Способы и методы повышения несущей способности ледяного покрова

Способы и методы повышения несущей способности ледяного покрова

Введение

Глава I. Физико-механические свойства льда и снега.

1.1.Краткие сведенья о физико-механических свойствах пресноводного льда и снега……………………………………………………..……….………...3

1.2.Выбор наиболее вероятных физико-механических характеристик ледяного покрова……………………………………………………...…………...8

1.2.1. Плотность льда……………………………………………..………...9

1.2.2. Коэффициент Пуассона………………………………….…….……9

1.2.3. Модуль упругости (модуль Юнга)………………………………..10

1.2.4.  Модуль сдвига……………………………………………………..14

1.2.5.  Прочность льда при изгибе………………………………….........15

1.2.6.  Механические свойства………………………………….………..16

1.2.6.1. Вязкость………………………………………………………..…16

1.2.6.2. Время релаксации………………………………………………..17

1.2.6.3. Прочность………………………………………………...............19

1.2.7. Упругие свойства пресноводного льда…………………………...25

1.3.Несущая способность ледяного покрова……………………………29

1.4.Экспериментальные исследования деформаций ледяного покрова, вызываемых движущимися нагрузками………………………………………..33

Глава II. Выбор наиболее эффективных способов повышения несущей способности ледяного покрова

2.1.Результаты информационно патентного поиска……………………45

2.2.Классификация методов повышения несущей способности ледяного покрова.

2.2.1. Уменьшение температурного градиента………………………….46

2.2.2. Армирование………………………………………………..............47

2.2.3. Применение свай…………………………………………………...50

2.2.4. Гидродинамические методы………………………………………52

Выводы…………………………………………………………………..56

Библиографический список………………………………………………59

Введение:

В условиях нашей страны, имеющей большие территории, до сих пор единственным способом передвижения наземного транспорта и доставки грузов до некоторых отдаленных населенных пунктов в зимнее время осуществляется через ледовые переправы рек и озер. Некоторые из таких переправ не надежны, что влечет за собой гибель людей и техники.

Но до сих пор еще не разработана такая теория волновых колебаний ледяного покрова, которая бы точно отвечала на практические задачи разрушения льда изгибно-гравитационными волнами (ИГВ) от движущийся по нему нагрузке, которую можно было применить для создания надежных переправ.

На сегодняшний день в России существует два вида переправ официальные и не официальные. Не официальные переправы не организованны для движения транспорта или грузов что влечет за собой большинство несчастных случаев. Официальные переправы, которые создаются только путем расчистки от снега ледяной поверхности, для повышения несущей способности ледяного покрова не эффективны, т.к. не учитывают, что многообразие свойств ледяного покрова не стабильны во времени и зависят от природных факторов, глубины водоема, интенсивности течения и т.д.

Перед данной дипломной работой ставиться цель - найти эффективные методы увеличения несущей способности ледяного покрова и способы создания надежных переправ на любых акваториях нашей страны. Данная цель достигается в решении  задач связанных в установлении физико-механических свойств пресноводного льда и снега, исследований характера деформаций ледяного покрова под действием движущийся нагрузки и анализа имеющихся на сегодняшний день патентов для создания ледяной переправы.

Связь с автором: admin@pivan-school.net.ru

Глава I. Физико-механические свойства льда и снега

1.1.Краткие сведенья о физико-механических свойствах пресноводного льда и снега.

Лед принадлежит к числу давно известных материалов, но, тем не менее, свойства его изучены далеко не достаточно. Это объясняется большим разнообразием структуры, составов, физико-механических состояний. Существенную роль в поведении льда играют и временные процессы. Однако здесь рассмотрим лишь те характеристики льда и ледяного покрова, которые определяющим образом влияют на его взаимодействие со средствами передвижения транспортных средств.

Во льду атомы кислорода расположены в виде гексагональных колец (рис.1). Каждый атом кислорода, в, свою очередь, находится в центре тетраэдра, четыре вершины  которого  также заняты   атомами   кислорода.

Такая кристаллографическая упорядоченная сетка атомов кислорода связана атомами водорода, положение которого в этих связях неупорядоченное.

Единичная ячейка кристаллической структуры содержит четыре молекулы размерами примерно 4,5 х 4,5 х 7,4, плотностью 0,917 г/см3 при 0°С. Базисная плоскость (0001) является плоскостью скольжения решетки, и поэтому касательное напряжение, приложенное параллельно ей, вызывает скорость деформации на два порядка больше, чем напряжение, приложенное по нормали.

В обычных условиях лед существует при температурах, весьма близких к точке плавления. Это в значительной степени определяет его физико-механические свойства и поведение под нагрузкой. В разных условиях лед проявляет упругость, нелинейную вязкость, хрупкое разрушение, разрушение при ползучести и т. д. Связано это с тем, что процессы деформирования льда часто сопровождаются фазовыми переходами.

Известно, что даже наиболее чистые формы пресноводного льда содержат примеси в виде твердых частиц, растворимых веществ и газов. Эти примеси в значительной степени влияют па процесс образования зародышей и движение дислокаций, определяя прочность ледяного покрова. Именно движение дислокаций решительным образом меняет свойства кристаллических тел и объясняет, почему прочность реальных кристаллов в сотни и тысячи раз меньше теоретической.

Кристаллическое строение льда зависит от многих причин, в том числе от истории ледообразования. У пресного льда кристаллы имеют больший размер, чем у морского. Это влияет на деформацию и прочность речного льда.

Эксперименты показали, что при одном и том же напряжении сдвига скорости деформаций поликристаллического льда много меньше, чем в кристалле. Это связано с хаотичной ориентировкой плоскостей скольжения, затрудняющей сдвиги. Именно разная форма и размеры зерен, и хаотическое их расположение в поликристаллическом льду не позволяют проявиться индивидуальным особенностям кристаллов. При оценке механических свойств структура материала не так важна, важнее некоторые макроскопические свойства - прочность, вязкость, модуль упругости и т. д.

Хаотическое расположение зерен в поликристаллическом льду позволяет с достаточной для практики точностью рассматривать ледяной покров как тело изотропное и однородное. Лишь по толщине льда необходимо учитывать анизотропию, связанную с температурными градиентами и историей ледообразования.

В дальнейшем будем полагать, что размеры образцов льда велики по сравнению с размерами зерен и кристаллов, входящих в этот образец.

Оценка прочности ледяного покрова в значительной степени зависит от объективной оценки его физико-механических характеристик, определяемых при испытаниях по соответствующим методикам в лабораторных или полевых условиях.

Как правило, получаемые результаты испытаний значительно расходятся между собой, что объясняется как разными условиями их проведения, так и тем, что многочисленные и важные факторы (размеры образцов, температура льда, объем полостей воздуха в нем, история ледообразования и т. д.) часто при этом не учитываются.

Для возможности сопоставления механических свойств при испытаниях необходимо соблюдать подобие геометрическое, технологическое, механическое, физическое и энергетическое.

Приведем лишь основные физико-механические свойства для пресноводного льда, в том объеме, который необходим для дальнейшего изложения.

Предполагается, что при температурах от -3°С и ниже, и при крат­ковременных воздействиях лед ведет себя как вполне упругое тело, подчиняющееся закону Гука. Пластическая деформация при этом не успевает развиться.

При определении модуля упругости льда используют статический и динамический способы. Статический способ позволяет получить при статическом нагружении образцов так называемый   модуль   деформации, который всегда меньше динамического:

ЕСT= (5,69 - 0,648 T)*103МПа; Eд=(8 + 9,8)*103МПа,

где Т - абсолютная температура воздуха.

- Коэффициент   Пуассона   μ=0,31-0,36.

- Модуль   сдвига         G=(3,0-3,8)*103MПa.

Значение   прочности   льда  на   сжатие  в   зависимости  от  температуры приведены ниже [14]:

Прочность при растяжении:

Прочность льда на изгиб оценивают в ходе разрушения образцов льда при изгибе по измерениям приложенного усилия и размеров этих образцов. Считается, что наиболее надежные результаты дают испытания «клавиш» на плаву, вырезанных из ледяного покрова σu=0.47-0.71 MПа.

 по толщине пластины становится нелинейным. Прочность льда на срез при отрицательных температурах воздуха σср=0.6-1,1МПа.

В последнее время развитие получили исследования в области механики роста трещин в различных материалах, несколько опытов было проведено во льду [35,36]. Известно, что основной характеристикой роста трещин является коэффициент вязкости разрушения в вершине трещины отрыва К1С. Так, в работе [36] значения К1С поликристаллического льда, полученные экспериментально, равны 0,300,15 МПа *м1/2 (при температуре от -2 до -14° С). Экспериментальные измерения К1С проведены также Гудменом при температурах -4, -11 и -24°С. Средние значения К1С оказались соответственно равными 0,118; 0,119; 0,108 МПа*м1/2 .

В [36] отмечается, что коэффициент вязкости разрушения практически не зависит от скорости нагружения и температуры.

Коэффициенты трения натурного льда о корпус судна изменяются в широких пределах. Например, динамический коэффициент трения меняется в пределах 0,020,20, а статический коэффициент в пределах 0,041,0 [22]. Плотность льда рл колеблется в пределах от 890 до 920 кг/м. Теплопроводность пресного льда λ= 2,22Вт/м*К.

Температуропроводность a=λ/cp*ρл   где  - cp  удельная теплоемкость льда при постоянном давлении, например, а= 4,76*107 м2/с при T=-5оС.

Удельная теплота плавления L' пресноводного льда при разной  температуре воздуха различная [36]:

Теплоемкость пресноводного льда с = (2.12 ± 0,0078Т) Дж/г*К. Поверхностная энергия (количество работы, необходимой для создания единицы площади поверхности раздела фаз в изотермическом процессе) равна 33 ± 3 МДж/м2.

Снег, лежащий на поверхности льда, влияет на взаимодействие судов  с   ледяным   покровом.   Приведем  некоторые   механические свойства снега. Плотность свежевыпавшего снега рсл=60130 кг/м3, свежего уплотненного ветром рслв=180220 кг/м3, старого   рснст=240250 кг/м3.

Рис. 3. Прочность снега на сжатие, срез, растяжение и изгиб.

На рисунке 3 приведены результаты определения пределов прочности снега на срез σср, сжатие σсж, изгиб σu  и растяжение σp при температуре -10°С [36].

1.2. Выбор наиболее вероятных физико-механических характеристик ледяного покрова

Проведенные исследования позволяют выбрать численные значения параметров, характеризующих прочностные свойства льда: модуль упругости (модуль Юнга), модуль упругости при изгибе, коэффициент Пуассона, пределы прочности льда при изгибе и плотность льда в составе ледяного покрова. Однако значение этих величин сильно разнятся. Это можно объяснить использованием различных методик проведения экспериментов, влиянием масштабного а, несовершенством используемого оборудования, значительной зависимостью свойств льда от условий приготовления экспериментальных образцов, характера ледостава, химического состава воды, структуры и др.

Для оценки влияния физико-механических характеристик льда на НДС ледяного покрова вначале рассмотрим реально возможные диапазоны изменения интересующих параметров.

1.2.1. Плотность льда.

Плотность льда в значительной степени определяется структурой льда. Например, для столбчато-гранулированного льда рл=900 кг/м3, а для зернистого полукристаллического рл=850 кг/м3. Возможные диапазоны изменения плотности льда лежат в пределах рл=800917 кг/м3 или рл=890920 кг/м. В качестве среднего значения рл для речного льда при отрицательной температуре может быть принято значение рл=920 кг/м3.

Плотность морского льда незначительно отличается от пресноводного, так приводятся возможные диапазоны этой величины pл=830930 кг/м и в качестве расчетного рекомендуется рл=900 кг/м. По данным исследований В.В. Богородского [19], В.В. Лаврова [34], М.И. Серикова [37], В.Н. Смирнова [38] плотность пресноводного льда колеблется в пределах рл=870920 кг/м3, а для морского льда рл=840930 кг/м3.

Как видно из анализа величина плотности льда довольно стабильна и для морского льда лежит в пределах 840930 кг/м3, а для пресноводного - в пределах 800920 кг/м. Таким образом, реальный диапазон изменения плотности составляет 800930 кг/м3, а наиболее вероятные значения плотности для морского льда составляет 920 кг/м3, для речного 900 кг/м.

1.2.2. Коэффициент Пуассона

Коэффициент Пуассона μ характеризует отношение относительной поперечной к относительной продольной деформации и влияет на величину цилиндрической жесткости ледяной пластины D, т.е. на НДС ледяного покрова. Коэффициент Пуассона, так же как и плотность льда, изменяется в пределах узкого диапазона. Так, μ колеблется в пределах 0,310,36. Для льда из дистиллированной воды, не содержащей пузырьков газа, при разной температуре и атмосферном давлении по данным таб.3

Таб. 3. Коэффициент Пуассона для дистиллированной воды.

Коэффициент Пуассона соленого льда практически не отличается от речного. По рекомендации лаборатории ледотермики ВНИИГа им. В.Е. Веденеева для льда Финского залива, как для изотропного тела, можно принять μ = 0,4 при толщине льда 0,3м < h < 1,0 м [36]. Можно рекомендовать для пресноводного льда μ =0,420,34 .

М.И. Сериков [37] с помощью резонансного метода нашел, что μ пресноводного льда для диапазона температур от 0 до -31°С равно 0,4140,327.

К.Ф. Войтковский [24] приводит значения коэффициента Пуассона для пресноводного льда, определенные Б.П. Вейнбергом, Б.Д. Карташкиным и Б.А., Савельевым, изменяющиеся от 0,23 до 0,47 (наиболее вероятные значения 0,340,36).

Таким образом, зависимость коэффициента Пуассона от температуры, солености и др. факторов мало заметна. Объясняется это, по-видимому, тем, что μ характеризует отношение величин деформации, каждая из которых меняется одинаково в зависимости от ледовых условий.

Для теоретических исследований диапазон изменения μ может быть принят 0,300,43, а наиболее вероятные значения для пресноводного льда 0,35, для морского 0,33.

1.2.3. Модуль упругости (модуль Юнга)

Модуль упругости Е характеризует сопротивляемость льда упругой деформации при растяжении или сжатии и линейно связан с цилиндрической жесткостью D ледяной пластины:

       (1.1)

Величина модуля определяет глубину и кривизну первоначальной чаши прогиба ледяного покрова при действии статической нагрузки, а значит, влияет не только на амплитуду ИГВ, возбуждаемых движущейся нагрузкой, но и на интенсивность развития волнообразования в неустановившихся режимах.

Модуль упругости сильно зависит от режима нагружения. В связи с этим принято различать статический ( ЕСT ) и динамический ( ЕД ) модули упругости. При динамическом нагружении упругие свойства льда уменьшаются, т.е. модуль упругости возрастает. В работе В.П.Берденникова [15] отмечается зависимость Е от температуры окружающего воздуха:

 МПа, (1.2)

где Т- абсолютная температура воздуха.

По данным Гольда (1958г.) модуль Юнга при Т = -5°С равен (9,09,8)*10 дин/см2. Рекомендуется принимать значение модуля упругости в диапазоне (3500062000) кг/см2. В качестве среднего значения Е рекомендуется величина 4,23*10 Кн/см2. Опыты на ледовой трассе Ладожского озера позволили К.Е. Иванову получить для речного льда  значение E=40000 кг/см2 [29]

Анализ  экспериментальных исследований позволил получить диапазон вероятных значений ЕД в пределах (8,09,8)*103 МПа. Значения ЕД по работе В.В. Богородского [20] представлены в Таблице 4.

Таблица 4. Значения динамического модуля упругости от плотности.

По рекомендации лаборатории ВНИИГа им. В.Е. Веденеева в ледотехнических расчетах Е должен составлять 4* 10 МПа. Обобщив результаты определения Е на 1940г. Б.П. Вайнборг подсчитал, что наиболее вероятное его значение (7080)* 10 кг/см.

Позднее Б. Д. Карташкин (1947г.) установил, что при сжатии, растяжении и изгибе в интервале температур от -5 до -16°С модуль упругости в среднем равен 40*10 кг/см. В.П. Берденников (1948г.) считал, что модуль упругости монолитного льда равен 90* 10 кг/см.

Анализ имеющихся результатов позволяет сделать заключение, что модуль упругости, характеризующий упругие свойства льда и определяемый в результате упругой деформации является в некоторой степени величиной неопределенной, потому что выделить при деформации ее упругую часть очень трудно. В то же время только при упругих деформациях модуль Юнга может быть определен надежно.

В отличие от деформации упругих тел величина деформации льда зависит от времени приложения нагрузки. Точно также от него зависит и модуль упругости льда, характеризующий зависимость величины деформации от нагрузки. Поэтому модуль упругости для льда следует определять в наиболее короткий промежуток времени приложения нагрузки, а наиболее подходящими методами ее определения следует считать динамические. К.Ф. Войтковский считает наиболее достоверной величиной E=90000 кг/см2, которой и рекомендует пользоваться для расчетов упругой деформации льда при динамическом воздействии нагрузок.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5