渤海沿岸和船舶冰情調(diào)查中冰物理及單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試技術(shù)研究

江崇波, 郭可彩, 曹叢華, 李志軍

(1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266033; 2.國(guó)家海洋局 北海預(yù)報(bào)中心, 山東 青島 266033; 3.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024)

我國(guó)渤海冬季海冰給海上運(yùn)輸和相關(guān)海上結(jié)構(gòu)物的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。自20世紀(jì)初以來(lái)，渤海已發(fā)生過(guò)多次嚴(yán)重冰情。目前在全球變暖的形勢(shì)下，似乎冰情在減弱，但2009-2010年冬季渤海冰情為近30 a同期最重，給渤海沿岸地區(qū)造成超過(guò)60億元的直接經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。海冰與工業(yè)和漁業(yè)活動(dòng)的相互作用是產(chǎn)生災(zāi)害的根源[3]。就海冰作為海洋環(huán)境因子而言，海冰出現(xiàn)的時(shí)間、地點(diǎn)、厚度、強(qiáng)度等等行為決定冰作用力[4]。在近岸海冰冰情調(diào)查方面，國(guó)家海洋局有關(guān)單位擁有相當(dāng)?shù)膶?shí)力，北海分局所屬單位也發(fā)揮著核心作用并且也在海冰監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警方面為國(guó)家海洋局相關(guān)單位及渤海、黃海北部海區(qū)從事海洋生產(chǎn)活動(dòng)的各單位及時(shí)發(fā)布海冰預(yù)報(bào)、預(yù)警信息，為相關(guān)單位的防冰減災(zāi)工作提供理論依據(jù)；為近海工程設(shè)計(jì)提供冰設(shè)計(jì)參數(shù)和其它設(shè)計(jì)環(huán)境條件[5]。但北海分局所屬單位在渤海海上冰情現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查技術(shù)方面相對(duì)薄弱，特別是冰物理和力學(xué)性質(zhì)調(diào)查能力過(guò)去幾乎為零。近年來(lái)北海分局在國(guó)家海洋局的支持下，新購(gòu)置了海冰強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)和冰樣溫度、鹽度、密度等測(cè)試設(shè)備。這些設(shè)備同20世紀(jì)70～80年代發(fā)展的冰物理和力學(xué)性質(zhì)測(cè)試設(shè)備有了長(zhǎng)足的改進(jìn)[6]，增加了計(jì)算機(jī)記錄體系，密度傳感器測(cè)量，壓力機(jī)靈活機(jī)動(dòng)。保證了在現(xiàn)場(chǎng)沿岸和船舶調(diào)查時(shí)的可操作性。2010-2011年和2011-2012年冬季，在黃河口海域采集冰樣，開(kāi)展了冰物理和單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試，獲得了初步結(jié)果，積累了對(duì)冰密度和單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試技術(shù)的認(rèn)識(shí)。本研究對(duì)新型測(cè)試技術(shù)存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)并給出解決方法，它們能夠?yàn)槲磥?lái)沿岸，特別是船舶海冰物理和力學(xué)性質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查提供技術(shù)支持。

1 現(xiàn)場(chǎng)冰坯采集和冰樣加工

固定冰采樣時(shí)間一般為盛冰期。固定冰多數(shù)存在于港池，水灣，潮溝等平靜水體的地方。因?yàn)楣潭ū娣e較大，采集的冰坯只是其中的一小部分，因此需要從固定冰上取出從表到底的一大塊冰坯來(lái)。攜帶和方便使用的工具是鏈條鋸。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)鏈條鋸的操作優(yōu)于汽油鏈條鋸，但需要電源。實(shí)踐還發(fā)現(xiàn)，在冰面找一個(gè)地方，放置小型發(fā)電機(jī)很容易，布放電纜也不存在問(wèn)題。圖1是在固定冰面上采集冰坯的工作照。

由于固定冰不發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)，可以考慮冰晶體C-軸方向?qū)Ρ鶈屋S壓縮強(qiáng)度的影響?，F(xiàn)場(chǎng)采樣冰坯前用羅盤(pán)測(cè)定方向，然后用直尺劃線割取冰坯。為了解冰坯原始的物理結(jié)構(gòu)狀態(tài)，取冰坯時(shí)，還采集平整冰鹽度和密度垂直剖面試樣。

圖1從固定冰中切割冰坯Fig.1 Cutting ice blocks from fast ice

擱淺冰區(qū)域一般冰面濕滑且崎嶇不平，冰層厚度不均，并隱藏有大量縫隙，冰面隨時(shí)可能崩塌和漂移，冰上作業(yè)的安全系數(shù)較低。工作時(shí)需要戴好安全帶和安全繩；剛到冰面時(shí)，人員不要過(guò)于集中行走。岸邊凌亂堆積的擱淺冰大多暴露在空氣中，氣溫較低，冰質(zhì)地堅(jiān)硬。現(xiàn)場(chǎng)使用鎬頭、撬杠和電鏈條鋸就可以取得擱淺冰冰坯。

海上采集浮冰塊的工具是焊接長(zhǎng)約6 m，帶向前、向后和斜叉的鐵鉤以及網(wǎng)兜。網(wǎng)兜為粗約0.5 cm的尼龍網(wǎng)。為避免在船上作業(yè)時(shí)鐵鉤、網(wǎng)兜脫落，在鐵鉤、網(wǎng)兜長(zhǎng)柄端打眼系繩。人員作業(yè)時(shí)將系繩一端套于手臂。如果浮冰離開(kāi)船舶10 m左右，可以利用繩系三角鉤，往冰面投擲，輕輕地將冰移到長(zhǎng)柄斧頭可以操作的地方。繩子的一頭也需要系在某處。對(duì)于漂浮在海上的浮冰，采集的冰坯出水后，應(yīng)立即倒置冰坯，將其平放在冰面或器皿中，盡量減少冰內(nèi)鹵水的滲出。

將采集到的冰坯首先利用電鏈條鋸將外形修理平整，去掉冰坯上下底面不平整和含雜質(zhì)或者氣泡太多部分，保留質(zhì)地較為均勻部分待進(jìn)一步加工。利用電鋸再將冰坯切割成大約8×8×20 cm3的粗冰樣，如果實(shí)驗(yàn)的組數(shù)不多，采用刨刀片將粗冰樣修整為約7×7×17.5 cm3的精細(xì)冰樣(圖2)，盡量確保棱柱體對(duì)應(yīng)的面平行。有電源條件下，特別是針對(duì)大批量的冰樣加工和試驗(yàn)，使用細(xì)木工電鋸(圖3)或者鋸骨鋸做精加工。

圖2 用刨刀片修整冰樣Fig. 2 Reconditioning the ice samplewith a cutting blade

圖3 冰樣精加工用細(xì)木工鋸Fig. 3 The joinery saw used forrefining the ice sample

北海預(yù)報(bào)中心于2010年購(gòu)進(jìn)國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的冰密度量筒(圖4)和電動(dòng)液壓式SHS2-3型海冰壓力試驗(yàn)機(jī)(圖5)。密度量筒改進(jìn)為電測(cè)，自動(dòng)記錄，簡(jiǎn)化和觀測(cè)程序。冰壓力試驗(yàn)機(jī)主要由測(cè)控系統(tǒng)、油泵及油箱、傳感器、計(jì)算機(jī)處理終端和電控系統(tǒng)組成。電腦終端系統(tǒng)有壓力試驗(yàn)機(jī)配套程序，可以實(shí)時(shí)顯示加載過(guò)程和初步處理試驗(yàn)結(jié)果。在單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試前，再次精確測(cè)量精細(xì)冰樣的尺寸，輸入電腦的冰壓力試驗(yàn)采集記錄系統(tǒng)。

圖4 帶電測(cè)傳感器的冰密度量筒Fig. 4 The graduated cylinder with sensorsfor ice density measurement

圖5 SHS2-3型冰壓力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)Fig.5 The SHS2-3 ice pressure testingmachine and its record system

2 冰溫鹽密測(cè)試原理及注意事項(xiàng)

真正影響冰性質(zhì)的決定性因素是冰的相成分比例，而海冰孔隙率是表征海冰相成分比例的最佳指標(biāo)。然而決定海冰孔隙率的因子是冰溫度、鹽度和密度，其中冰溫度對(duì)相成分比例影響最大，因此它是孔隙率的控制指標(biāo)[7]。以往工程分析中，直接考慮使用峰值壓縮強(qiáng)度同海冰溫度的關(guān)系[8]或者同鹵水體積的關(guān)系，目前發(fā)展到使用它同孔隙率的關(guān)系[9-10]。

在試驗(yàn)時(shí)除注意冰溫測(cè)量，也特別關(guān)心記錄氣溫、水溫，甚至實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度。溫度測(cè)量技術(shù)比較成熟，沒(méi)有特殊要求。

以往試驗(yàn)結(jié)果利用鹵水體積來(lái)反映冰物理性質(zhì)對(duì)單軸壓縮強(qiáng)度的影響。如果冰內(nèi)孔隙基本被液態(tài)相充填，利用鹵水體積代表非純冰相是合適的。但是取樣時(shí)總會(huì)使冰樣內(nèi)液相成分排出，這時(shí)利用鹵水體積代表冰內(nèi)非純冰相就偏小[10]。如果采樣地點(diǎn)和時(shí)間不同，就很難對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果?？紫堵手笜?biāo)比較客觀，但要求有較高精度的鹽度測(cè)量。在此不建議使用手持式低精度的鹽度計(jì)，最好現(xiàn)場(chǎng)取樣，使用實(shí)驗(yàn)室鹽度計(jì)測(cè)量冰樣融水后的鹽度。

冰密度測(cè)試原理基于舒列金密度量筒和現(xiàn)代位移測(cè)試技術(shù)。新型密度量筒采用自動(dòng)化程度高的記錄方式，自動(dòng)計(jì)算和打印結(jié)果。

舒烈金密度量筒的工作原理在以前的《海洋調(diào)查規(guī)范》中說(shuō)明[11]，現(xiàn)行規(guī)范沒(méi)有這部分內(nèi)容[12]。其原理是將比重不同的兩種液體，即將一種的密度比海冰大(如蒸餾水)、另一種的密度比海冰小(如煤油)，先后倒入同一容器內(nèi)，待油、水完全分清穩(wěn)定后，將冰樣緩緩放入容器內(nèi)。當(dāng)海冰密度大時(shí)，海冰沉入水中的部分大、留在煤油中的部分則小；反之，冰塊沉入水中的部分小、留在煤油中的部分大。根據(jù)油、水液面的變化計(jì)算出海冰的密度。舒烈金密度量筒直徑一般為20～25 cm，在其側(cè)邊有上下錯(cuò)開(kāi)，刻有刻度的玻璃量筒管[11]。為了說(shuō)明原理，圖6給出示意圖。目前設(shè)備采用的是傳感器測(cè)液面變化，不需要玻璃管，也免去人工裸眼度數(shù)的偏差。

圖6 密度量筒測(cè)試原理示意圖Fig.6 Schematic diagram showing the principle of ice density measurementwith the graduated cylinder

密度測(cè)試冰樣視密度桶的容積和加入水和煤油的多少而定。實(shí)踐中，冰樣寧大勿小，試樣越小誤差越大。

海冰密度由式(1)確定：

ρ=ρ0(h2/h1)/(H2-H1)

(1)

式中,ρ為海冰密度(g/cm3)；ρ0為蒸餾水密度(g/cm3)；h1為放入冰塊前密度筒內(nèi)的水面高度(cm)；h2為放入冰塊后密度筒內(nèi)的水面高度(cm)；H1為放入冰塊前密度筒內(nèi)的油面高度(cm)；H2為放入冰塊后密度筒內(nèi)的油面高度(cm)。

盡管如此，密度量筒存在的誤差并不止來(lái)自測(cè)試技術(shù)，也來(lái)自密度測(cè)試技術(shù)本身。即有兩個(gè)問(wèn)題目前仍然沒(méi)有解決，一是冰塊在液體內(nèi)(舒列金密度量筒使用煤油)發(fā)生升溫融化；二是液體進(jìn)入冰內(nèi)貫通的鹵水和氣泡空隙，導(dǎo)致測(cè)量的體積偏小，冰表觀密度偏大。而且溫度越高，測(cè)量含氣泡冰的密度測(cè)量越偏高。針對(duì)上述缺陷和排液法對(duì)冰樣形狀要求不高的事實(shí)，大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正在探索新的方案。

3 海冰單軸壓縮強(qiáng)度測(cè)試

海冰單軸壓縮強(qiáng)度是目前測(cè)試較成熟的項(xiàng)目。北海預(yù)報(bào)中心已經(jīng)掌握了使用由國(guó)家海洋技術(shù)中心制作的冰壓力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，并在2010-2011和2011-2012年冬季獲得科學(xué)數(shù)據(jù)。

壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)前用砂紙研磨冰樣兩端，使兩個(gè)端面光滑平行，并保證兩端面與冰樣軸線垂直。為防止試驗(yàn)中冰樣滑動(dòng)影響測(cè)量結(jié)果，試驗(yàn)前在冰樣兩端與壓力試驗(yàn)機(jī)壓頭之間加墊一張防滑紙。對(duì)同一試驗(yàn)條件應(yīng)進(jìn)行3次以上有效試驗(yàn)，以便盡可能消除海冰天然材料內(nèi)隨機(jī)性缺陷帶來(lái)的影響。

材料的強(qiáng)度為材料開(kāi)始產(chǎn)生基本破壞時(shí)的應(yīng)力。由于海冰為冰-鹵水-氣混合物，在荷載增加的同時(shí)內(nèi)部的缺陷也開(kāi)始發(fā)展，直到最后破碎。海冰單軸壓縮強(qiáng)度是用荷載-時(shí)間曲線上最大荷載(破壞荷載)除以冰樣的橫截面面積得到，即圖7的破壞荷載除以冰樣的橫截面積。

圖7 飛雁灘冰樣加載過(guò)程荷載歷程曲線Fig. 7 The load course of a Feiyantanice sample during loading process

圖8 飛雁灘冰樣加載過(guò)程位移歷程曲線Fig.8 The displacing course of a Feiyantanice sample during loading process

(2)

式中，R為抗壓強(qiáng)度(MPa)；P為極限荷載(N)；A為受壓面積(mm2)。

ΔL/t/L

(3)

每一試樣在加載過(guò)程中可以獲得一組位移-時(shí)間過(guò)程線和應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程線。由于冰樣端面積和高度的差異，圖7的曲線不能直接比較，對(duì)應(yīng)每一加載試樣的應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程線是客觀的，相同試驗(yàn)溫度不同應(yīng)變速率下得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線不同，這是冰特有的力學(xué)行為。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以反映出冰的脆性破壞特征；韌脆過(guò)渡破壞特征；韌性破壞特征；蠕變破壞特征。

由圖7和圖8試驗(yàn)曲線可知，記錄的荷載曲線有50 kgf的波動(dòng)；位移曲線有0.6 mm的波動(dòng)；導(dǎo)致單軸壓縮強(qiáng)度有15%的波動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的限制，這些“噪音”不可避免，但為了減少“噪音”，試驗(yàn)所用力傳感器最好有接地線并避免在強(qiáng)磁場(chǎng)的地方附近做試驗(yàn)。位移傳感器量程要盡可能小，如果將本試驗(yàn)機(jī)量程±10 cm位移傳感器改為量程±1 cm的傳感器，分辨和精度均能提高一個(gè)量級(jí)的精度，即波動(dòng)由現(xiàn)在的0.6 mm減少到0.06 mm。

4 討 論

1)海冰溫度、鹽度和密度對(duì)單軸壓縮強(qiáng)度有顯著影響，以往關(guān)注冰樣鹵水體積的影響。由于孔隙率是更合理的物理指標(biāo)，因此冰樣的密度測(cè)量成為關(guān)鍵。新設(shè)備采用傳感器代替原來(lái)人工裸眼觀測(cè)，提供了操作的方便性和準(zhǔn)確性。但是為了保證海冰的密度測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，放試樣時(shí)一定要輕，不要引起油-水混合，另外為了避免煤油滲入冰內(nèi)的影響，測(cè)試的越快，數(shù)據(jù)越正確。另外，由于冰溫仍然是影響冰力學(xué)行為的關(guān)鍵指標(biāo)，加之現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試處于非恒溫環(huán)境，試驗(yàn)需要在測(cè)量冰溫同時(shí)，盡可能也要記錄氣溫，水溫和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度。

2)新型冰壓力試驗(yàn)機(jī)增加了自動(dòng)化程度，但實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)存在力和位移數(shù)據(jù)波動(dòng)。因此試驗(yàn)選擇場(chǎng)地時(shí)，首先檢查附近有無(wú)磁場(chǎng)干擾，其次考慮給荷載傳感器和記錄儀器的接地線連接；對(duì)于位移傳感器，期望改變安裝方式和選用小量程的傳感器，以便提高傳感器的精度。

3)為了未來(lái)船舶調(diào)查中開(kāi)展冰物理和力學(xué)性質(zhì)測(cè)量，試驗(yàn)機(jī)本身增加了機(jī)動(dòng)性，方便船上和船下的搬運(yùn)。實(shí)踐中要對(duì)冰壓機(jī)的油管給予保護(hù)，防止在工作中漏油。

4)針對(duì)同一地區(qū)不同冬季的連續(xù)海冰物理和力學(xué)性質(zhì)測(cè)量是很有必要的。在有良好實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)，要增加對(duì)冰內(nèi)部組構(gòu)的觀測(cè)。

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