагрузка при этом изменяется циклически.

Рассмотрим подробнее количественную сторону этого процесса. Давление, необходимое для сдвига одного удельного объема льда, может быть определено следующим образом [96]

,                                  (3.8)

где S - площадь плоскостей разрушения; V - объем разрушенного льда.

Величина р соответствует удельной энергии Е разрушения материала. На основе специальных исследований эта величина для морского льда определена численно [185]. Ее значение главным образом зависит от типа льда и его температуры. Для обычного однолетнего морского льда при температуре ниже -12°С ее значение в среднем составляет около 700 кДж/м³ (или 700 кПа).

Величину Р₁ для относительно широких конструкций при d/h>5 можно принять равной пределу прочности на одноосное сжатие s₀. Многочисленные экспериментальные исследования [94] показывают, что отношение пределов прочности на сжатие и растяжение А натурного многолетнего морского льда при этих же температурных равно 4. Учитывая, что А, согласно теории и критерию прочности Кулона-Мора, является функцией от угла внутреннего трения льда

.                                       (3.9)

можно определить j=37⁰.

Принимая гипотезу связи  угла внутреннего трения с углом разрушения, можно вычислить последний как

.                                     (3.10)

Для j= 37° значения a составит 26,5°. Далее, используя полученные выше значения, можно определить деформацию до наступления разрушения сдвигом

d= (Е/s₀) h                                    (3.11)

Отсюда видно, что деформация, необходимая для реализации сдвига, зависит от отношения Е/s₀, которое в свою очередь зависит от типа льда и характера нагружения. Деформация смятия кромки льда в следующей фазе разрушения, исходя из геометрии (рис.3.16), может быть найдена

d₁= 0,5h₁/tga                                                             (3.12)

Для рассматриваемого угла разрушения (a=26°) деформация сжатия составит

                        d₁@ h₁                                                             (3.13)

Таким образом, оба вида деформаций, общая толщина льда, толщина льда после сжатия кромки льда, угол разрушения и, согласно гипотезе, угол внутреннего трения льда, находятся во взаимосвязи. Эти величины, кроме всего, являются переменными. Например, угол внутреннего трения льда лежит в пределах от 0 до 58°. Вместе с этим с j меняются и другие параметры a, h₁, h. Известно, что угол внутреннего трения льда главным образом зависит от скоростного фактора [96]. Поэтому при изменении скорости движения ледяного покрова параметры процесса разрушения изменяются в широких пределах.

С увеличением скорости деформирования происходит уменьшение размера h₁ и, соответственно, площади контакта. Очевидно, подобным фактом можно объяснить стремление некоторых исследователей вводить в расчет ледовой нагрузки при динамическом воздействии льда лишь половину его толщины. Иногда этот вопрос решается за счет занижения предела прочности льда, что, хотя в конечном итоге и приводит к более правдоподобному результату, но по сути является ошибочным.

Угол разрушения также изменяется при изменении скорости деформирования. Однако характер этого изменения однозначно назвать нельзя. Это объясняется тем, что синхронно и противоположно с j и подобно s₀ на отдельном участке при увеличении скорости деформирования будет наблюдаться уменьшение угла разрушения. Затем, при дальнейшем увеличении , угол разрушения увеличивается при уменьшении j. Эта тенденция была зафиксирована также и в проведенных наблюдениях.