隋俊鵬，李寶輝，趙倩，王兆宇，何帥康，付鵬博，何文全

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.遼寧省海洋預(yù)警監(jiān)測(cè)中心，遼寧沈陽(yáng) 110001；3.大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024；4.營(yíng)口市海洋預(yù)警監(jiān)測(cè)中心，遼寧營(yíng)口 115007）

1 引言

每年冬季我國(guó)渤海均受到不同程度的海冰影響，海冰成為渤海海上運(yùn)輸、水產(chǎn)養(yǎng)殖及油氣開采等活動(dòng)的主要威脅[1]。海冰受風(fēng)、浪和流等環(huán)境因素的影響可發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)[2]，并與海冰覆蓋區(qū)域內(nèi)的海洋平臺(tái)和風(fēng)機(jī)等固定式結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的損傷，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3]。擠壓破壞是海冰與直立結(jié)構(gòu)作用最常見的破壞模式，其破壞過程與海冰的壓縮強(qiáng)度密切相關(guān)，因此研究海冰單軸壓縮強(qiáng)度對(duì)冰區(qū)結(jié)構(gòu)的確定有重要意義[4]。

海冰的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且包含固態(tài)冰晶、鹽水與空氣組分，因此其力學(xué)性質(zhì)受多種因素影響。通?？刹捎迷囼?yàn)方法對(duì)海冰單軸壓縮強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究表明，加載速率通常被認(rèn)為是影響海冰單軸壓縮強(qiáng)度的主要因素之一[5-7]。Schulson[8]提出了應(yīng)變率影響下的韌脆轉(zhuǎn)化，并發(fā)現(xiàn)壓縮強(qiáng)度的最大值會(huì)出現(xiàn)在韌性和脆性之間的過渡區(qū)[8]。陳曉東等[9-11]研究了不同加載速率下渤海海冰的單軸壓縮強(qiáng)度，結(jié)合海冰的破壞模式解釋了韌脆轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的機(jī)理。馬玉賢等[12]在莊河海域進(jìn)行了不同海冰溫度下的單軸壓縮試驗(yàn)，分析了不同溫度梯度下的應(yīng)變速率-壓縮強(qiáng)度關(guān)系。宋洪芳等[13]研究了加載方向?qū)１嘈云茐臅r(shí)單軸壓縮強(qiáng)度的影響，并分析了不同加載方向海冰的主要破壞方式。海冰溫度也被認(rèn)為是影響單軸壓縮強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[14-15]。李志軍等[16]研究了海冰孔隙率對(duì)單軸壓縮強(qiáng)度的影響，得到了寬應(yīng)變速率范圍內(nèi)的單軸壓縮強(qiáng)度統(tǒng)一表述。王安良等[17]綜合考慮了渤海12個(gè)測(cè)點(diǎn)海冰的鹵水體積和應(yīng)力率，研究了兩者共同影響下的單軸壓縮強(qiáng)度分布。Timco等[18]根據(jù)283次單軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果，建立了以冪函數(shù)表達(dá)的壓縮強(qiáng)度與應(yīng)變率和海冰孔隙率的數(shù)學(xué)模型。Moslet[19]對(duì)Svalbard群島附近海冰開展了連續(xù)2 a的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明每年的氣候因素對(duì)海冰生長(zhǎng)過程的影響十分明顯。因此，海冰單軸壓縮強(qiáng)度的試驗(yàn)應(yīng)采用多年連續(xù)測(cè)試，從而降低氣候變化對(duì)海冰力學(xué)性質(zhì)所產(chǎn)生的影響。

本文在2018—2021年的3個(gè)冬季，對(duì)渤海遼東灣鲅魚圈海域沿岸的海冰單軸壓縮強(qiáng)度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)采集及室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)分別測(cè)試了不同溫度與加載速率下海冰的單軸壓縮強(qiáng)度變化，同時(shí)，對(duì)每個(gè)試驗(yàn)試樣的鹽度和密度進(jìn)行了測(cè)量，通過試驗(yàn)結(jié)果研究了應(yīng)變率及海冰鹵水體積對(duì)海冰單軸壓縮強(qiáng)度的影響。此外，綜合考慮應(yīng)變率和鹵水體積，建立了單軸壓縮強(qiáng)度的變化曲面。

2 渤海沿岸海冰的單軸壓縮試驗(yàn)

海冰與直立結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)，主要受到水平方向的力導(dǎo)致其發(fā)生破壞。為此，本試驗(yàn)主要研究水平方向，即垂直于冰晶生長(zhǎng)方向加載情況下的海冰單軸名義壓縮特性。

2.1 海冰試樣及采集

分別在2018年、2019年和2021年的1月中下旬開展了海冰物理力學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，海冰試樣的采集與試驗(yàn)均完成于渤海東北部鲅魚圈海域的極地海洋工程野外試驗(yàn)場(chǎng)。2021年海冰采樣期間渤海遼東灣海冰的衛(wèi)星云圖見圖1a所示，試驗(yàn)地點(diǎn)的位置已在圖中標(biāo)出。圖1b是無(wú)人機(jī)拍攝的具體的采樣地點(diǎn)信息，圖中岸冰（Landfast Ice）和平整冰（Level Ice）之間的分界線清晰可見，海冰試樣采集于近岸的平整冰區(qū)域，采樣點(diǎn)處的海冰為典型的柱狀結(jié)構(gòu)海冰，厚度約為25 cm。

圖1 海冰采樣地點(diǎn)的信息

用油鋸在冰面上進(jìn)行切割，將切割出的方形海冰迅速運(yùn)輸至試驗(yàn)區(qū)域。方形海冰使用臺(tái)鋸進(jìn)行加工處理，首先切除上下表面鹽度較高的部分，剩余海冰沿垂直于柱狀結(jié)構(gòu)冰晶的軸向切割成107 mm×50 mm×50 mm大小的試樣。加工后的試樣放入冰柜中進(jìn)行儲(chǔ)存，同時(shí)通過控制冰柜儲(chǔ)存溫度可達(dá)到改變海冰溫度的效果。

2.2 單軸名義壓縮試驗(yàn)方法

海冰名義單軸壓縮試驗(yàn)裝置及示意圖如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用自主研發(fā)的便攜式低溫試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)由控制臺(tái)和加載機(jī)組成。加載機(jī)通過控制橫梁的移動(dòng)進(jìn)行加載，加載時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的采樣頻率均設(shè)置為200 Hz。試驗(yàn)前通過游標(biāo)卡尺測(cè)量海冰試樣的長(zhǎng)、寬和高，通過電子秤測(cè)量其質(zhì)量，試驗(yàn)后通過鉆孔方式測(cè)量試樣內(nèi)部的實(shí)際溫度。此外，取一小塊試樣置于密閉容器中，待其融化后用鹽度計(jì)測(cè)量鹽度。海冰的單軸名義壓縮強(qiáng)度由試樣破壞時(shí)的最大加載力和試樣的橫截面積確定，即：

圖2 單軸壓縮試驗(yàn)裝置

式中，σc為海冰試樣的單軸名義壓縮強(qiáng)度；Fmax為試驗(yàn)設(shè)備施加的加載力最大值；Ai為海冰試樣的橫截面積。

3 海冰單軸名義壓縮試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 海冰單軸名義壓縮典型的應(yīng)變-應(yīng)力曲線

試驗(yàn)中，選取海冰試樣的應(yīng)變和應(yīng)力用以描述海冰的受力破壞過程。不同的加載速率和海冰溫度下，海冰的破壞過程和破壞模式均存在差異，典型的應(yīng)變-應(yīng)力曲線繪制于圖3。作用過程中應(yīng)力峰值點(diǎn)視為發(fā)生海冰試樣的破壞，應(yīng)力的最大值定義為海冰的單軸名義壓縮強(qiáng)度。本文將典型的應(yīng)變-應(yīng)力曲線分為3類：Ⅰ類曲線出現(xiàn)在加載速率較低或海冰溫度較高時(shí)，此時(shí)試樣所受應(yīng)力緩慢增加，達(dá)到名義壓縮強(qiáng)度后應(yīng)力緩慢下降，加載周期較長(zhǎng)；對(duì)應(yīng)的海冰破壞模式為明顯的韌性破壞，加載中試樣內(nèi)出現(xiàn)多條裂紋，但未出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，加載后的試樣整體較為“松軟”，內(nèi)部孔隙較大。Ⅱ類曲線應(yīng)力峰值較大，達(dá)到峰值點(diǎn)后應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)快速的卸載過程；試樣的破壞表現(xiàn)出脆性破壞的形式。海冰破壞由貫穿海冰試樣的斜向裂紋主導(dǎo)，裂紋貫穿后試樣發(fā)生破碎。Ⅲ類曲線出現(xiàn)在加載速率較高或海冰溫度較低時(shí)，曲線中出現(xiàn)多個(gè)峰值，每一次到達(dá)峰值點(diǎn)后均伴隨應(yīng)力的迅速卸載過程；加載過程中試樣內(nèi)部出現(xiàn)多條軸向裂紋，單條裂紋帶來海冰試樣的部分破壞，隨著裂紋的增加及破壞程度的積累，海冰試樣發(fā)生強(qiáng)烈的碎裂破壞，海冰表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性。

圖3 單軸名義壓縮試驗(yàn)中典型的應(yīng)變-應(yīng)力曲線

為研究氣候因素對(duì)海冰物理力學(xué)性質(zhì)的影響，對(duì)不同年份同一加載速率的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)了海冰名義單軸壓縮強(qiáng)度和海冰鹽度隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)（見圖4）。圖中可見，不同年份的平均名義單軸壓縮強(qiáng)度均在4 MPa左右，不受氣候因素的影響。不同年份的海冰鹽度變化幅度較大，這個(gè)變化與試驗(yàn)的加載速率無(wú)關(guān)，而是由自然因素產(chǎn)生，其導(dǎo)致了海冰自身物理性質(zhì)（如鹵水體積）的變化。

圖4 海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度和海冰鹽度隨時(shí)間的變化規(guī)律

3.2 鹵水體積對(duì)海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度的影響

為研究海冰物理性質(zhì)對(duì)單軸壓縮試驗(yàn)的影響，最早使用海冰溫度來構(gòu)建海冰物理性質(zhì)與壓縮強(qiáng)度的關(guān)系。隨著對(duì)海冰熱力學(xué)研究的加深，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)僅用溫度不能夠準(zhǔn)確地表達(dá)出海冰物理性質(zhì)的差異，因此提出用鹵水體積或孔隙率作為評(píng)價(jià)海冰物理性質(zhì)的指標(biāo)。本文海冰采樣地點(diǎn)較為固定，海冰空氣體積差距較小，因此選用海冰試樣的鹵水體積作為影響因子研究其對(duì)海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度的影響。

鹵水體積υb曾被擬合為鹽度和溫度的函數(shù)，即[20]：

式中，Si為海冰鹽度（單位：ppt）；Ti為海冰溫度（單位：℃），-0.5℃≥Ti≥-22.9℃。

Cox等[21]在擬合鹵水體積表達(dá)式時(shí)考慮到海冰密度的影響，將鹵水體積υb的計(jì)算公式表示為：

式中，Si為海冰鹽度（單位：ppt）；Ti為海冰溫度（單位：℃）；ρi為海冰密度（單位：kg/m3）；F1(Ti)為溫度的函數(shù)。

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，海冰的單軸壓縮強(qiáng)度隨著鹵水體積的增加而降低，但兩者的具體關(guān)系并未有統(tǒng)一的表達(dá)式。本試驗(yàn)中控制同一加載速率0.2 mm/s進(jìn)行鹵水體積對(duì)單軸名義壓縮強(qiáng)度的影響分析，試驗(yàn)中鹵水體積平方根和單軸名義壓縮強(qiáng)度的關(guān)系見圖5。當(dāng)鹵水體積較低，冰晶比例較高，導(dǎo)致海冰的名義壓縮強(qiáng)度較高，海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度隨著鹵水體積的增加整體呈下降趨勢(shì)。分別采用指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，可見冪函數(shù)在鹵水體積較高時(shí)擬合值偏大，因此本文采用指數(shù)函數(shù)來描述鹵水體積平方根和海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系，得到：

圖5 海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度與鹵水體積之間的關(guān)系

該式的相關(guān)系數(shù)R2=0.240 6，可見即使在同一加載速率下，海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度隨鹵水體積變化的離散性仍然很大，僅用鹵水體積單影響因子分析并不能得到很好的擬合效果。

3.3 應(yīng)變率對(duì)海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度的影響

結(jié)構(gòu)與海冰相互作用時(shí)，兩者之間的相對(duì)速度是影響海冰破壞模式和冰載荷的重要因素，因此在海冰的單軸壓縮試驗(yàn)中，通過研究應(yīng)變率對(duì)海冰單軸壓縮強(qiáng)度的影響來表征相對(duì)速度的影響。Timco等[18]總結(jié)認(rèn)為隨著應(yīng)變率的提高，壓縮強(qiáng)度隨之增加。Schulson[8]的研究表明單軸壓縮強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在海冰韌性破壞和脆性破壞間的過渡區(qū)，而在脆性區(qū)，壓縮強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的提高而降低。試驗(yàn)中，將海冰試樣的應(yīng)變率定義為：

式中，v為加載速率（單位：mm/s）；Li為試樣的長(zhǎng)度（單位：mm）。

在研究應(yīng)變率對(duì)海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度的影響時(shí)，由于海冰試樣鹽度和密度的不可控性，無(wú)法嚴(yán)格控制鹵水體積的一致性。本文在進(jìn)行比較時(shí)，分別選取了鹵水體積為20‰和30‰左右的試樣，研究應(yīng)變率影響下的單軸名義壓縮強(qiáng)度變化規(guī)律。

圖6a和圖6b分別是鹵水體積為20‰和30‰左右的海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化規(guī)律圖。從均值和極值角度看，鹵水體積20‰和30‰左右的海冰試樣的單軸名義壓縮強(qiáng)度差距不大，海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度均值在1.5～4.8 MPa之間，極值在1.8～6 MPa之間。從圖6a可以明顯發(fā)現(xiàn)韌性區(qū)的海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度離散度較低，強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而增大；脆性區(qū)的海冰名義壓縮強(qiáng)度離散值較高，強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而減??；單軸名義壓縮強(qiáng)度離散度最高且強(qiáng)度數(shù)值最大的區(qū)域出現(xiàn)在韌性區(qū)和脆性區(qū)之間的過渡區(qū)，符合Schulson[8]提出的應(yīng)變率影響下的海冰韌脆轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。而當(dāng)鹵水體積提高后（見圖6b），韌性區(qū)的海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度離散性有一定提高，變化規(guī)律仍為單軸名義壓縮強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而減??；脆性區(qū)由于數(shù)據(jù)較少無(wú)法看出規(guī)律；單軸名義壓縮強(qiáng)度的最大值和離散度最高區(qū)域仍出現(xiàn)在過渡區(qū)，但與鹵水體積為20‰相比，最大值需要在更高的應(yīng)變率下達(dá)到。鹵水體積增加后，韌脆轉(zhuǎn)化的過渡區(qū)范圍有所增加，脆性區(qū)出現(xiàn)一定程度的后延，需要在更高的應(yīng)變率下才開始出現(xiàn)。由此可見，應(yīng)變率和名義壓縮強(qiáng)度的相關(guān)性較強(qiáng)，應(yīng)變率變化下的海冰存在韌脆轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，同時(shí)，鹵水體積也會(huì)影響到應(yīng)變率與單軸名義壓縮強(qiáng)度之間的關(guān)系。

圖6 海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度與應(yīng)變率之間的關(guān)系

以鹵水體積為20‰左右的海冰試樣為例，擬合應(yīng)變率與海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度之間的變化規(guī)律?？紤]到應(yīng)變率影響下的海冰韌脆轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，采用分段函數(shù)分別擬合韌性區(qū)-過渡區(qū)名義壓縮強(qiáng)度隨應(yīng)變率增大而增大的階段和過渡區(qū)-脆性區(qū)名義壓縮強(qiáng)度隨應(yīng)變率增大而減小的階段。擬合結(jié)果顯示利用冪函數(shù)進(jìn)行曲線擬合的效果最佳（見圖7）。兩階段的海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度表達(dá)式分別為：

圖7 應(yīng)變率與海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度的擬合結(jié)果

兩式的相關(guān)系數(shù)（R2）分別為0.676 4和0.199 1，可見過渡區(qū)和脆性區(qū)單軸名義壓縮強(qiáng)度較高的離散度給擬合帶來了困難。

3.4 鹵水體積和應(yīng)變率對(duì)海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度的綜合影響

綜合以上分析，鹵水體積和應(yīng)變率均能明顯影響海冰的單軸名義壓縮強(qiáng)度，僅采用單影響因素分析是不合理的。以下對(duì)3 a的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素曲面擬合[22-23]。為保留應(yīng)變率影響下單軸名義壓縮強(qiáng)度在韌脆轉(zhuǎn)化過渡區(qū)的變化規(guī)律，采用分段函數(shù)進(jìn)行擬合，得到海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度與鹵水體積平方根和應(yīng)變率之間的關(guān)系函數(shù)：

式（11）和式（12）分別是韌性區(qū)到過渡區(qū)階段和過渡區(qū)到脆性區(qū)階段的擬合函數(shù)。

將鹵水體積和應(yīng)變率共同影響下的海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度分布繪制于圖8，圖中可見從韌性區(qū)到過渡區(qū)階段，海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度隨著鹵水體積的提高而減小，隨著應(yīng)變率的提高而增大；從過渡區(qū)到脆性區(qū)階段，海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度隨著鹵水體積的提高而減小，隨著應(yīng)變率的提高而減??；最大名義壓縮強(qiáng)度始終出現(xiàn)在過渡區(qū)。過渡區(qū)到脆性區(qū)階段的名義壓縮強(qiáng)度離散性較強(qiáng)，由此可以推測(cè)在此區(qū)間海冰試樣破壞的隨機(jī)性較高，需要結(jié)合海冰的破壞模式或綜合其他海冰物理性質(zhì)分析隨機(jī)性的來源。

圖8 鹵水體積和應(yīng)變率共同影響下的海冰名義單軸壓縮強(qiáng)度分布

4 結(jié)論

通過渤海鲅魚圈海域2018—2021年連續(xù)3 a的海冰單軸壓縮試驗(yàn)，研究了鹵水體積和應(yīng)變速率對(duì)海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度的影響，分別擬合了鹵水體積、應(yīng)變率、鹵水體積和應(yīng)變率影響下的海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度變化函數(shù)。結(jié)果表明，相同的應(yīng)變率下海冰單軸名義壓縮強(qiáng)度隨著鹵水體積的提高而減小，單軸名義壓縮強(qiáng)度隨鹵水體積平方根的變化符合指數(shù)函數(shù)變化趨勢(shì)；近似的海冰鹵水體積下，隨著應(yīng)變率的變化，海冰在單軸壓縮試驗(yàn)中出現(xiàn)韌脆轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，單軸名義壓縮強(qiáng)度隨應(yīng)變率的變化出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在增大和減小階段的變化趨勢(shì)均符合冪函數(shù)變化。此外，綜合了鹵水體積和應(yīng)變率的共同影響，擬合了單軸名義壓縮強(qiáng)度在鹵水體積平方根和應(yīng)變率兩個(gè)參數(shù)下的分布規(guī)律，為研究海冰環(huán)境參數(shù)的設(shè)計(jì)提供參考。