Краткие сведенья о физико-механических свойствах пресноводного льда и снега.

Введение

Глава I. Физико-механические свойства льда и снега

1.1.Краткие сведенья о физико-механических свойствах пресноводного льда и снега

1.2.Выбор наиболее вероятных физико-механических характеристик ледяного покрова

1.2.1. Плотность льда

1.2.2. Коэффициент Пуассона

1.2.3. Модуль упругости (модуль Юнга)

1.2.4. Модуль сдвига

1.2.5. Прочность льда при изгибе

1.2.6. Механические свойства

1.2.6.1. Вязкость

1.2.6.2. Время релаксации

1.2.6.3. Прочность

1.2.7. Упругие свойства пресноводного льда

1.3.Несущая способность ледяного покрова

1.4.Экспериментальные исследования деформаций ледяного покрова, вызываемых движущимися нагрузками

Глава II. Выбор наиболее эффективных способов повышения несущей способности ледяного покрова

2.1.Результаты информационно патентного поиска

2.2.Классификация методов повышения несущей способности ледяного покрова.

2.2.1. Уменьшение температурного градиента

2.2.2. Армирование

2.2.3. Применение свай

2.2.4. Гидродинамические методы

Выводы

Введение:

В условиях нашей страны, имеющей большие территории, до сих пор единственным способом передвижения наземного транспорта и доставки грузов до некоторых отдаленных населенных пунктов в зимнее время осуществляется через ледовые переправы рек и озер. Некоторые из таких переправ не надежны, что влечет за собой гибель людей и техники.

Но до сих пор еще не разработана такая теория волновых колебаний ледяного покрова, которая бы точно отвечала на практические задачи разрушения льда изгибно-гравитационными волнами (ИГВ) от движущийся по нему нагрузке, которую можно было применить для создания надежных переправ.

На сегодняшний день в России существует два вида переправ официальные и не официальные. Не официальные переправы не организованны для движения транспорта или грузов что влечет за собой большинство несчастных случаев. Официальные переправы, которые создаются только путем расчистки от снега ледяной поверхности, для повышения несущей способности ледяного покрова не эффективны, т.к. не учитывают, что многообразие свойств ледяного покрова не стабильны во времени и зависят от природных факторов, глубины водоема, интенсивности течения и т.д.

Перед данной дипломной работой ставиться цель - найти эффективные методы увеличения несущей способности ледяного покрова и способы создания надежных переправ на любых акваториях нашей страны. Данная цель достигается в решении задач связанных в установлении физико-механических свойств пресноводного льда и снега, исследований характера деформаций ледяного покрова под действием движущийся нагрузки и анализа имеющихся на сегодняшний день патентов для создания ледяной переправы.

Связь с автором: [email protected]

Глава I. Физико-механические свойства льда и снега

Краткие сведенья о физико-механических свойствах пресноводного льда и снега.

Лед принадлежит к числу давно известных материалов, но, тем не менее, свойства его изучены далеко не достаточно. Это объясняется большим разнообразием структуры, составов, физико-механических состояний. Существенную роль в поведении льда играют и временные процессы. Однако здесь рассмотрим лишь те характеристики льда и ледяного покрова, которые определяющим образом влияют на его взаимодействие со средствами передвижения транспортных средств.

Рис.1.Кристалическая структура льда

Лед представляет собой поликристаллическое тело, состоящее из множества кристаллов неправильной формы, называемых зернами. Зерна состоят из упорядоченных в пространстве однотипных элементарных ячеек, образующих кристаллическую решетку. Существует много типов решеток. Кристаллическая структура льда определяется строением молекул воды.

Во льду атомы кислорода расположены в виде гексагональных колец (рис.1). Каждый атом кислорода, в, свою очередь, находится в центре тетраэдра, четыре вершины которого также заняты атомами кислорода.

Такая кристаллографическая упорядоченная сетка атомов кислорода связана атомами водорода, положение которого в этих связях неупорядоченное.

Единичная ячейка кристаллической структуры содержит четыре молекулы размерами примерно 4,5 х 4,5 х 7,4, плотностью 0,917 г/см³ при 0°С. Базисная плоскость (0001) является плоскостью скольжения решетки, и поэтому касательное напряжение, приложенное параллельно ей, вызывает скорость деформации на два порядка больше, чем напряжение, приложенное по нормали.

В обычных условиях лед существует при температурах, весьма близких к точке плавления. Это в значительной степени определяет его физико-механические свойства и поведение под нагрузкой. В разных условиях лед проявляет упругость, нелинейную вязкость, хрупкое разрушение, разрушение при ползучести и т. д. Связано это с тем, что процессы деформирования льда часто сопровождаются фазовыми переходами.

Известно, что даже наиболее чистые формы пресноводного льда содержат примеси в виде твердых частиц, растворимых веществ и газов. Эти примеси в значительной степени влияют па процесс образования зародышей и движение дислокаций, определяя прочность ледяного покрова. Именно движение дислокаций решительным образом меняет свойства кристаллических тел и объясняет, почему прочность реальных кристаллов в сотни и тысячи раз меньше теоретической.

Кристаллическое строение льда зависит от многих причин, в том числе от истории ледообразования. У пресного льда кристаллы имеют больший размер, чем у морского. Это влияет на деформацию и прочность речного льда.

Эксперименты показали, что при одном и том же напряжении сдвига скорости деформаций поликристаллического льда много меньше, чем в кристалле. Это связано с хаотичной ориентировкой плоскостей скольжения, затрудняющей сдвиги. Именно разная форма и размеры зерен, и хаотическое их расположение в поликристаллическом льду не позволяют проявиться индивидуальным особенностям кристаллов. При оценке механических свойств структура материала не так важна, важнее некоторые макроскопические свойства - прочность, вязкость, модуль упругости и т. д.

Хаотическое расположение зерен в поликристаллическом льду позволяет с достаточной для практики точностью рассматривать ледяной покров как тело изотропное и однородное. Лишь по толщине льда необходимо учитывать анизотропию, связанную с температурными градиентами и историей ледообразования.

В дальнейшем будем полагать, что размеры образцов льда велики по сравнению с размерами зерен и кристаллов, входящих в этот образец.

Оценка прочности ледяного покрова в значительной степени зависит от объективной оценки его физико-механических характеристик, определяемых при испытаниях по соответствующим методикам в лабораторных или полевых условиях.

Как правило, получаемые результаты испытаний значительно расходятся между собой, что объясняется как разными условиями их проведения, так и тем, что многочисленные и важные факторы (размеры образцов, температура льда, объем полостей воздуха в нем, история ледообразования и т. д.) часто при этом не учитываются.

Для возможности сопоставления механических свойств при испытаниях необходимо соблюдать подобие геометрическое, технологическое, механическое, физическое и энергетическое.

Приведем лишь основные физико-механические свойства для пресноводного льда, в том объеме, который необходим для дальнейшего изложения.

Предполагается, что при температурах от -3°С и ниже, и при крат­ковременных воздействиях лед ведет себя как вполне упругое тело, подчиняющееся закону Гука. Пластическая деформация при этом не успевает развиться.

При определении модуля упругости льда используют статический и динамический способы. Статический способ позволяет получить при статическом нагружении образцов так называемый  модуль  деформации, который всегда меньше динамического:

Е_{С T} = (5,69 - 0,648 T)*10³МПа; E_д=(8 + 9,8)*10³МПа,

где Т - абсолютная температура воздуха.

- Коэффициент  Пуассона   μ=0,31-0,36.

- Модуль  сдвига    G=(3,0-3,8)*10³MПa.

Значение прочности льда на сжатие в зависимости от температуры приведены ниже [14]:

 

Т, 0C	0 -5	-5 -10	10 -15	-15 -20
σcж, МПа…	1.6 3.0	3.0 3.6	3.6 3.9	3.0 4.0

Прочность при растяжении:

Т, 0C	0 -10	-10 -20	-20 -35
σp, МПа...	0.9 1.2	1.2 1.5	1.4 1.8

 

Прочность льда на изгиб оценивают в ходе разрушения образцов льда при изгибе по измерениям приложенного усилия и размеров этих образцов. Считается, что наиболее надежные результаты дают испытания «клавиш» на плаву, вырезанных из ледяного покрова σ_u=0.47-0.71 MПа.

Рис.2. Прочность льда на изгиб

Прочность на изгиб существенно зависит от скорости деформации. Представляется обоснованной зависимость прочности льда на изгиб, предложенная В. В. Лавровым [34] и показанная на рисунке 2. Прочность льда при растяжении и сжатии различна, поэтому нейтральная ось смещается при изгибе и часто характер распределения напряжений

 по толщине пластины становится нелинейным. Прочность льда на срез при отрицательных температурах воздуха σ_ср=0.6-1,1МПа.

В последнее время развитие получили исследования в области механики роста трещин в различных материалах, несколько опытов было проведено во льду [35,36]. Известно, что основной характеристикой роста трещин является коэффициент вязкости разрушения в вершине трещины отрыва К1_С. Так, в работе [36] значения К1_С поликристаллического льда, полученные экспериментально, равны 0,30 0,15 МПа _*м^1/2 (при температуре от -2 до -14° С). Экспериментальные измерения К1_С проведены также Гудменом при температурах -4, -11 и -24°С. Средние значения К1_С оказались соответственно равными 0,118; 0,119; 0,108 МПа_*м^1/2 .

В [36] отмечается, что коэффициент вязкости разрушения практически не зависит от скорости нагружения и температуры.

Коэффициенты трения натурного льда о корпус судна изменяются в широких пределах. Например, динамический коэффициент трения меняется в пределах 0,02 0,20, а статический коэффициент в пределах 0,04 1,0 [22].Плотность льда р_л колеблется в пределах от 890 до 920 кг/м. Теплопроводность пресного льда λ= 2,22Вт/м*К.

Температуропроводность a=λ/c_p*ρ_л   где - c_p удельная теплоемкость льда при постоянном давлении, например, а= 4,76*10⁷ м²/с при T=-5^оС.

Удельная теплота плавления L' пресноводного льда при разной температуре воздуха различная [36]:

Т,°С	0	-5	-10	-15	-20
L’, кДж/кг	334	308	285	262	241

 

Теплоемкость пресноводного льда с = (2.12 ± 0,0078Т) Дж/г_*К. Поверхностная энергия (количество работы, необходимой для создания единицы площади поверхности раздела фаз в изотермическом процессе) равна 33 ± 3 МДж/м².

Снег, лежащий на поверхности льда, влияет на взаимодействие судов с ледяным покровом. Приведем некоторые механические свойства снега. Плотность свежевыпавшего снега р_сл=60 130 кг/м³, свежего уплотненного ветром р_слв=180 220 кг/м³, старого р_снст⁼240 250 кг/м³.

 

 

Рис. 3. Прочность снега на сжатие, срез, растяжение и изгиб.

 

На рисунке 3 приведены результаты определения пределов прочности снега на срез σ_ср, сжатие σ_сж, изгиб σ_u  и растяжение σ_p при температуре -10°С [36].