加载方向对海冰脆性破坏时单轴压缩强度的影响

对渤海的柱状海冰开展了系统的现场单轴压缩试验。在试验过程中,分别采用垂直于(水平加载)/平行于(竖直加载)冰晶的两种加载方向。同时,通过改变加载速率的方式研究了应变速率对压缩强度的影响。在测试结果中,结合试样的应变、应力以及裂纹特征分析了脆性破坏模式下海冰单轴压缩强度特征。试验结果表明:平行于冰晶方向的加载强度约为垂直于冰晶方向强度的3倍,并且两种加载方向的海冰单轴压缩强度均随加载速率的提高而降低。破坏模式的分析表明:脆性破坏主要由裂纹的发展所主导。随着加载速率的提高,海冰的破坏过程由单次破碎向多次破碎转变从而弱化了压缩强度。由于裂纹更容易在晶界处发展,不同加载方向下的裂纹特征以及最终的破坏模式有所区别。水平加载下的破坏模式以剪切形式为主,而竖直加载时主要发生柱状冰晶的屈曲破坏。屈曲破坏更容易发生在冰晶内部而表现出较高的压缩强度,因此竖直压缩强度更高。     

渤海海冰侧限压缩强度的影响因素分析

为研究海冰在侧向作用下的压缩强度,针对A型侧限加载方式,对不同温度、盐度和加载速率下的海冰压缩强度进行了试验研究。利用统计方法分析了试验结果,表明侧限压缩强度与卤水体积的平方根存在负幂函数关系,与侧限应力呈线性关系,而受加载速率的影响并不明显。海冰侧限压缩强度与各影响因素(海冰温度、盐度、侧向力)间的函数关系可为冰荷载的确定提供参考。     

辽河口海冰压缩强度基本特性分析

海冰的压缩强度是海冰最主要的力学特性.针对辽河口附近海域海冰的压缩强度指标,2014~2015年冬季于辽河口附近采样并进行室内测试.内容包括单轴压缩强度实验、侧限压缩强度实验、变尺寸压缩强度测试.实验表明辽河口海冰压缩强度受应变速率、卤水体积影响显著.侧限压缩实验要比单轴压缩实验所得结果略大.不同高宽比的试样在相同应变速率的前提下压缩强度变化不明显,尺寸影响不显著.     

渤海沿岸海冰单轴压缩强度的基本特性分析

海冰单轴压缩强度是寒区海洋工程中的一个重要设计参数,也是影响海冰动力学行为的主要因素。在2008-2012年间的三个冬季,对渤海沿岸的海冰单轴压缩强度进行了现场与室内试验,由此分析了其在温度、卤水体积和应力率下的基本特征。测试结果表明,海冰单轴压缩强度与其温度呈幂函数关系,与卤水体积平方根呈指数关系,与应力率呈线性关系。此外还分别在不同温度与卤水体积下确定了海冰单轴压缩强度上包络限的变化规律。最后,综合考虑卤水体积和应力率的影响,对海冰单轴压缩强度分布特征进行了分析。以上研究有助于揭示渤海海冰基本力学性质,为冰区结构设计和海冰动力学分析提供参考依据。     

黄海北部庄河附近海域海冰物理力学特性

研究了黄海北部海冰物理力学性质，试验内容有海冰的晶体结构，单轴压缩强度和弯曲强度，分析了海冰的压缩强度和弯曲强度与冰温，应力率和加载方向的关系。     

海冰温度对单轴压缩强度影响的试验研究

应变速率与单轴压缩强度极值的关系在抗冰结构设计与优化中占有重要地位。基于2009年冬季普兰店海域海冰在不同海冰温度(-5°C、-10°C、-15°C)下的压缩强度试验数据,给出各自应变速率—压缩强度散点图。结果表明,海冰在不同加载速率下表现为三种破坏模式,即韧性区、过渡区与脆性区;海冰温度对过渡区对应应变速率范围影响较小,均在6.3×10~(-4)~2×10~(-3)区域附近。结合三段式函数形式,给出不同温度下应变速率—压缩强度极值的曲线拟合结果。依据上述结论,在庄河海域选择应变速率10~(-2)、10~(-3)与10~(-4)进行不同海冰温度(-16°C~-4°C)下单轴压缩强度试验。结果显示:在韧性区,海冰温度与压缩强度极值呈弱负相关;在过渡区,海冰温度与压缩强度极值呈明显线性减小;在脆性区,强度极值相对海冰温度敏感度较低。基于此,在应变速率—压缩强度曲线中提出温度影响系数,这一试验分析方法可推广至其它海域。     

卤水体积和应变率影响下的渤海海冰单轴压缩强度分布

2018—2021年3个冬季期间在渤海辽东湾鲅鱼圈海域沿岸进行海冰单轴压缩试验。采用典型的柱状结构海冰作为试验对象,试验中加载方向垂直于柱状结构冰晶的轴向,应变率选取区间为4.5×10-5～7.5×10-3/s,海冰试样的温度在-3～-33℃之间。每组试验完成后对温度、盐度和密度进行了测量,用于计算每个试验试样的卤水体积。试验结果表明:海冰试样的应变-应力曲线表现出3种典型形式:韧性破坏、单峰值脆性破坏和多峰值脆性破坏。海冰名义压缩强度和卤水体积呈指数关系,应变率影响下的海冰单轴名义压缩强度出现韧性区-过渡区-脆性区的转化过程,在韧性区和脆性区阶段海冰的单轴名义压缩强度和应变率均呈幂函数关系。此外,综合卤水体积和应变率的影响,确定了海冰名义单轴压缩强度在两者共同影响下的变化规律。     

卤水体积和应力速率影响下海冰强度的统一表征

无论在地球物理尺度下研究海冰的动力学演化特性,还是在工程结构尺度下分析海冰与海洋结构物的相互作用过程,海冰强度均是影响海冰宏观变形和细观破坏规律的重要力学参数。本文通过对渤海海冰物理力学性质的现场和室内试验,分析了海冰压缩、弯曲和剪切强度参数与卤水体积、应力速率的对应关系。试验结果表明,海冰强度与卤水体积更好地呈指数关系,与应力速率呈线性关系;在此基础上,本文建立了由卤水体积和应力速率共同表征的海冰强度统一函数关系,为工程领域对海冰强度的选取提供有力的参考依据。     

渤海湾海冰和黄河口河冰物理力学性质的测定和研究

本文叙述的是一个多项目的野外试验,该试验主要测试了渤海湾海冰和黄河口河冰的压缩、剪切和弯曲强度。此外,还测量了冰的温度、盐度、密度。文中叙述了冰的现场试验方法及得出的试验结果。同时还讨论了冰的各种强度值与冰温、应变速率(或应力率)的关系,且冰的强度是冰温和应变速率的函数。冰是各向异构体,加载方向不同,呈现的强度值也不相同。并且还对比了海冰与河冰的异同。     

压缩加载条件下含水合物沉积物蠕变特性分析

水合物开采可能诱发海底滑坡或其他工程地质灾害。实现水合物商业化开采需要中长期稳定产气，长期荷载下储层的蠕变特性是地层稳定性评价的基础力学参数。利用南海水合物储层粉黏土为试验介质在压缩加载条件下的系列固结排水蠕变测量试验结果，对粉黏土的蠕变特性进行了分析。结果表明，加载过程中，含水合物沉积物经历瞬时变形、固结变形和蠕变变形3个阶段；随着加载应力和水合物饱和度的提高，蠕变应变不断增加；修正的Singh-Mitchell蠕变模型可以较好预测不同应力水平和水合物饱和度下粉黏土的蠕变特性。     

辽东湾S2冰侧限剪切强度的试验研究

利用试验方法系统地研究了辽东湾S2型海冰侧限剪切强度随剪切应变速率、加载方向、法向应力、温度和冰内孔隙率的变化规律。介绍了S2型海冰各向异性特点及剪切应变速率对剪切破坏方式的效应和韧脆破坏转变的条件。分析了不同加载方向海冰峰值剪切强度的差异 ,获得 - 6 2℃温度下S2冰内摩擦角和内聚力分别为 42°和 70 0kPa。利用统计分析给出峰值剪切强度与冰温和孔隙率的试验关系     

渤海沿岸和船舶冰情调查中冰物理及单轴压缩强度测试技术研究

为更好提供渤海沿岸和海上冰物理和力学性质服务,结合渤海海冰特点、渤海海岸和海洋工程对冰单轴压缩强度的需求、海冰强度控制因子以及实施现场调查的设备和能力,通过黄河口附近海域现场实践,形成完整的海冰单轴压缩强度试验技术及冰样温度、密度和盐度测试技术及应用这些测试技术的注意事项和现场解决可能出现问题的措施。     

基于广义接触模型的离散元方法及其对船体冰载荷的分析

冰载荷是影响船舶结构安全的主要环境载荷,因而确定破冰船的冰载荷特征可用于船体结构设计及船舶安全预警分析。海冰作为典型的脆性材料,可采用单元间具有黏结失效效应的离散元方法模拟其破碎行为。为有效地模拟海冰破碎的渐进过程,采用由局部黏结点组成黏结单元的广义接触模型。为分析该模型中直接决定黏结单元失效的强度参数的影响,采用海冰单轴压缩和三点弯曲试验数值模拟进行分析。通过模型试验确定了失效模型中法向黏结强度、切向黏结强度和Mohr-Coulomb准则中的接触摩擦系数的影响。将该数值模型应用于极地科学考察船"雪龙号"的平整冰区冰载荷分析中,并与船舶整体冰阻力经验公式进行了对比验证。     

应力率对海冰单轴抗压强度的影响

应力率是影响海冰单轴抗压强度的重要因素。本文介绍了渤海海冰现场抗压强度试验的部分结果;柱状晶体和颗粒状晶体海冰的单轴抗压强度都受应力率和应变率的明显影响。按应力率大小,可划分三个区段,在应力率较慢的延性区,强度与应力率之间呈现幂函数关系,强度随应力率增加而增高,在应力率较快的脆性区,强度变低,在这两者之间的过渡区,强度呈现最大值,应变率对强度具有类似影响。     

辽东湾粒状海冰弯曲力学行为试验研究

弯曲破坏是冰与船舶和锥形海洋结构物相互作用时经常发生的一种冰破坏模式。全球变暖延长了渤海海冰的冻结期,导致冰层中粒状冰的比例呈增加趋势。为了更好地理解渤海粒状海冰的弯曲力学行为,使用2010－2011年冬季在辽东湾收集的粒状海冰进行了实验室三点弯曲试验。在?5、?10和?15°C条件下,共测试了42个海冰试样。应变速率范围为1×10?6~6×10?4 s?1,加载方向垂直于原始冰面。在试验过程中,测量每个冰试样的盐度和密度以计算孔隙率。试验分别给出了弯曲强度和有效弹性模量关于孔隙率的参数化关系,归一化后,弯曲强度在整个应变速率范围内没有速率依赖性。相比之下,有效弹性模量随着应变速率的增大而增大。以孔隙率和应变速率为因子,建立了冰试样有效弹性模量的参数化方程。     

混凝土动态压缩试验及其本构模型

按照地震荷载作用的速率范围，利用最新研制和改造的大型混凝土静，动试验系统，进行了4种数量级加载速率下混凝土轴向压缩试验，测得了混凝土动态强度，弹性模量，泊松比及应力-应变关系，根据加载条件和混凝土静，动态试验结果间的关系，建立了混凝土的动态本构模型，为地震区的混凝土结构，海上混凝土采油平台和核防御壳等结构受动荷载作用的分析提供参考。     

辽东湾JZ20—2海域海冰参数的概率分布

基于辽东湾JZ2 0 2海域 1996 2 0 0 0年 4个冬季的海冰定点观测资料和海冰数值模拟结果 ,对该海域的平整冰厚、冰速、冰向和压缩强度等海冰参数进行了概率分析 ,确定了各自的分布参数 ,并对冰速和冰向进行了联合概率分析。结果表明 :冰厚和冰速分别服从对数正态分布和瑞利分布 ,海冰压缩强度服从正态分布。计算结果可用于JZ2 0 2海域海洋结构可靠性设计和疲劳累积损伤分析的海冰参数 ,也可作为其邻近海域的参考资料     

海冰弯曲强度及其破坏过程的试验研究

为确定海冰温度、卤水体积等因素对海冰弯曲强度的影响,本文对辽东湾东岸海域的平整冰进行了现场取样,并在试验机压头加载速率为0.1 mm/s的情况下进行了三点弯曲试验.试验结果表明,海冰试样在-35～-5 ℃温度范围内呈现出三种不同的破坏模式,主要表现为海冰弯曲断裂时裂纹形状的差异.当温度在-15～-10℃之间时,海冰试样多表现为断裂面粗糙的韧性破坏模式,部分试样在主裂纹扩展过程中伴随有次生裂纹的衍生;当温度低于-15℃时,海冰试样多表现为脆性破坏,具有一条由下至上的完整光滑断裂面;而二次破坏的温度与脆性破坏、韧性破坏的温度均有交叉,分布于-20～-5 ℃之间,试验结果呈现上部粗糙下部光滑的断裂面.对海冰的应力分析表明,不同破坏模式下的弯曲强度值呈阶梯分布,海冰发生脆性破坏时的弯曲强度要高于其他两种破坏模式,发生韧性破坏时的弯曲强度最小.在不同断裂模式下,海冰的弯曲应力达到最大值后的下降趋势有明显差异,韧性断裂时弯曲应力下降缓慢,脆性破坏时则突然下降为0,而二次破坏应力突然下降后仍以较小的值缓慢下降至接近于0.最后,本文还讨论了海冰弯曲强度与卤水体积的对应关系,结果与其他相关文献具有很好的一致性.以上研究有助于更好地理解海冰的力学性质,为极地船舶与海洋工程结构抗冰设计提供参考依据.     

渤海海冰对直桩柱的作用力

于1990年1月在锦州湾采样,主要测试了在不同的冰温和不同的应变速率下渤海海冰的挤压强度,并且研究了海冰挤压强度与冰温及应变速率的关系。对半径R=2,3,4,5cm圆柱压头的海冰挤压强度R_(CM)进行了试验,由此求得了海冰的局部挤压系数和接触系数。分析了冰块宽度B与桩柱宽度b之比与挤压系数的关系。在—10℃冰温下,对半圆形,压头端部尖角20等于180°,120°,90°,60°五种压头进行了试验,从而求得桩柱的形状系数,建立起大冰原对桩柱挤压作用的最大冰压力公式。     

基于参考压缩线的砂土压缩模型

等向压缩线不唯一及V-lgp空间内非线性变化是砂土压缩模型构建过程中存在的两大问题。通过分析砂土的等向压缩曲线变化特征,结合其力学特性提出了与临界状态线在0点相交并与其它等向压缩线在高压下相互汇聚的等向压缩线作为参考压缩线。采用ln(V-Vmin)-(p/pa)ξ空间内线性函数来描述参考压缩线与临界状态线。利用当前体积到参考压缩线的距离构建状态参量并建立修正函数以获取其它体积下的压缩曲线斜率。参考压缩线及弹性变形规律。基于参考压缩线建立的砂土压缩模型不仅表现出砂土在低应力段的小变形特征及高压下的近似线性关系,而且能够描述极限体积附近的低压缩性特征。模型预测与Toyoura砂等向压缩试验及循环压缩试验、弯曲元试验及共振柱试验对比结果表明,提出的砂土压缩模型不仅能够很好地描述Toyoura砂的压缩特性,而且能够较为可靠地预测砂土弹性变形趋势。