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。     

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.     

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。     

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。     

渤海莱州湾和黄河口附近海冰剪切强度的试验研究

剪切强度是海冰的基本力学性质,直接影响到冰区结构物冰荷载的确定以及海冰在动力演变过程中的破坏行为。采用侧限单面剪切试验对渤海莱州湾和黄河口的海冰进行了剪切强度测试,分析了温度、卤水体积、剪切应力率的影响。结果表明,海冰剪切强度随冰温的降低和剪切应力率的增大而呈线性增长,而与卤水体积的平方根呈幂函数降低。在此基础上,综合考虑卤水体积和剪切应力率的影响,对海冰剪切强度进行了双参数拟合,为研究海冰剪切破坏机理提供了参考依据。     

海冰弯曲强度的研究

简要介绍了国内外海冰弯曲强度研究概况;给出了1990年冬作者在辽东湾西部的实验结果;并且讨论了海冰弯曲强度与应力率的关系。     

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。     

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。     

渤海和北极海冰组构及晶体结构特征分析

渤海一年冰的组构和晶体结构表现出的冰的非连续生长速率使得冰层底部具有气泡含量不同的许多分层;静水生长的灰冰具有典型的粒状冰和柱状冰;融化-重冻结冰和重叠冰具有特定的晶体结构.位于北冰洋72°24.037'N,153°33.994'W,长2.2m的冰心样为三年冰,并且发现其内有一种新的晶体类型,定义为碎屑凝聚冰.由位于北冰洋74°58.614'N,160°31.830'W,长4.86m的冰心样的晶体结构分析发现它过去为冰脊,后经融化-冻结改造形成冰丘的证据.     

渤海及黄海北部冰情长期变化趋势分析

统计分析上世纪50年代—2010年渤海及黄海北部海冰资料,对其年代际变化特征进行分析。上世纪50年代—90年代冰情总体呈缓解的趋势,2000年以来冰情略有加重。研究发现太阳活动与渤海及黄海北部冰情变化关系密切,太阳活动可能是渤海及黄海北部冰情长期变化重要影响因素。如果太阳黑子的周期长度比上一个周期长,那么周期内冰情较上一个周期严重。反之亦然。     

北极夏季海冰单轴抗压强度研究

The results on the uniaxial compressive strength of Arctic summer sea ice are presented based on the samples collected during the fifth Chinese National Arctic Research Expedition in 2012(CHINARE-2012). Experimental studies were carried out at different testing temperatures(-3,-6 and-9°C), and vertical samples were loaded at stress rates ranging from 0.001 to 1 MPa/s. The temperature, density, and salinity of the ice were measured to calculate the total porosity of the ice. In order to study the effects of the total porosity and the density on the uniaxial compressive strength, the measured strengths for a narrow range of stress rates from 0.01 to 0.03 MPa/s were analyzed. The results show that the uniaxial compressive strength decreases linearly with increasing total porosity, and when the density was lower than 0.86 g/cm3, the uniaxial compressive strength increases in a power-law manner with density. The uniaxial compressive behavior of the Arctic summer sea ice is sensitive to the loading rate, and the peak uniaxial compressive strength is reached in the brittle-ductile transition range. The dependence of the strength on the temperature shows that the calculated average strength in the brittle-ductile transition range, which was considered as the peak uniaxial compressive strength, increases steadily in the temperature range from-3 to-9°C.     

渤海冬季海冰反照率变化

渤海海冰对于大尺度气候变化比较敏感,基于CLARA-A1-SAL数据分析了1992~2008年冬季（12、1、2月）渤海海冰区域反照率的时空变化,同时分析了海冰密集度、海冰外延线面积和海水表面温度的变化与海冰反照率的相互关系。渤海海冰区域反照率随时间波动变化且变化趋势不明显,趋势线斜率仅为0.0388%。年际变化在9.93%~14.5%之间,平均值为11.79%。海冰反照率在1999,2000和2005等重冰年的值明显高于其他年份,在1994,1998,2001和2006等轻冰年的值较低。从单个月份反照率来看,12月海冰反照率的增加趋势（趋势线斜率0.0988%）明显高于1月和2月,1月的海冰反照率平均值（12.9%）高于另外两个月份。海冰反照率和海冰密集度呈明显的正相关关系;和海表面温度呈负相关关系（显著性水平90%）。     

渤海海冰淡化利用研究进展与问题

海冰是低温条件下的海水冻结物,在我国渤海,每年冬季有4个月左右的结冰期,形成大范围的海冰。海冰具有灾害性,常对冬季海上运输及海洋生产构成危害,但因其含盐量较低,海冰还具有资源性,有可能以较低成本转化为淡水。自1995年以来,我国学者开展了渤海海冰淡化利用研究,在国家有关项目的大力支持下,已在海冰资源特性、资源量估算、海冰淡化技术和海冰水农业利用等方面均取得了一系列重要的研究进展。本文是对这些研究进展及尚需解决问题的综述。     

海冰动力过程的改进离散元模型及在渤海的应用

海冰的断裂、重叠和堆积等离散分布特性广泛地存在于极区和副极区的不同海域,并对海冰的生消、运移过程有着重要影响。针对海冰在不同尺度下的离散分布特点,发展海冰动力过程的离散元方法有助于完善海冰数值模式,提高海冰数值模拟的计算精度。为此,本文针对海冰生消运移过程中的非连续分布和形变特性,发展了适用于海冰动力过程的改进离散元模型(MDEM)。不同于传统离散元方法,该模型将海冰离散为具有一定厚度、尺寸和密集度的圆盘单元。海冰单元设为诸多浮冰块的集合体,其在运移和相互接触碰撞过程中,依照质量守恒发生单元尺寸、密集度和厚度的相应变化。基于海冰离散性和流变性的特点,该模型采用黏弹性接触本构模型计算单元间的作用力,并依据Mohr-Coulomb准则计算海冰法向作用下的塑性变形及切向摩擦力。为验证该模型的可靠性,本文对海冰在规则水域内的运移和堆积过程进行了分析,离散元计算结果与解析值相一致;此外,对旋转风场下海冰漂移规律的模拟进一步验证了本文方法的精确性。在此基础上,对渤海辽东湾的海冰动力过程进行了48h数值分析,计算结果与卫星遥感资料和油气作业区的海冰现场监测数据吻合良好。在下一步工作中将考虑海冰离散元模拟中的热力因素影响,发展具有冻结、断裂效应的海冰离散元模型,更精确地模拟海冰动力-热力耦合作用下的生消和运移过程。     

渤海海冰的年际和年代际变化特征与机理

根据1951-2013年间的渤海冰情等级资料,利用最大熵谱分析、相关分析和合成分析等方法,研究了渤海冰情等级的年际和年代际变化特征,探讨了局地气候、大气环流、ENSO(El Nio-Southern Oscillation)和太平洋年代际振荡(PDO)对海冰的影响。结果表明,渤海海冰具有明显的年际和年代际变化特征,并在1972年前后发生了一次由重到轻的气候跃变,在跃变后冰情较跃变前平均降低了0.7级。相关分析与合成分析结果显示,渤海冰情的年际变化除受局地气候的影响外,还受西太平洋副热带高压(副高)、极涡和欧亚环流的共同调控,特别在1972年以后,秋季副高、冬季欧亚和亚洲纬向环流对渤海冰情的年际变化均有重要影响,可作为渤海海冰预报的重要因子,而春季PDO、ENSO、冬季副高及欧亚和亚洲经向环流则是渤海冰情年代际变化的影响因素。     

渤海海冰中太阳辐射的光谱特征观测研究

通过采用多光谱仪器,对渤海营口港一带的近岸固定冰进行了3个站位11个谱段的入射辐射、反射辐射和透射辐射随时间变化过程的观测和研究。结果表明,发生在海冰中的反射辐射和透射辐射与入射太阳辐射的谱分布有明显差别,而且有显著的日变化。文章确立了入射辐射、反射辐射和透射辐射随时间的变化与太阳高度角的正弦成精确的线性关系,海冰的积分反照率与太阳高度角的正弦满足二次函数关系,可将不同时刻的观测值归算到正午时刻的辐射值,使不同时刻的观测结果具有可比性。计算结果表明,海冰只衰减特定强度的辐射,衰减量与入射辐射光谱分布以及辐射的强度无关,导致绿光的透射辐射最强。该文是对渤海海冰透射辐射的初步尝试,所获得的结果对未来大范围海冰光学观测打下了基础。     

辽东湾东岸海冰抗压强度特征分析

本文利用辽东湾东岸鲅鱼圈、营口和长兴岛三地实测海冰抗压强度资料,分析了海冰破坏应力与破坏时间的关系,应变率和冰温对海冰抗压强度的影响,以及海冰生成环境对海冰抗压强度的影响。综合分析表明,三地破坏应力随破坏时间变化的整体趋势一致,应变率对三地海冰抗压强度有显著的影响,三地海冰抗压强度随温度降低总体有增大的趋势,冰龄、盐度、含沙量的差异是造成辽东湾东岸海冰抗压强度不同的主要原因。