部國明 鄧宇 李書霞

摘要：為研究黃河河道內(nèi)天然河冰材料的力學(xué)性能，采用巴西圓盤劈拉試驗(yàn)方法，對(duì)黃河天然冰的劈拉強(qiáng)度和斷裂韌度進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中，冰樣的控制溫度分別為-3、-5、-7、-10、-15℃，冰樣直徑分別為60、70、80、100mm。試驗(yàn)結(jié)果表明：溫度在-15～-3℃范圍內(nèi)，黃河冰的劈拉強(qiáng)度隨著溫度的降低逐漸增大，斷裂韌度隨著溫度的降低先減小，而后逐漸增大。此外，當(dāng)冰樣直徑在60～100mm范圍內(nèi)時(shí)，黃河冰的劈拉強(qiáng)度具有一定的尺寸效應(yīng)，隨著試樣尺寸的增大，黃河冰的劈拉強(qiáng)度逐漸減小，而斷裂韌度沒有明顯的變化。

關(guān)鍵詞：河冰；劈拉強(qiáng)度；斷裂韌度；溫度；尺寸效應(yīng)；黃河

中圖分類號(hào)：P332.8；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.006

黃河寧蒙河段受特定的地理位置、氣候和河道邊界條件的影響，幾乎每年都會(huì)出現(xiàn)不同程度的冰凌災(zāi)害，嚴(yán)重影響和危害了沿岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。由于河流冰塞冰壩災(zāi)害范圍大、預(yù)見期短，因此凌情信息獲取難，堤防防控難度高，給凌災(zāi)防御造成極大的被動(dòng)。目前，黃河冰凌災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報(bào)及河冰演變規(guī)律的研究已有不少成果[3-4]，但受現(xiàn)場條件和試驗(yàn)設(shè)備條件的限制，對(duì)黃河冰材料本身的物理力學(xué)性能了解甚少。而獲取真實(shí)的黃河冰材料參數(shù)是從力學(xué)角度預(yù)測或分析冰凌災(zāi)害的前提。

目前，國內(nèi)外在冰力學(xué)性能方面已經(jīng)開展了一些試驗(yàn)研究。KERMANI等[5]對(duì)不同溫度及不同應(yīng)變率情況下大氣冰的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究。KIM等[6]對(duì)冰材料的相關(guān)試驗(yàn)成果進(jìn)行了數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了代表參數(shù)分布規(guī)律的概率密度分布函數(shù)及破壞應(yīng)力的概率分布。汪恩良等[7]分析冰蓋形成的熱力學(xué)模型，推導(dǎo)出室內(nèi)模型試驗(yàn)的相似比尺。李志軍等[8-9]研究了加載速率及相關(guān)因素對(duì)人工淡水冰及天然冰單軸壓縮強(qiáng)度的影響。

本研究將黃河封凍期內(nèi)蒙古頭道拐河段的天然冰材料作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)黃河冰的劈裂性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過試驗(yàn)，確定黃河典型河段天然冰材料的劈拉強(qiáng)度和斷裂韌度，并對(duì)不同溫度和不同尺寸下黃河冰不同參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)冰樣均為黃河封凍期的天然冰?，F(xiàn)場探明冰層連續(xù)，無暗溝，冰層表面平整，冰蓋泥沙含量較小，冰厚53.5cm，水深約7m[10]。現(xiàn)場測得背陰處氣溫為-3.9℃，水溫為0℃。冰表面溫度接近氣溫，并隨氣溫的變化而變化。在冰層內(nèi)部，自上而下其溫度逐漸升高，至冰蓋底部，冰溫與水溫大致相同?，F(xiàn)場采集從冰表面到底面的完整冰坯后裝人保溫箱，快速運(yùn)回低溫實(shí)驗(yàn)室保存。

通過現(xiàn)場河冰晶體試驗(yàn)可知，獲取的河冰試樣由上至下可大致分為表層的顆粒冰、表層之下的柱狀冰、冰花冰、冰花冰之下的柱狀冰。本次劈裂性能試驗(yàn)所取冰樣均為表層之下的柱狀冰，冰樣密度為0.959/cm，左右，泥沙含量在1.2%～2.0%之間，氣泡含量小于1%。

在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，通過對(duì)各種試驗(yàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)的分析[11]，最終選用巴西圓盤劈裂方法作為測試黃河冰劈拉強(qiáng)度、斷裂韌度的試驗(yàn)方法。試驗(yàn)設(shè)備采用CSS-44100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)（見圖1）。為了營造低溫試驗(yàn)環(huán)境，在試驗(yàn)機(jī)的橫梁和底座臺(tái)板之間安裝低溫恒溫試驗(yàn)箱。試驗(yàn)現(xiàn)場加載情況見圖2。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，平臺(tái)加載角度保持在20°～30°之間[12-15]。試驗(yàn)時(shí)的冰樣直徑分別為60、70、80、100mm，厚度為直徑的一半。試驗(yàn)時(shí)冰樣的溫度分別為-3、-5、-7、-10、-15℃，試驗(yàn)設(shè)置壓頭位移速度為10-6～10-2s-1之間，試樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果的有效性

參考巴西圓盤試驗(yàn)確定脆性材料劈拉強(qiáng)度和斷裂韌度的方法[16-17]，中心起裂并沿后沿加載直徑擴(kuò)展的裂紋為主裂紋，在其他部位起裂和擴(kuò)展的裂紋為次生裂紋或者二次裂紋。如果試樣的初始破壞主要由主裂紋造成，則認(rèn)為試驗(yàn)是有效的；反之，則試驗(yàn)是無效的。

通過對(duì)試驗(yàn)所得的載荷一位移曲線進(jìn)行分析，共得出3種典型的曲線型式，分別定義為Ⅰ線型、Ⅱ線型、Ⅲ線型，其曲線形狀及相應(yīng)的破壞形態(tài)見圖3。

根據(jù)文獻(xiàn)[17]的論述，Ⅰ線型呈現(xiàn)的是劈裂試樣直接發(fā)生破碎，承載力達(dá)到峰值后直接變?yōu)榱?，沒有出現(xiàn)再次上升的情況，該曲線只能用于計(jì)算黃河天然冰試樣的劈拉強(qiáng)度σ，而不能計(jì)算斷裂韌度KIC；Ⅱ線型是完美的試驗(yàn)曲線，可以用于計(jì)算黃河冰試樣的劈拉強(qiáng)度和斷裂韌度；Ⅲ線型是在應(yīng)變速率小于10-5s-1時(shí)得出的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)冰而言，在這種應(yīng)變速率范圍內(nèi)，冰的性質(zhì)發(fā)生了變化，屬于韌性材料，已經(jīng)不符合巴西圓盤試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)材料脆性性質(zhì)的假定，故不用此類記錄曲線。

試驗(yàn)盡量保證圓盤中心點(diǎn)比非中心點(diǎn)有更大的應(yīng)力值，以滿足圓盤中心起裂的條件。劈拉強(qiáng)度σt的計(jì)算公式[16]為式中：Pc為臨界荷載；D為直徑；t為厚度；k為與平臺(tái)尺度有關(guān)的系數(shù)，其近似公式為式中：α為平臺(tái)加載角的一半。

根據(jù)式（1）和式（2），即可計(jì)算黃河冰劈拉強(qiáng)度。

斷裂韌度是冰材料的重要參數(shù)，為了取得黃河凌汛期冰材料的斷裂韌度，以試驗(yàn)過程中有效的荷載一位移曲線為依據(jù)，采用式（3）[16-17]計(jì)算：式中：Pmin為局部的最小荷載；R為圓盤半徑；t為厚度；Φmax為無量綱應(yīng)力強(qiáng)度因子最大值，通過平臺(tái)加載角的范圍值線性插值獲得[14-16]，即Φmax=-0.042α+1.22。

2.2 溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

通過試驗(yàn)和計(jì)算，得出了黃河冰的劈拉強(qiáng)度和斷裂韌度。兩個(gè)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖4。由圖4可知，隨著冰樣溫度的不斷降低，黃河冰體的劈拉強(qiáng)度整體上有增加的趨勢，符合河冰材料的特征。此外，隨著溫度由-3℃降低到-15℃，斷裂韌度KIC先減小，之后逐步增大，說明在此溫度范圍內(nèi)，冰材料的斷裂韌度KIC存在一個(gè)相對(duì)的極小值。關(guān)于溫度對(duì)河冰斷裂韌度的進(jìn)一步闡釋可參見文獻(xiàn)[18]。

2.3 材料尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響分析

黃河冰劈拉強(qiáng)度和斷裂韌度的試驗(yàn)結(jié)果（河冰溫度為-5℃）與冰樣尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖5。由圖5可知，在河冰溫度一定的情況下，隨著冰樣尺寸的增大，黃河冰的劈拉強(qiáng)度有逐漸減小的趨勢，斷裂韌度則沒有明顯的變化，這說明黃河冰材料的劈拉強(qiáng)度在本試驗(yàn)的尺寸范圍內(nèi)具有一定的尺寸效應(yīng)，而斷裂韌度沒有顯著的尺寸效應(yīng)。對(duì)于超出本試驗(yàn)范圍的冰樣尺寸，其與斷裂韌度之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。3結(jié)論

以黃河內(nèi)蒙古典型河段封凍期的天然冰材料為研究對(duì)象，對(duì)黃河冰樣進(jìn)行了劈裂性能試驗(yàn)研究，其研究成果對(duì)促進(jìn)黃河河道開河機(jī)理的研究及黃河冰凌防災(zāi)減災(zāi)工作均提供了基礎(chǔ)支撐。主要結(jié)論如下。

（1）采用巴西圓盤劈裂試驗(yàn)方法，通過河冰材料荷載一位移曲線的有效值推算出了河冰的劈拉強(qiáng)度與斷裂韌度。

（2）在-3～-15℃的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，河冰材料的劈拉強(qiáng)度逐漸增大。在溫度為一5℃的情況下，當(dāng)冰樣的直徑在60～100mm之間變化時(shí)，冰樣的劈拉強(qiáng)度隨著尺寸的增大而減小，存在一定的尺寸效應(yīng)。

（3）在-3～-15℃的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的降低，冰樣的斷裂韌度先逐步減小，而后逐步增大。在-5℃下，當(dāng)冰樣的直徑在60～100mm之間逐漸增大時(shí)，冰樣的斷裂韌度變化不大，沒有明顯的尺寸效應(yīng)。

黃河內(nèi)蒙古河段凌汛期河冰的變化非常復(fù)雜，加之試驗(yàn)冰樣的選取地和數(shù)量上的限制，需要在后續(xù)的研究工作中，對(duì)不同河段的不同冰樣進(jìn)行試驗(yàn)分析，以期更全面地掌握黃河凌汛期河冰的基本力學(xué)特性。

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