Несущая способность ледяного покрова

На несущую способность ледяного покрова, т.е. его свойство длительное время противостоять разрушению под действием различных нагрузок, существенное влияние оказывают длительность времени приложения и характер нагрузки. Обычно выделяют три характерных режима нагружения льда: динамический, при котором упругие свойства льда проявляются полностью, а неупругие приводят к диссипации энергии; статический, когда силами инерции можно пренебречь, и режим длительного нагружения, при котором полностью проявляются вязкие свойства льда.

Ледяной покров для большинства статических задач со сравнительно малым временем приложения нагрузки можно рассматривать как упругую однородную пластину, лежащую па упругом основании гидравлического типа. При этом различают грузоподъемность ледяного поля до образования первых сквозных трещин Р_кр и полную несущую способность Р_р. При наличии сквозных трещин грузоподъемность еще далека от предельной. Полная несущая способность исчезает при проломе ледяного поля. Несущая способность льда вблизи открытой трещины существенно уменьшается. Если нагрузка приложена к одному краю трещины, то несущая способность льда составляет всего 43% по сравнению с несущей способностью при расположении груза в центре.

При нагрузке, приложенной одновременно к обоим краям
трещины, несущая способность льда составляет 85% нагрузки,
приложенной      к ненарушенному ледяному полю. Согласно многочисленным экспериментальным данным, величина Р_кр определяется прочностью льда на изгиб при кратковременном приложении нагрузки. При принятии в качестве критерия прочности при изгибе ледяного покрова предельное растягивающее напряжение методом аналогий получена простейшая зависимость допустимой нагрузки Р_р (Мг) от толщины льда h (см):

P_p = A * h ²

где А - эмпирический коэффициент, зависящий от многих факторов, (таблица 10).

Анализ этой формулы и ее многочисленных видоизменений [13] показывает, что для практических целей ее применение не всегда правомерно.

Анализ несущей способности ледяного покрова, основанный на теории изгиба упругих пластин, позволяет получить лишь приближенное описание, особенно при длительных нагружениях. Строгий расчет разрушающих усилий и оценку влияния трещин на грузоподъемность льда в этом случае необходимо производить с учетом ползучести при наличии градиента температуры по толщине льда и других факторов.

На основании данных полевых испытаний временную зависимость относительной разрушающей нагрузки можно выразить следующим уравнением [13]:

По этому уравнению можно рассчитать время безопасной стоянки груза на ледяном покрове:

здесь Р_р(0) - нагрузка, достаточная для разрушения пластины сразу же после ее приложения в момент времени t_p =0; P_p(t_p) - нагрузка, которая разрушает пластину через некоторое время t_p при t_p>0 P_p(t_p)<P_p(0). Очень важно правильно определить значение Р_р(0). По-видимому, наиболее близкими к истинным являются результаты экспериментальных работ [13]. Осредненная кривая с небольшим разбросом данных описывается уравнением:

где b – поперечный размер площади, на которой действует нагрузка;

; ,

где D - цилиндрическая изгибная жесткость; р - плотность воды; v - коэффициент Пуассона.

Для инженерных задач - необходимо знать нагрузки, при которых объект может медленно двигаться или стоять на плавающей ледяной пластине, либо нагрузки, при которых лед обязательно разрушается (проектирование ледоколов). Этим нагрузкам соответствуют верхняя (В) и нижняя (Н) огибающие экспериментальных точек.

Область под нижней кривой - допустимые нагрузки, выше верхней - разрушающие. Они описываются уравнениями:

Следовательно, для льда при температуре -10°С допустимую сосредоточенную нагрузку для бесконечной пластины в соответствии с данными Панфилова можно определить из условия:

;

здесь значение σ_p можно брать равным прочности на изгиб консольной балки на плаву.

Согласно данным этого же автора допустимую нагрузку, действующую на края длинной щели в ледяном покрове (например, в случае моста между двумя полубесконечными пластинами), можно определить из условия:

Разрушающая нагрузка для полубесконечной пластины удовлетворяет условию:

.

В экспериментах Панфилова выдерживалось соотношение 0,1< <1,0. Он также получил, что (P_p)_H 2P_кр, т.е. трещины во льду появляются при половинной разрушающей нагрузке, соответствующей нижнему пределу.