Menu

Упругие свойства ледяных образований

Упругие свойства пресного льда можно рассматривать как предел, к которому приближаются свойства любого льда при практически полном замерзании жидкой фазы. Обычно полйкрйсталЖчёскиё ледяные образования при достаточно малых размерах и хаотической ориентировке кристаллитов можно считать макроизотропными телами. Однако в некоторых случаях «структурированных» льдов анизотропия свойств монокристаллов льда может играть существенную роль.

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Ось г параллельна оси шестого порядка, т. е. главной оси кристалла. Нередко вместо тензорных применяют матричные обозначения и тогда приведенные соотношения запишутся так:

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

Монокристаллы льда. В природных условиях обычно образуются кристаллы льда гексагональной сингонии, упругие свойства которых могут быть описаны пятью независимыми модулями упругости. В этом случае отличными от нуля будут девять следующих модулей упругости:

По данным работ [10, П, 125], значения модулей упругости монокристаллов чистого льда при температуре —15° С находятся в следующих пределах: аи«13~15 ГН/м2; а3з~14ч--т-16 ГН/м2; а12~6-^8 ГН/м2; а,3^5-^7 ГН/м2; а44«3,(Н--3,4 ГН/м2.

При изменении температуры от 0 до —25° С наблюдается рост значений модулей упругости на 10—15%, причем наибольшее изменение примерно на 50% характерно для а,ц и а^.

Поликристаллический лед. Известно, что даже для одного и того же вещества не существует общей зависимости между модулями упругости монокристаллов и поликристаллических образований. Поэтому свойства поликристаллов и в особенности поликристаллических криогенных образований приходится определять экспериментально ввиду большого разнообразия их строения и состояния.  Модули упругости поликристаллического пресного льда неоднократно определялись многими авторами как на образцах, искусственно приготовленных при различных режимах замораживания в лаборатории, так и на естественных льдах. В последнем случае измерения производились путем регистрации скоростей распространения упругих волн сейсмическим и ультразвуковым импульсным методами. Результаты этих исследований неплохо согласуются и дают следующие средние значения модулей упругости поликристаллического пресного льда как изотропного материала: модуль упругости Е~(7-М0) ГН/м2; модуль сдвига С ж (2,54-4,0) ГН/м2; коэффициент Пуассона у~0,3^0,4.

Наиболее важные сведения об упругих свойствах пресного поликристаллического льда, а также результаты исследований приводятся в работах В. В. Богородского [10, 11], В. В. Лаврова [41], Э. Паундера [55] и др. Особый интерес представляет зависимость упругих свойств льда от его строения, температуры и напряженного состояния (давления). Сопоставляя данные разных авторов, можно заключить, что структурно-текстурные особенности ледяных образований из пресного льда могут вызвать изменение значений модулей упругости до 20—25%. Это свидетельствует о возможности оценки особенностей строения и анизотропии ледяного, образования по изучению его характеристик упругости.

Данные о температурной зависимости модулей упругости пресного льда свидетельствуют о заметном нелинейном возрастании их лишь в области температур от 0 до —5° С. При дальнейшем понижении температуры изменение модулей упругости замедляется, становится почти линейным и практически прекращается при температуре ниже —(15-^-20)°С. При глубоком охлаждении образцов льда до —100° С и ниже вновь возникают значительные изменения упругих свойств. Эти изменения обусловлены растрескиванием льда, зависящим от режима охлаждения. Так, по данным Ю. Д. Зыкова [30], скорость распространения 1>р продольных волн при быстром понижении температуры образца льда от —38° до —108° С уменьшается от 3920 до 2950 м/с. Последнее значение скорости остается почти неизменным при повышении температуры образца примерно до —(20ч-25)°С, затем резко возрастает при градиенте порядка 50 м/с-0С, достигая при температуре —3,5° С 3800 м/с. Это значение почти совпадает с первоначальным (ар~3860 м/с) при данной температуре. Такой гистерезис-ный ход зависимости скорости ар от температуры, по-видимому, связан с возникновением системы трещин, которые при повышении температуры образца постепенно смыкаются. Это подтверждается минераграфическими наблюдениями на шлифах льда.

Наконец, влияние давления на упругие свойства поликристаллического льда выражается в увеличении модулей упругости с повышением до определенного предела напряжений во льде. Так, при увеличении давления во льдах с упорядоченной структурой скорости распространения продольных волн вдоль и поперек направления оптических осей кристаллов изменяются по-разному [10] и при давлении в 50 МН/м2 становятся практически одинаковыми. Это, по-видимому, свидетельствует о рекристаллизации льда при высоких напряжениях и переходе к мелкокристаллической, хаотичной структуре, без анизотропии свойств. В этом отношении интересны эксперименты по изучению изменения скорости распространения упругих волн в образцах льда при испытании их на временное сопротивление одноосному сжатию и на ползучесть. Результаты работ, выполненных в Антарктиде С. С. Вяловым и Н. А. Чер-ниговым, а также лабораторные эксперименты Ю. Д. Зыкова показывают, что в этом случае до некоторых предельных значений нагрузки, зависящих от скорости нагружения наблюдается рост значений скорости продольных волн ур, а следовательно, и модуля упругости. Затем по достижении некоторого максимума начинается уменьшение значений ур, что вызвано разрушением (растрескиванием) образца. Результаты таких экспериментов позволяют охарактеризовать динамику изменения модулей упругости поликристаллического льда как в процессе перекристаллизации, так и при разрушении ледяного образования.

Морской и соленый лед. Характеристики упругости льда, образовавшегося из морской воды, изучены в значительно меньшем объеме. Большинство исследований основано на определении скорости распространения упругих волн сейсмическим методом в полях арктического льда. Из них следует отметить работы М. Ивинга и А. Крэри, Дж. Оливера и др., Е. М, Линь-кова, Дж. Брауна, В. В. Богородского, Д. Андерсона [10, 41, 55, 131]. Полученные в результате исследований значения модулей упругости льда морских водоемов колеблются в следующих пределах: 5^(1,4^-10) ГН/м2, 0^(1,2-^3) ГН/м2 и у«0,2—0,4. Большие различия полученных значений модулей упругости объяснялись разными авторами влиянием возраста ледяного покрова, температурой, наличием примесей и т. п. Так, по данным Е. М. Линькова [41], имеется сильная зависимость модулей Е и О морского льда от температуры. Подобные выводы были сделаны Т. Табата [143] при изучении образцов льда, образовавшегося из морской воды.

Однако в работах Б. А. Савельева [68] было показано, что различия в значениях модулей упругости следует рассматривать в зависимости от содержания жидкой фазы (рассола) в морском льде. При этом можно учесть комплексное влияние солености и температуры льда, что было подтверждено последующими экспериментами [55, 85, 95, 146, 147].

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

 

 

[Электрические и упругие свойства криогенных пород]

 

Рис. 50. Зависимость модулей упругости Е, О и у от температуры.

Морские льды: паковый —10 [10]; однолетний — // [И], ледяное покрытие — 12 [74]

Большинство данных об упругих свойствах получены для покровного льда морских водоемов, образовавшегося многие месяцы, а иногда годы тому назад. Это в значительной мере сужает диапазон содержания жидкой фазы во льдах, в связи с чем полученные данные об упругих свойствах морского льда не охватывают всего многообразия его состояний. Характеристики упругости морского льда, находящегося в стадии формирования или только что образовавшегося, неизвестны. В определенной степени этот пробел восполняется результатами исследований ледяных образований различного состава, намерзавших на твердых телах [13, 74, 97]. Исследования выполнялись в диапазоне температур —(1-Ь-25)°С, при содержании жидкой фазы от 0 до 20%. При этом, если модули упругости в случае пресного поликристаллического льда изменялись примерно на 20—30%, то в случае льда, полученного из раствора №С1 и из морской воды, — на сотни процентов. Последнее связано с; наличием в пространственной структуре этих льдов ячеек незамерзшего рассола, вымерзание которого происходит при понижении температуры в соответствии с фазовыми диаграммами в зависимости от солевого состава исходного раствора. Так, например, фазовая диаграмма льда, образующегося из ЫаС1, представляет собой плавную кривую [146], в то время как диаграмма морской воды имеет перегибы, соответствующие эвтектическим температурам содержащихся в ней солей [121]. Как показали эксперименты, температурная зависимость характеристик упругости соленого и морского льдов соответствует характеру их фазовых диаграмм.

На рис. 50 приведены результаты наших экспериментов в сопоставлении с данными других авторов, подтверждающие отмеченные закономерности температурной зависимости модулей упругости льдов различного состава. Более подробные сведения о значениях модулей упругости этих льдов представлены в табл. 5—7.

Оставьте свой комментарий

Оставить комментарий от имени гостя

0
  • Комментарии не найдены

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:3068 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:6096 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:3199 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Моделирование сейсмического процесса

Характер сейсмического режима определяется масштабом и динамикой системы связанных механических зацеплений - цепочек (их совокупностей). Основным элементом в цепочке является механическое зацепление, представляющее конгломерат мелких блоков и отдельнос- тей. В...

15-11-2010 Просмотров:4362 Сейсмический процесс

Параметры разведочных скважин на шельфе …

Бурение скважин разведочных на твердые полезные ископаемые, разведочных на строительные материалы, инженерно- геологических и структурно-картировочных должно обеспечить получение, соответственно: полной и исчерпывающей информации, необходимой для всесторонней оценки месторождения полезного ископаемого; гранулометрического и...

12-01-2011 Просмотров:8893 Морские буровые моноопорные основания

Уравнения равновесия моноопоры

Характерной особенностью расчета сжато-изогнутых стержней, и моноопоры в частности, является то, что пренебрегать перемещениями их оси под действием нагрузок при составлении уравнений равновесия упругой линии в отличие от большинства задач...

12-01-2011 Просмотров:4458 Морские буровые моноопорные основания