乌梁素海湖冰单轴压缩强度特征试验研究

2018-07-16李志军徐梓竣王庆凯李国玉

水利学报 2018年6期

李志军，徐梓竣，王庆凯，李国玉

（1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连　116024；2.中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州　730000）

1　研究背景

冰作为寒区一种自然现象，既具有对人类生活有益的一面，也具有对人类活动不利的一面，引发多种类型的冰灾害。因此，国内外学者对淡水冰均有长期研究。但由于冰的行为同其生长环境具有一定联系，因此冰的工程行为具有地域性。黄河冰的力学行为也具有此特点。受河流动力的影响，黄河封冻主要有二类，一类是由热力作用引起的结冰，即所谓的“平封”；一类是由热力和动力联合作用引起的结冰，即所谓的“立封”。这二类封冻之后的河冰底面除了热力生长增加冰厚外，有可能存在动力搬运的冰花冻结增加冰厚度。不同结冰方式导致冰内晶体存在差异［1］，也引起其冰力学行为差异。近些年，国内学者对具有动力因素成冰的河冰单轴压缩强度曾做了研究［2-3］。因在采集冰样前，判断河道内纯热力学生长柱状冰的困难性，柱状冰力学性质研究成果报道较少。国外学者在上世纪对淡水冰的工程力学性质给予关注，近些年将重点转移到微观尺度上的冰晶体对本构关系效应［4］，和宏观尺度上的冰对气候变化响应［5］。研究的冰样多数针对天然冰［6］，不划分晶体类型的影响。只有文献［7］使用了柱状冰试样，并考虑了柱状冰晶粒尺寸的效应。随着“一带一路”建设的推进，配合高原寒区和干旱、半干旱地区的基础建设，未来水利和交通工程必然对冰力学性质的需求不断增加。目前国内的河冰、湖冰、水库冰的冰凌统计预测［8］，冰-水力学数值模拟［9-11］、冰与水工结构物作用力［12］、冰层静压力［13］、冰内裂缝和开河［14-15］一定会密切联系和引进冰力学行为。另外，在纯热力学冰生消中，冰下水温的热量贡献不可忽略［16-18］，而且冰下水温是冰下生态环境的核心指标。考虑国内学者在黄河附近的河迹湖-乌梁素海开展了冬季结冰期的冰内和冰下水环境研究［19-21］，大连理工大学同内蒙古农业大学、芬兰赫尔辛基大学等单位合作，在2015—2016年、2016—2017年和2017—2018年冬季，选择黄河宁蒙段和乌梁素海，联合实施气-冰-水-泥自然资源环境与生态的综合调查，调查内容有冰生消过程、冰内温度、冰内雷达波传递速度、冰内光传递和冰力学性质等。本文的淡水冰单轴压缩强度试验研究是该综合调查中冰力学性质的一部分。

冰的单轴压缩强度受冰晶体类型、试样尺寸［22］、加载方向、应变速率、温度、孔隙率［23］以及试验机刚度影响。本文首先依据观测的冰晶体结构和设计的冰样尺寸、加载方向，确定如何将现场采集冰坯加工成试样，之后开展试验。利用所得试验数据，分析冰样温度、加载应变速率、加载方向对冰单轴压缩强度的影响；分析不同试验条件下的单轴压缩强度同试验因素之间的关系。为积累柱状冰的单轴压缩强度特性和未来形成完善的柱状冰单轴压缩本构关系提供支撑。

2　冰试样制备及物理特征

2.1冰试样制备加工试样的冰坯采自2016年1月，采样时的冰厚为40～43 cm。取得的冰坯尺寸为60 cm长，40 cm宽，整个冰厚的长方体。将取得的冰坯用保温泡沫箱包装后，趁冬季气温低时运回到大连理工大学低温环境实验室。根据文献［24］对冰力学性质试验方法的建议，利用电链锯和锯骨机将冰坯加工成7.0 cm×7.0 cm×17.5 cm，加载的长轴方向平行冰面与垂直冰面二种试样。

2.2冰晶体结构试验前观察了乌梁素海冰的晶体结构，图1（a）沿垂直冰面方向切片的晶体照片，图1（b）是平行冰面切片的晶体照片。通过对图1的观测，纯热力生长的乌梁素海淡水冰为典型的柱状冰。因此其力学性质表现为各向异性。实测平均冰密度为0.913 g/cm3，由于冰内部存在气泡，实测密度比致密的天然冰偏低［1］。

图1　晶体结构照片

3　试验方案

3.1试验仪器试验使用了长春试验机研究所生产的CSS-44100型电子万能试验机，该试验机由主机、附件、德国DOLI电子公司生产的EDC120数字控制器和计算机组成。为了在常温环境中，营造局部低温试验环境，在试验机的横梁和底座台板之间安装了低温恒温试验箱。该低温恒温试验箱是通过大连北方分析仪器有限公司生产的BF-200型循环冷浴实现局部低温实验环境。为了更好地保证低温试验箱内温度控制的精度和准确度，箱内部接入了Pt型温度传感器，并通过日本SHIMADEN公司生产的SR253型温控仪来严格控制箱内温度。Pt型温度传感器测温精度可达到0.1℃，分辨率为0.01℃。同时箱内还安装了空气对流风道和照明灯，来保证箱内均匀的温度场以及通过真空绝热玻璃窗来观察试样的破坏现象。此外还用电木材料替换了试验机的钢质压力连接杆，并用尼龙材料替换了钢质的上下压头，以阻断试验箱内外之间的温度交换。同时在尼龙压头处安装了自动调平装置，以保证冰试样在压缩过程中其上下端面与压头充分接触。通过上述试验机的技术改造和完善，为冰单轴压缩强度测试提供了良好的试验技术，保障获取可靠的数据［3］。

3.2试验方法试验具体步骤如下：将低温环境实验室内的低温恒温箱降至设定温度；测量试验试样的质量和尺寸后，将其放入恒温箱中恒温24 h以上；提前2 h以上开启试验机上的低温恒温试验箱，设置到设计试验温度；将恒温24 h以上的冰样移入试验机上的低温恒温试验箱；放置试样在试验机下压头中心（放置冰试样时，注意保持试验轴线与仪器中心在同一直线，以保证加载的均匀性）；再恒温一段时间，减少人工安装时的温度扰动；开启EDC数字控制器；开启计算机和采集程序；设置试验参数、开动电子万能试验机加载并采集数据，直至加载的试样破坏；保存数据并且对破坏的试样进行拍照；更换试样，准备进行下一试验。

4　试验结果分析

材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度，然而冰在加载过程中内部出现的破坏很难通过肉眼观察，也难以测得该点应力，因此将试验所测得的极限应力作为冰样单轴压缩强度。试验选择5种温度：-2℃、-5℃、-7℃、-10℃和-15℃，按试样加载方向垂直冰面（A类试样）和平行冰面（B类试样）分为二类，共进行了10组试验，完成340个试样的加载，其中295个试样的试验获得有效加载过程曲线。二类试样加载时的应变速率范围处于3×10-7s-1～2×10-2s-1之间。

将有效强度数据放入横坐标为应变速率，纵坐标为强度的双对数坐标系。根据文献［3］，冰强度随应变速率的关系需要将应变速率范围分为韧性区、过渡区和脆性区，并且用裂缝扩展的机理解释了冰的脆性破坏和韧性破坏。本文采用文献［3］观点，将应变速率范围进行分区。以-5°C下的A类试样为例（图2），在应变速率小于3×10-5s-1时，冰的破坏方式是韧性破坏，处于韧性区；在应变速率3×10-5s-1～6.5×10-5s-1时，冰的破坏方式既有脆性破坏也有韧性破坏，为韧脆转变过渡区；在应变速率大于6.5×10-5s-1时，冰的破坏方式是脆性破坏，为脆性区。Cole认为在应变速率10-2s-1～10-1s-1，冰的单轴压缩强度与应变无关［7］。采用这一观点，将应变速率10-2s-1～10-1s-1的区域称为稳定区。

4.1冰单轴压缩强度与应变速率和温度的关系将温度-2℃、-5℃、-7℃、-10℃、-15℃试验数据采用图2方式绘制，根据文献［3］和图2，采用韧性区、过渡区、脆性区和稳定区4个分段形式拟合，然后再进行整合。某一温度下单轴压缩强度与应变速率的关系统一为式（1）。

图2　A类试样在-5℃情况下的强度-应变速率试验关系

式中：σ为强度，MPa；ε为应变速率，s-1；k、b为与应变速率有关的系数。表1是对应图3不同破坏方式应变速率分区内的拟合系数。

从图3的试验数据点及曲线可以看出：尽管冰的单轴压缩强度试验数据存在一定的分散范围，有些试验强度与相邻温度的试验强度存在交叉，但无论是A类试样还是B类试样，在相同应变速率下，冰的强度都随着试验温度降低而逐渐提高。

表1　拟合系数k、b

图3　不同温度下单轴压缩强度随应变速率的变化曲线

如何表现冰单轴压缩强度受温度和应变速率的联合影响，文献［3］建立了宽应变速率范围内强度随温度变化的关系曲面，文献［23］也建立了宽应变速率范围内海冰强度随孔隙率变化的关系曲面。本文也采用该方法，统一用式（2）建立宽应变速率范围内纯热力生长柱状淡水冰单轴压缩强度随应变速率和温度变化的统计曲面，更加直观地表现出在试验温度范围（-2℃～-15℃）和应变速率范围（3.0×10-7s-1～7.0×10-1s-1）对柱状冰单轴压缩强度的影响，见图4。

式中：σ为强度，MPa；ε为应变速率，s-1；T为温度，℃；a、b、c为与应变速率和温度有关的系数，见表2。

文献［3］中仅用此公式拟合了韧性区和脆性区的曲面，本文将过渡区也用该关系式拟合后，同样获得满意结果。

在相同温度下，随着应变速率的提高，冰的强度发生3种破坏行为。首先强度随应变速率逐渐增加而增加，到达峰值，对应韧性破坏；之后随应变速率增加又逐渐减小，对应脆性破坏；最后趋于稳定，保持常数，对应刚性破坏。其中峰值单轴压缩强度发生在韧性破坏和脆性破坏之间，即出现在韧脆过渡区。在抗冰直立结构物设计中，峰值单轴压缩强度是支持设计强度的科学依据。试验得到出现峰值单轴压缩强度对应的应变速率随着冰温的升高而增加（见表3）。说明冰的脆性破坏特征随着冰温的升高，表现的愈加不明显。两者之间能够采用指数关系表达。

图4　单轴压缩强度在宽应变速率范围内随温度变化的统计关系曲面

表2　拟合系数a、b、c及相关系数r

表3　不同加载方向下发生峰值单轴压缩强度对应的应变速率

A类试样的拟合结果为：

B类试样的拟合结果为：

4.2冰峰值单轴压缩强度与温度和加载方向的关系图3中每条强度曲线中的峰值定义为对应冰温下冰峰值单轴压缩强度，选取这些峰值单轴压缩强度建立同冰温的关系，见图5。另外，通过计算得到相同温度下，A类试样和B类试样峰值单轴压缩强度的比值（表4）。

以往将峰值单轴压缩强度同温度的关系使用线性函数拟合，文献［23］指出线性函数拟合并不能满足当温度接近冰点时，冰的峰值强度趋于0的物理事实。因此，采用文献［3］的观点，用对数函数对二者关系进行拟合，即在相同加载方向下，峰值单轴压缩强度与温度的关系采用：

表4　不同加载方向下的峰值单轴压缩强度及比值

式中：σcp为峰值单轴压缩强度，MPa；T为温度，℃；E、F为拟合系数。

A类试样的拟合结果为：

B类试样的拟合结果为：

图5　峰值单轴压缩强度-温度关系曲线

图5显示了式（6）和式（7）的统计关系。它们表明乌梁素海纯热力学生长的柱状冰单轴压缩强度随着冰温降低而逐渐增加。根据文献［3］，式（6）和式（7）可应用到-30℃以上的冰温。这个温度能够覆盖中国北方大部分地区的淡水冰温度范围。图1的冰晶体结构明确反映乌梁素海的纯热力生长冰是柱状结构。这就决定它的力学性质为各向异性。垂直冰面方向加载时的强度要大于平行冰面方向加载时的强度，试验结果也证实了这一点。表3指出A类试样和B类试样的峰值单轴压缩强度之比大约是2.1倍。

4.3柱状冰的破坏形式每一试样在试验之后，均拍照，用于观测冰样的破坏形式。纵观全部试验后的试样，纯热力生长柱状冰的破坏形式可以分为3种。在韧性区，冰样破坏形式以鼓胀破坏为主，冰表面存在许多狭小的裂缝，没有明显的主裂缝。在脆性区，冰样破坏形式以劈裂破坏为主，有一条明显的主裂缝，且与加载方向一致，贯穿上下表面。在过渡区，冰样既存在鼓胀破坏，也存在劈裂破坏。除了以上两种形式破坏，在过渡区及脆性区，还存在少量剪切破坏，表现为试样的一个角沿一条斜线断裂。图6给出3种不同破坏形式的典型照片。