淡水冰單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)研究.pdf

1、冰作為水的固體形態(tài)，在自然界廣泛存在。對于高緯度地區(qū)和國家來講，冰是各類水利工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理必須考慮的自然因素。冰的單軸壓縮強(qiáng)度，作為冰力學(xué)試驗(yàn)中的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)，是各類涉冰結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)時(shí)的必要依據(jù)。同時(shí)，冰的單軸壓縮強(qiáng)度又是一項(xiàng)受多種因素影響的復(fù)雜參數(shù)，包括冰本身的晶體結(jié)構(gòu)、氣泡含量和形態(tài)，環(huán)境溫度條件，甚至試驗(yàn)時(shí)采用的方法、冰試樣加工的差異，都會不同程度地影響單軸壓縮強(qiáng)度。作為冰的基本力學(xué)性質(zhì)，開展對冰單軸壓縮強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，不僅可以

2、直接應(yīng)用于工程的防冰、抗冰設(shè)計(jì)，更有助于揭示冰的本質(zhì)規(guī)律，具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　為研究冰的單軸壓縮強(qiáng)度同有關(guān)影響因素的關(guān)系，本文于2011年12月從哈爾濱某水塘內(nèi)取得天然淡水冰，先進(jìn)行氣泡、晶體結(jié)構(gòu)調(diào)查，包括取得冰樣斷面觀測氣泡分布和形態(tài)，使用費(fèi)氏臺在偏光鏡下觀測晶體結(jié)構(gòu)，確定晶體類型和大小。調(diào)查后，制定、修改試驗(yàn)計(jì)劃，針對冰的單軸壓縮強(qiáng)度同加載方向、加載位移速度和試樣尺寸等因素，在-10℃冰樣溫度條件下，加工了截面

3、尺寸為5×5 cm2，7×7 cm2，8.5×8.5 cm2，10×10 cm2和12×12 cm2，長軸方向?yàn)榻孛孢呴L2.5倍的5種尺寸長方柱試樣，進(jìn)行了平行冰面和垂直冰面2種不同加載方向，位移速度0.0072 mm/min～387 mm/min范圍共計(jì)25種組合的385次單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得了375個(gè)試樣的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　在將每組試驗(yàn)結(jié)果繪制成單軸壓縮強(qiáng)度與應(yīng)變速率關(guān)系圖后發(fā)現(xiàn):每組試樣隨加載位移速度的增加，冰樣的極限破

4、壞應(yīng)力（強(qiáng)度）增加，達(dá)到一定值后，隨加載位移速度增加而減小;對應(yīng)的冰樣破壞形式多樣，也由裂縫較少的塑性變形破壞，裂縫較多的的鼓脹、劈裂形式韌性破壞，到快速加載時(shí)才能看到的帶有斜切面和臺階狀破壞面的脆性破壞、粉碎性破壞，不同破壞形式與加載速率關(guān)系密切。再對峰值單軸壓縮強(qiáng)度和各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行匯總后，可以看出，對冰樣在不同方向上加載時(shí)，冰樣垂直冰面方向的加載強(qiáng)度明顯大于平行冰面方向的加載強(qiáng)度，約為1.87～2.40倍，各向異性特點(diǎn)明顯;試樣的尺寸

5、也會影響到單軸壓縮強(qiáng)度值的大小，表現(xiàn)為試樣相對尺寸小時(shí)，其強(qiáng)度相對大，但當(dāng)截面面積大于49 cm2時(shí)，水平加載和垂直加載試樣的峰值強(qiáng)度變化都不大，反映出IAHR所建議的單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸7×7×17.5 cm3，對于東北水庫和水塘的淡水冰單軸壓縮強(qiáng)度試樣是適用的;氣泡的影響通過試樣密度來反映，隨密度增加，峰值壓縮強(qiáng)度增加，且在垂直試樣上變化更為明顯;對峰值壓縮強(qiáng)度、加載截面積和孔隙率建立散點(diǎn)關(guān)系圖，通過簡單統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)三者具有良