Способы и методы повышения несущей способности ледяного покрова (стр. 4 из 12)
Прочность льда на изгиб определяется несколькими способами: по разрушению балок, свободно лежащих на двух опорах, по разрушению консолей, либо по разрушению круговых плит.
Подробный перечень результатов по определению временного сопротивления на изгиб пресноводного льда, полученных в 1897г. и 1953г. дает К.Ф. Войтковский [24]. В.В. Лавров приводит свои данные по результатам пресноводного озерного, лабораторного и структурно-моделируемого льда. Временные сопротивления при изгибе балок морского льда в большом количестве определены И.Г. Петровым [39].
В работе М.И. Серикова [37] приведены значения временных сопротивлений при изгибе балок из морского льда и консолей, выполненных в ледяном покрове. Последние показали временное сопротивление на изгиб равное (5,6
6,6) кг/см при температуре воздуха до -5°С.В.В. Лавров обобщил сведения о прочности льда с 1965г. по 1968г. и определил, что среднее значение временного сопротивления морского льда при изгибе и температуре -7°С равно: зимний лед 5,7 кг/см, осенне-зимний 6,7 кг/см, осенний 8,3 кг/см; пак 13,0 кг/см.
1.2.6. Механические свойства
1.2.6.1. Вязкость
Вязкость льда характеризует сопротивление твердого тела развитию остаточной деформации под действием внешних сил. Количественно коэффициент вязкости (коэффициент внутреннего трения) η определяется касательной силой F, которая должна быть приложена к единице площади S сдвигаемого слоя, чтобы поддержать в этом слое ламинарное течение с постоянной скоростью относительного сдвига ε, равной единице:
(1.4),где σс - напряжение сдвига.
Статическими методами коэффициент вязкости льда определяется многими авторами при деформации кручения, сдвига, растяжения, сжатия и изгиба. Одним из распространенных способов является метод изгиба свободной балки, лежащей на двух опорах, при котором коэффициент η вычисляется по формуле:
(1.5),где b, l, h – ширина, длина, высота балки соответственно; v – установившаяся скорость пластической деформации.
При растяжении (сжатии) стержня сечением S:
(1.6)При чистом кручении стержня радиусом r:
(1.7),где Мкр - закручивающий момент;
- скорость изменения угла закручивания.Коэффициент динамической вязкости можно определить по декременту механических колебаний образца Δ на какой-то частоте f и известному модулю упругости Е, используя для этих целей известное соотношение:
(1.8)Экспериментальные значения коэффициента вязкости льда, полученные статическими методами, настолько разноречивы (от 109 до 10 Па*с), что трудно установить какую-либо закономерность его изменения. В. В. Лавров [34], указывая девять факторов, влияющих на изменчивость значений η (кристаллическое строение, температура, нагрузка, размер кристаллов и др.), приходит к такому же выводу, как и К. Ф. Войтковский [24], считая, что коэффициент вязкости льда - практически условная величина, характеризующая отношение напряжения к скорости ползучести в заданных условиях деформирования и в заданный момент времени, а вязкость льда не удовлетворяет закону Ньютона из-за отсутствия линейной зависимости между напряжением и скоростью деформации.
1.2.6.2. Время релаксации
Релаксация - необратимый (характеризующийся диссипативными потерями энергии) процесс возвращения в состояние термодинамического равновесия макроскопической замкнутой системы, выведенной из такого состояния. Различают быстрые и медленные процессы релаксации и соответствующие им времена. В первом случае релаксация существенно зависит от микроскопических характеристик системы и, в частности, от параметров, характеризующих взаимодействие между частицами (обычно это время и длина свободного пробега частиц tc и l). Время релаксации быстрых процессов
. К быстрым процессам относятся, например, диэлектрическая, упругая и спин-решеточная релаксации.Частота максимального уменьшения амплитуды колебаний для каждой температуры определяется как величина, обратная времени релаксации.
Дипольное взаимодействие между протонами различных молекул льда способствует релаксации спина [40]. При определении
спин-решеточной релаксации использовалась формула Онзагера: 
здесь b - внутримолекулярное расстояние между протонами (0,162 нм);
- частота Лармора; 
- протонное гиромагнитное отношение; 
; коэффициент 0,7 соответствует уменьшению 
из-за внутримолекулярных взаимодействий.Медленные процессы релаксации выравнивают, например, температуру, давление, средние скорости и другие характеристики всех частей системы. Время релаксации в этом случае пропорционально размерам системы L и велико по сравнению с tс а именно:
К медленным процессам релаксации относятся также вязкое течение, диффузия, теплопроводность, электропроводность и т. Д. Если отклонение от равновесия мало, то релаксация часто протекает до закону f=f0*e-t/τ, где f0 - равновесное значение некоторой исследуемой функции системы. Время релаксации напряжений во льду, согласно модели твердого тела Максвелла, определяется вязкостью и модулем сдвига:
| Время релаксации | Температура льда, °С | |||
| -1,5 | -16,8 | -20,9 | -27,5 | |
| Вычислено по τдиэл | 3,2 | 7,8 | 21 | 43 |
| Эксперимен- тальное | 0,5 0,8 | 1,2 1,9 | 3,4 5,1 | 7,2 10,2 |
Таблица 7. Время спин-решеточной релаксации во льду, в секундах, по данным работы Л.К. Раннелса [40].
Например, при η =1012
1013 Па*с и G = 1500 МПа τ =660 6660 с (от 11 мин. до 1,85 часа) [34].Следовательно, время релаксации льда по аналогии с коэффициентом вязкости не является физической константой. Диапазон изменения τ - от малых долей секунды до нескольких часов [24, 40].
Для случая одностороннего сжатия пресноводного льда (в предположении, что G =1500 МПа) получено следующее эмпирическое уравнение релаксации [24]:
где Т- температура без знака «минус», °С; t- время, ч.
1.2.6.3. Прочность
Прочность - это свойство материалов в определенных условиях и пределах, не разрушаясь, воспринимать различные механические нагрузки и неравномерные воздействия физических полей.
Прочность льда в значительной степени зависит от многообразия его структурных особенностей.
На прочность льда сильно влияют внешние условия - характер нагрузок, тепловой режим, агрессивность среды, поверхностные эффекты и т. д. Реальный лед содержит многочисленные повреждения - от субмикроскопических и микроскопических дефектов до крупных пор и магистральных трещин.
Основы физических теорий течения и разрушения твердых тел стали успешно развиваться лить в последние годы, поэтому сейчас не всегда возможно, даже качественно объяснить некоторые особенности процесса разрушения. Использование этих теорий для количественной оценки прочности такого сложного тела, как лед, пока малоперспективно. В последние годы значение проблемы прочности льда возросло, что и стимулировало интенсивные исследования в этом направлении.
Теоретический расчет прочности на разрыв σp (напряжении, при котором наступает разрыв) для реальных тел представляет большие трудности. Значение σp при одновременном разрыве всех межатомных связей на поверхности разрыва оценивается в 0,1E, где Е - модуль Юнга. Обычно экспериментальные значения прочности на несколько порядков меньше теоретических. Причина низкой прочности обычных тел - неравномерное распределение внутренних напряжений. При сложении одноименных внешних и внутренних напряжений возникают локальные перенапряжения и разрыв межатомных связей - так зарождаются разрывы оплошности тела. Рост и слияние разрывов образуют макроскопическую трещину, развитие которой приводит к разрушению тела.