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[分享]大颗粒柱状淡水冰无侧限剪切强度及其影响因素
大颗粒柱状淡水冰无侧限剪切强度及其影响因素
韩红卫1，黄文峰2，贾 青3，李志军1
(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.长安大学 环境科学与工程学院，西安 710054；3.黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150086)
作者
通讯作者：
韩红卫(1984-)，男，陕西咸阳人，博士生，主要从事冰物理和力学性质的试验研究。
摘要
针对大颗粒柱状冰无侧限剪切强度同加载方向、加载应变速率和冰样温度有关，在加载应变速率5.0×10^(-5)/s to 5.0×10^(-2)/s区间内、试验温度分别为-0.5 ℃、-2 ℃、-5 ℃和-10 ℃、进行两个加载方向分别为垂直加载(加载力平行于晶体生长方向)和水平加载(加载力垂直于晶体生长方向)的无侧限剪切试验。结果发现，在既定试验条件下，剪切强度随着温度和应变速率的减小有增大趋势；比较两个加载方向剪切强度可知，在-5 ℃和-10 ℃条件下力学性质的各向异性更为明显，而在-0.5 ℃和-2 ℃时两个加载方向剪切强度相差不大；另外在气泡含量小于8.65%情况下，冰内气泡含量对大颗粒柱状冰剪切强度影响不大。
关键词
剪切强度；温度；应变速率；各向异性；淡水冰
Study on the unconfined shear strength of large columnar-grained freshwater ice and its influential factors
Considering that the unconfined shear strength of large columnar-grained freshwater ice is associated with loading directions,loading strain rate and temperature,we conducted the unconfined shear test at the temperature of -0.5 ℃,-2 ℃,-5 ℃,-10 ℃ and strain rates of 5.0×10^(-5)/s to 5.0×10^(-2)/s.Two loading modes were used in our test:vertical loading (the loading force was parallel to the crystal growth direction)and horizontal loading (the loading force was perpendicular to the crystal growth direction).The experimental results showed that (a)the shear strength increased with the decrease of temperature and strain rate under the given experimental conditions;(b)comparison of shear strength under the two loading directions showed that the anisotropy of mechanical properties was more obvious at the temperature of -5 ℃ and -10 ℃,and the shear strength under the two loading directions had no visible distinction at the temperature of -0.5 ℃ and -2 ℃;and (c)there was no significant correlation between the shear strength and gas bubble content when the gas bubble content was less than 8.65%.
Key words
shear strength; temperature; strain rate; anisotropy; freshwater ice
基金项目
国家自然科学基金项目(51579028;41402203;41376186)
人类在高纬度和高海拔地区生活与生产活动中会遇到与冰有关的问题，促使我们对冰开展探索和研究。对冰的认识不但要从生消过程把握，还要对冰自身的物理力学性质重点突破，其中冰的力学性质研究意义广泛，一方面冰可以作为一种材料加以利用，如研究冰层厚度以及冰强度可以服务于冬季临时交通，如冰上汽车通行和冰上飞机起降[1]；另一方面，冰作为一种灾害要加以防范，如冰区河岸护坡结构设计[2]、南水北调输水工程[3-4]都要进行抗冰设计。结构物与冰相互抵抗作用时，只有当结构物的设计强度高于冰的作用力才不至于发生结构物破坏，我们希望发生的是冰的破碎破坏，而非结构物的破坏。所以在结构物的设计前详细了解冰的自身力学性质至关重要。
抗冰结构物与冰的作用是一个复杂的过程，冰荷载作用于结构物的过程非单一的加载模式，而是多层次非连续的力学加载过程[5]，在作用过程中冰的弯曲破坏、剪切破坏、压缩破坏都有可能发生。国内外对淡水冰的压缩和弯曲力学性质的研究较多[3-9]，淡水冰的剪切性质的研究相对较少，需要更多的工作认识淡水冰剪切性质。其中刘维波等[10]用扭转试验研究淡水冰的剪切强度及模量，对剪切强度随剪应变速率的关系进行了研究，从扭转试件断口斜率角略大于45°，说明在剪应力-应变呈线性关系情况下,冰的扭转呈现脆性破坏。贾青等[11]使用无侧限剪切方法对水库淡水冰的剪切强度进行了研究，结果表明淡水冰剪切强度与加载方向、加载速率和冰温度有关。相对淡水冰而言海冰的剪切性质研究较多[12-15]，李志军等[16]对渤海S2型海冰侧限剪切强度开展详细研究，讨论了加载速率、加载方向、侧限应力、试样温度、盐度和密度对剪切强度的效应，结果表明同试验温度时S2型海冰不同加载方向下峰值剪切强度差异不明显。
总结前人对淡水冰和海冰剪切性质研究经验，并结合试验所用大颗粒柱状冰特性，试验采用无侧限剪切方法，分析天然淡水冰剪切强度随温度、应力速率的变化规律；通过对淡水柱状冰不同加载方向下剪切试验研究，分析柱状冰剪切性质的各向异性；由于试验冰样气泡含量在深度范围内变化较大，用冰样分层试验法分析气泡对剪切强度的影响规律。
1
现场观测与试验方法
1.1
现场观测
本文以位于哈尔滨市郊的黑龙江省水利科学研究院野外试验站区(45°38′ N，126°22′ E)内的静止水体冻结形成的淡水冰为研究对象开展剪切强度研究。其中冬季现场观测包含冰厚和冰/水温，现场观测开始于2011年10月份，结束于2012年4月份。图1给出了日平均气温和冰厚历时曲线，根据观测结果可知，入冬后气温迅速降低，在冬季的12月至次年2月的3个月期间气温持续保持在0 ℃以下，进入3月份后气温开始回暖。在冰层形成的前两个月没有强烈大风发生，风速主要为小于5 m/s，风向以南风和偏东南风为主(图2)。2011年-2012冬季冰冻度日数为1 780 ℃·d，冰层形成于11月初，结冰初期冰层出现夜冻明消现象，2012年2月27号冰厚达到最大值102 cm。
1.2
冰内部结构
一般冰样从冰层分离后冰样内温度与气温温差较大，在温度应力的作用下短时间内冰样会产生大量裂缝。所以力学冰样的采集要注意低气温对冰样的影响，建议野外力学冰样采集时最好选择气温不是太低的某一日，或者在中午前后采集。本文试验所用力学试样采集于2011年12月19日，冰厚41 cm，采集后的冰样运回实验室低温存放。
剪切试验设计需要依据冰内部结构开展，所以首先需要对冰物理性质(此处主要包括冰晶体结构、气泡含量和密度)开展调查。随机选取一竖直且上下完整冰样做冰切片，从所选冰样分别锯下三根完整的10 cm×10 cm×冰厚的上下通长的完整冰样，剩余冰样保存以备用。切下的三根冰样分别用作冰晶体垂直切片观测、水平切片观测和密度分析。切片时把所切冰薄片一面研磨平整贴到温度稍高于0 ℃的玻璃片，玻璃片温度不能过高，冰片与玻璃片贴合紧密且中间无气泡时为贴片成功。贴片成功待冰切片与玻璃片冻结牢固后，用刨刀或玻璃片小心刮平至切片厚度至0.5 mm左右[17]。待所有冰切片制作完后即可在黑暗环境中将制作好的冰切片置于费式台下拍照。图3给出了冰内气泡宏观照片和冰晶体照片。分析垂直切片和水平切片的冰晶体，发现在整个深度范围内冰由柱状冰晶体组成，晶体粒径随着深度的增加而增大；水平切片显示在 0.5 cm深度处晶体平均粒径为8.3 cm，如此大粒径冰晶体与成冰气象条件有关。根据生长类型冰可以分为原生冰、次生冰和叠加冰。其中原生冰内部结构与结冰时的气象条件和水动力条件有关[18]。一般在风平浪静条件下冻结形的原生冰晶体结构主要为垂直C-轴取向的晶体[19]，而次生冰的生长又受到原生冰晶体结构控制。根据现场气象条件显示,在原生冰形成期(11月1号到11月6号期间)近乎无风(图2)，冻结初期的快速降温和无风条件是导致大颗粒柱状冰形成的主要原因。虽然此处观测到的淡水冰晶体尺寸相对其他学者研究中报道的要大很多[20-21]，但Iliescu[22]在研究天然淡水冰亦采集到粒径大于10 cm的柱状冰。
1.3
试验方法
根据晶体分析可知，在整个深度范围内冰晶体类型为单一的柱状冰，力学冰样的加工无需考虑冰晶类型(粒状冰和柱状冰)对试验结果的影响。由于试样在深度范围内气泡含量变化较大，为了探究冰内气泡是否对淡水冰剪切性质有影响，在此对冰样在深度范围内分四层加工试件，每层对应冰厚度区间分别为，第一层：0～16 cm,第二层：16～24 cm,第三层：24～32 cm，第四层：32～40 cm。其中第一层气泡含量最少，往下每层试样气泡含量逐渐增加。试样尺寸均为10 cm×7 cm×7 cm，剪切面面积为49 cm2。设计试验温度分别为-0.5 ℃、-2 ℃、-5 ℃和-10 ℃。
常用的万能压力试验机难以满足冰无侧限剪切试验，本试验采用大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室自行研制的电动液压式冰压力试验机(图4)，其额定推力为104.5 kN，试验台刚度足够大，试验时试验台自身变形远小于冰试样变形，能够达到冰力学试验要求。该压力试验机的机油泵与试验台彼此独立，当试验台直立时，可以开展单轴压缩试验和三点弯曲试验；当试验台平躺时可以进行无侧限剪切试验、低速摩擦试验和冻结附着试验。试验机具有很强的机动性和稳定性，实现了多功能的目的。
柱状冰晶体是垂直向下生长，晶体长轴方向沿竖直方向分布。柱状冰的晶体结构决定了其力学性质的各向异性[16]，采用不同的加载方式可以对其力学性质的各向异性有效的研究。试验采用两种加载方式：垂直加载(A型)和水平加载(B型)(详见图5)。垂直加载时加载力平行于晶体生长方向，剪切破坏面沿柱状冰晶粒长轴发生滑移；水平加载时加载力垂直于晶体生长方向，滑移面垂直于柱状冰晶粒长轴方向。
2
结果与分析
试验中只涉及到单一位置点的大颗粒柱状冰，且试样尺寸与晶体尺寸属于同一量级，在此不讨论晶体大小对剪切强度的影响；由于柱状冰力学性质具有各向异性，在此需要讨论加载方向对剪切强度的影响。除此之外还对温度、气泡含量和加载应变速率对大颗粒柱状冰剪切强度的影响机制和规律进行讨论与分析。
2.1
应变速率、加载方向和温度对剪切强度的影响
冰作为一种黏弹性材料，其力学性质对加载应变速率非常敏感，一般随着加载应变速率的变化存在韧脆转变特性[23-24]；冰同时作为一种温度敏感性材料，其力学强度一般随着冰温度的降低而增强[25]。图7给出了各试验温度下大颗粒状冰(第一层)剪切强度随应变速率的变化规律。由图可见，-0.5 ℃和-2 ℃试验温度下剪切强度小于400 kPa；在应变速率3.00×10^(-4)/s～2.00×10^(-3)/s区间内剪切强度达到极限值；当应变速率大于2.00×10^(-3)/s时，剪切强度随着加载应变速率增大而减小。当试验温度降低到-5 ℃以下时，极限剪切强度明显增大超过400 kPa，极限剪切强度对应的加载应变速率相对-0.5 ℃和-2 ℃试验温度而言则有向低应变速率偏移趋势。Pounder[25]给出淡水冰试样尺寸大于5 cm和试验温度为-5 ℃时极限剪切强度约为700 kPa，此处得到-5 ℃时极限剪切强度要小于此数值。
图8给出了剪切强度与温度和应变速率的拟合关系图，拟合所用数据包含两个加载方向，适用于大颗粒柱状冰温度为-0.5 ℃到-10 ℃，加载应变速率在5.00×10^(-5)/s～5.00×10^(-2)/s区间内。可知随着温度和应变速率的减小，剪切强度有增大趋势。但是剪切强度不会随着加载应变速率的减小而一直增大，当应变速率越过韧脆转变区间后，剪切强度会随着应变速率的增大而减小，理论上在特别小的应变速率下剪切试样可发生蠕变行为，此时剪切强度会明显低于韧脆转变区间对应剪切强度。
讨论剪切强度对加载方向的响应需要消除加载速率对剪切强度的影响，在此对各组试验剪切强度极大值区间内取平均值，具体为在应变速率10^(-4)/s～10^(-3)/s区间内剪切强度取平均值比较加载方向对剪切强度的影响。图9给出了第一层四个试验温度下不同加载方向剪切强度，可知-0.5 ℃和-2 ℃试验温度时两个加载方向(垂直加载和水平加载)剪切强度变化不大，-5 ℃和-10 ℃水平加载剪切强度大于垂直加载。其中-5 ℃水平加载剪切强度比垂直加载剪切强度大36.3%(垂直加载剪切强度为342 kPa，水平加载剪切强度为466 kPa)；-10 ℃水平加载剪切强度比垂直加载剪切强度大49.9%(垂直加载剪切强度为351 kPa，水平加载剪切强度为526 kPa)。冰温较高时(-0.5 ℃和-2 ℃)大颗粒柱状冰两种加载方式剪切强度各向异性不明显，原因是接近或处于融化期的淡水冰晶体结构破坏，柱状冰晶体疏松成为孤立条状竖直分布，且冰晶强度低，冰体有整体向松散固体材料过度，剪切强度各向异性逐渐消失。
2.2
气泡含量对剪切强度的影响
海冰剪切性质研究结果表明其剪切强度与冰内孔隙率有关[26]，海冰孔隙率是包含气泡含量和卤水体积两种参数。相对海冰而言，淡水冰内部缺陷只有气泡不包含卤水部分，所以此处只需讨论气泡作为内部缺陷对剪切强度的影响。从冰内气泡宏观照片可以直接观测到在0～10 cm深度范围内气泡含量最低，随着深度的增加，冰内气泡含量逐渐增多，同时伴随有气泡分层现象。根据冰切片分析冰内气泡含量，图10给出了冰密度与冰内气泡含量随深度的变化关系。分析结果可知冰内气泡含量随着深度增加逐渐增大，其中最大含量气泡含量为8.65%；由于冰密度受气泡含量的影响，密度趋势与气泡含量趋势相反，随着深度的增加，冰密度逐渐减小，在0～15 cm深度范围内密度最大，约为0.905 g/cm³，底层密度最小，约为0.876 g/cm³。
图11给出了试验温度为-2 ℃和-5 ℃时各层剪切强度(在应变速率10^(-4)/s～10^(-3)/s区间取平均值)变化规律。可知两种加载方式的剪切强度在冰层深度区间内变化不大，但冰内气泡含量随着深度增加逐渐增大，表明气泡缺陷对剪切强度影响甚微。在分析S2型海冰侧限剪切强度与孔隙率的关系时，发现峰值剪切强度随着孔隙率的增大而减小[16]。而大颗粒柱状冰剪切强度对气泡含量(淡水冰内部孔隙率最佳物理量)变化响应不显著。Cole[21]在研究冰微观结构及其对力学性能的影响中指出，多晶冰晶体边界是位错和裂纹开展的主要区域。如若气泡分布于晶体边界处将会进一步增大位错和裂纹开展的可能性，进而起到削弱力学强度的作用。本试验中试样剪切面面积为49 cm²，根据晶体分析可知试样中只包含1～2个晶体，而作为内部缺陷的气泡主要包裹在大颗粒柱状冰晶体内，剪切破坏时气泡对强度的影响相对较小，试验结果也证明了这点。但是当气泡含量足够大或者气泡体积足够大时，气泡同样会削弱大颗粒柱状冰剪切强度。
3
结论
通过对大颗粒柱状冰无侧限剪切试验得出以下结论：(1)大颗粒柱状冰温度在-0.5 ℃ ～ -10 ℃区间，加载应变速率在5.00×10^(-5)/s～5.00×10^(-2)/s区间内，剪切强度随着温度和应变速率的减小有增大趋势；(2)大颗粒柱状冰具有力学性质的各向异性，温度越低各向异性越明显，其中-5 ℃和-10 ℃时水平加载剪切强度大于垂直加载，但是在-0.5 ℃和-2 ℃时两个加载方向剪切强度相差不大；(3)比较-2 ℃和-5 ℃各层极限剪切强度知，在气泡含量小于8.65%情况下，冰内气泡对大颗粒柱状冰剪切强度影响不大。
来源：南水北调与水利科技
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