大顆粒柱狀淡水冰無側(cè)限剪切強度及其影響因素

韓紅衛(wèi)++黃文峰++賈青

摘要：[HJ]針對大顆粒柱狀冰無側(cè)限剪切強度同加載方向、加載應變速率和冰樣溫度有關，在加載應變速率500×10-5/s～500×10-2/s區(qū)間內(nèi)、試驗溫度分別為-05 ℃、-2 ℃、-5 ℃和-10 ℃、進行兩個加載方向分別為垂直加載（加載力平行于晶體生長方向）和水平加載（加載力垂直于晶體生長方向）的無側(cè)限剪切試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在既定試驗條件下，剪切強度隨著溫度和應變速率的減小有增大趨勢；比較兩個加載方向剪切強度可知，在-5 ℃和-10 ℃條件下力學性質(zhì)的各向異性更為明顯，而在-05 ℃和-2 ℃時兩個加載方向剪切強度相差不大；另外在氣泡含量小于865%情況下，冰內(nèi)氣泡含量對大顆粒柱狀冰剪切強度影響不大。

關鍵詞：剪切強度；溫度；應變速率；各向異性；淡水冰

中圖分類號：P332.8，TV211.2文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2016）06006206

[HJ1.8mm]Study on the unconfined shear strength of large columnargrained freshwater ice and its influential factors

HAN Hongwei1，HUANG Wenfeng2，JIA Qing3，LI Zhijun1

（1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.School of Environmental Science and Engineering，Chang′an University，Xi′an 710054，China；3.College of Water Conservancy and Hydropower，Heilongjiang University，Harbin 150086，China）

Abstract：[JP2]Considering that the unconfined shear strength of large columnargrained freshwater ice is associated with loading directions，loading strain rate and temperature，we conducted the unconfined shear test at the temperature of -0.5 ℃，-2 ℃，-5 ℃，-10 ℃ and strain rates of 5.0×10-5/s to 5.0×10-2/s.Two loading modes were used in our test：vertical loading （the loading force was parallel to the crystal growth direction） and horizontal loading （the loading force was perpendicular to the crystal growth direction）.The experimental results showed that （a） the shear strength increased with the decrease of temperature and strain rate under the given experimental conditions；（b） comparison of shear strength under the two loading directions showed that the anisotropy of mechanical properties was more obvious at the temperature of -5 ℃ and -10 ℃，and the shear strength under the two loading directions had no visible distinction at the temperature of -0.5 ℃ and -2 ℃；and （c） there was no significant correlation between the shear strength and gas bubble content when the gas bubble content was less than 8.65%.

Key words：shear strength；temperature；strain rate；anisotropy；freshwater ice

人類在高緯度和高海拔地區(qū)生活與生產(chǎn)活動中會遇到與冰有關的問題，促使我們對冰開展探索和研究。對冰的認識不但要從生消過程把握，還要對冰自身的物理力學性質(zhì)重點突破，其中冰的力學性質(zhì)研究意義廣泛，一方面冰可以作為一種材料加以利用，如研究冰層厚度以及冰強度可以服務于冬季臨時交通，如冰上汽車通行和冰上飛機起降[1]；另一方面，冰作為一種災害要加以防范，如冰區(qū)河岸護坡結(jié)構設計[2]、南水北調(diào)輸水工程[34]都要進行抗冰設計。結(jié)構物與冰相互抵抗作用時，只有當結(jié)構物的設計強度高于冰的作用力才不至于發(fā)生結(jié)構物破壞，我們希望發(fā)生的是冰的破碎破壞，而非結(jié)構物的破壞。所以在結(jié)構物的設計前詳細了解冰的自身力學性質(zhì)至關重要。

抗冰結(jié)構物與冰的作用是一個復雜的過程，冰荷載作用于結(jié)構物的過程非單一的加載模式，而是多層次非連續(xù)的力學加載過程[5]，在作用過程中冰的彎曲破壞、剪切破壞、壓縮破壞都有可能發(fā)生。國內(nèi)外對淡水冰的壓縮和彎曲力學性質(zhì)的研究較多[39]，淡水冰的剪切性質(zhì)的研究相對較少，需要更多的工作認識淡水冰剪切性質(zhì)。其中劉維波等[10]用扭轉(zhuǎn)試驗研究淡水冰的剪切強度及模量，對剪切強度隨剪應變速率的關系進行了研究，從扭轉(zhuǎn)試件斷口斜率角略大于45°，說明在剪應力應變呈線性關系情況下，冰的扭轉(zhuǎn)呈現(xiàn)脆性破壞。賈青等[11]使用無側(cè)限剪切方法對水庫淡水冰的剪切強度進行了研究，結(jié)果表明淡水冰剪切強度與加載方向、加載速率和冰溫度有關。相對淡水冰而言海冰的剪切性質(zhì)研究較多[1215]，李志軍等[16]對渤海S2型海冰側(cè)限剪切強度開展詳細研究，討論了加載速率、加載方向、側(cè)限應力、試樣溫度、鹽度和密度對剪切強度的效應，結(jié)果表明同試驗溫度時S2型海冰不同加載方向下峰值剪切強度差異不明顯。

總結(jié)前人對淡水冰和海冰剪切性質(zhì)研究經(jīng)驗，并結(jié)合試驗所用大顆粒柱狀冰特性，試驗采用無側(cè)限剪切方法，分析天然淡水冰剪切強度隨溫度、應力速率的變化規(guī)律；通過對淡水柱狀冰不同加載方向下剪切試驗研究，分析柱狀冰剪切性質(zhì)的各向異性；由于試驗冰樣氣泡含量在深度范圍內(nèi)變化較大，用冰樣分層試驗法分析氣泡對剪切強度的影響規(guī)律。

1現(xiàn)場觀測與試驗方法

1.1現(xiàn)場觀測

本文以位于哈爾濱市郊的黑龍江省水利科學研究院野外試驗站區(qū)（45°38′ N，126°22′ E）內(nèi)的靜止水體凍結(jié)形成的淡水冰為研究對象開展剪切強度研究。其中冬季現(xiàn)場觀測包含冰厚和冰/水溫，現(xiàn)場觀測開始于2011年10月份，結(jié)束于2012年4月份。圖1給出了日平均氣溫和冰厚歷時曲線，根據(jù)觀測結(jié)果可知，入冬后氣溫迅速降低，在冬季的12月至次年2月的3個月期間氣溫持續(xù)保持在0 ℃以下，進入3月份后氣溫開始回暖。在冰層形成的前兩個月沒有強烈大風發(fā)生，風速主要為小于5 m/s，風向以南風和偏東南風為主（圖2）。2011年-2012冬季冰凍度日數(shù)為1 780 ℃·d，冰層形成于11月初，結(jié)冰初期冰層出現(xiàn)夜凍明消現(xiàn)象，2012年2月27號冰厚達到最大值102 cm。

1.2冰內(nèi)部結(jié)構

一般冰樣從冰層分離后冰樣內(nèi)溫度與氣溫溫差較大，在溫度應力的作用下短時間內(nèi)冰樣會產(chǎn)生大量裂縫。所以力學冰樣的采集要注意低氣溫對冰樣的影響，建議野外力學冰樣采集時最好選擇氣溫不是太低的某一日，或者在中午前后采集。本文試驗所用力學試樣采集于2011年12月19日，冰厚41 cm，采集后的冰樣運回實驗室低溫存放。

剪切試驗設計需要依據(jù)冰內(nèi)部結(jié)構開展，所以首先需要對冰物理性質(zhì)（此處主要包括冰晶體結(jié)構、氣泡含量和密度）開展調(diào)查。隨機選取一豎直且上下完整冰樣做冰切片，從所選冰樣分別鋸下三根完整的10 cm×10 cm×冰厚的上下通長的完整冰樣，剩余冰樣保存以備用。切下的三根冰樣分別用作冰晶體垂直切片觀測、水平切片觀測和密度分析。切片時把所切冰薄片一面研磨平整貼到溫度稍高于0 ℃的玻璃片，玻璃片溫度不能過高，冰片與玻璃片貼合緊密且中間無氣泡時為貼片成功。貼片成功待冰切片與玻璃片凍結(jié)牢固后，用刨刀或玻璃片小心刮平至切片厚度至05 mm左右[17]。待所有冰切片制作完后即可在黑暗環(huán)境中將制作好的冰切片置于費式臺下拍照。圖3給出了冰內(nèi)氣泡宏觀照片和冰晶體照片。分析垂直切片和水平切片的冰晶體，發(fā)現(xiàn)在整個深度范圍內(nèi)冰由柱狀冰晶體組成，晶體粒徑隨著深度的增加而增大；水平切片顯示在 05 cm深度處晶體平均粒徑為83 cm，如此大粒徑冰晶體與成冰氣象條件有關。根據(jù)生長類型冰可以分為原生冰、次生冰和疊加冰。其中原生冰內(nèi)部結(jié)構與結(jié)冰時的氣象條件和水動力條件有關[18]。一般在風平浪靜條件下凍結(jié)形的原生冰晶體結(jié)構主要為垂直C軸取向的晶體[19]，而次生冰的生長又受到原生冰晶體結(jié)構控制。根據(jù)現(xiàn)場氣象條件顯示，在原生冰形成期（11月1號到11月6號期間）近乎無風（圖2），凍結(jié)初期的快速降溫和無風條件是導致大顆粒柱狀冰形成的主要原因。雖然此處觀測到的淡水冰晶體尺寸相對其他學者研究中報道的要大很多[2021]，但Iliescu[22]在研究天然淡水冰亦采集到粒徑大于10 cm的柱狀冰。

1.3試驗方法

根據(jù)晶體分析可知，在整個深度范圍內(nèi)冰晶體類型為單一的柱狀冰，力學冰樣的加工無需考慮冰晶類型（粒狀冰和柱狀冰）對試驗結(jié)果的影響。由于試樣在深度范圍內(nèi)氣泡含量變化較大，為了探究冰內(nèi)氣泡是否對淡水冰剪切性質(zhì)有影響，在此對冰樣在深度范圍內(nèi)分四層加工試件，每層對應冰厚度區(qū)間分別為，第一層：0～16 cm，第二層：16～24 cm，第三層：24～32 cm，第四層：32～40 cm。其中第一層氣泡含量最少，往下每層試樣氣泡含量逐漸增加。試樣尺寸均為10 cm×7 cm×7 cm，剪切面面積為49 cm2。設計試驗溫度分別為-05 ℃、-2 ℃、-5 ℃和-10 ℃。

[JP2]常用的萬能壓力試驗機難以滿足冰無側(cè)限剪切試驗，本試驗采用大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室自行研制的電動液壓式冰壓力試驗機（圖4），其額定推力為1045 kN，試驗臺剛度足夠大，試驗時試驗臺自身變形遠小于冰試樣變形，能夠達到冰力學試驗要求。該壓力試驗機的機油泵與試驗臺彼此獨立，當試驗臺直立時，可以開展單軸壓縮試驗和三點彎曲試驗；當試驗臺平躺時可以進行無側(cè)限剪切試驗、低速摩擦試驗和凍結(jié)附著試驗。試驗機具有很強的機動性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)了多功能的目的。

柱狀冰晶體是垂直向下生長，晶體長軸方向沿豎直方向分布。柱狀冰的晶體結(jié)構決定了其力學性質(zhì)的各向異性[16]，采用不同的加載方式可以對其力學性質(zhì)的各向異性有效的研究。試驗采用兩種加載方式：垂直加載（A型）和水平加載（B型） （詳見圖5）。垂直加載時加載力平行于晶體生長方向，剪切破壞面沿柱狀冰晶粒長軸發(fā)生滑移；水平加載時加載力垂直于晶體生長方向，滑移面垂直于柱狀冰晶粒長軸方向。

無側(cè)限剪切強度根據(jù)公式（1）計算，為極限剪切力與試樣剪切面積的比值。加載應變速率根據(jù)公式（2）計算，得到的實際為平均應變速率。

σs=[SX（]Pmax[]bh[SX）][JY]（1）

[AKε·D]=[SX（]ε[]t[SX）][JY]（2）

[JP3]式中：Pmax為試樣破壞時最大剪切力；b為試樣寬度；h為試樣長度；[AKε·D]為平均應變速率（s1）；ε為極限應變；t為試樣加載歷時（s）。圖6給出了在試驗溫度為-2 ℃，應變速率為237×10-4/s時的剪切應力應變曲線。

2結(jié)果與分析

試驗中只涉及到單一位置點的大顆粒柱狀冰，且試樣尺寸與晶體尺寸屬于同一量級，在此不討論晶體大小對剪切強度的影響；由于柱狀冰力學性質(zhì)具有各向異性，在此需要討論加載方向?qū)羟袕姸鹊挠绊?。除此之外還對溫度、氣泡含量和加載應變速率對大顆粒柱狀冰剪切強度的影響機制和規(guī)律進行討論與分析。

[BT（3]2.1[ZK（]應變速率、加載方向和溫度對剪切強度的影響[ZK）][BT）]

冰作為一種黏彈性材料，其力學性質(zhì)對加載應變速率非常敏感，一般隨著加載應變速率的變化存在韌脆轉(zhuǎn)變特性[2324]；冰同時作為一種溫度敏感性材料，其力學強度一般隨著冰溫度的降低而增強[25]。圖7給出了各試驗溫度下大顆粒狀冰（第一層）剪切強度隨應變速率的變化規(guī)律。由圖可見，-05 ℃和-2 ℃試驗溫度下剪切強度小于400 kPa；在應變速率300×10-4/s～200×10-3/s區(qū)間內(nèi)剪切強度達到極限值；當應變速率大于200×10-3/s時，剪切強度隨著加載應變速率增大而減小。當試驗溫度降低到-5 ℃以下時，極限剪切強度明顯增大超過400 kPa，極限剪切強度對應的加載應變速率相對-05 ℃和-2 ℃試驗溫度而言則有向低應變速率偏移趨勢。Pounder[25]給出淡水冰試樣尺寸大于5 cm和試驗溫度為-5 ℃時極限剪切強度約為700 kPa，此處得到-5 ℃時極限剪切強度要小于此數(shù)值。[HJ1.4mm]

[FL（K2][HJ2.38mm]圖8給出了剪切強度與溫度和應變速率的擬合關系圖，擬合所用數(shù)據(jù)包含兩個加載方向，適用于大顆粒柱狀冰溫度為-05 ℃到-10 ℃，加載應變速率在500×10-5/s～500×10-2/s區(qū)間內(nèi)?？芍S著溫度和應變速率的減小，剪切強度有增大趨勢。但是剪切強度不會隨著加載應變速率的減小而一直增大，當應變速率越過韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)間后，剪切強度會隨著應變速率的增大而減小，理論上在特別小的應變速率下剪切試樣可發(fā)生蠕變行為，此時剪切強度會明顯低于韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)間對應剪切強度。

[JP2]討論剪切強度對加載方向的響應需要消除加載速率對剪切強度的影響，在此對各組試驗剪切強度極大值區(qū)間內(nèi)取平均值，具體為在應變速率10-4/s～10-3/s區(qū)間內(nèi)剪切強度取平均值比較加載方向?qū)羟袕姸鹊挠绊?。圖9給出了第一層四個試驗溫度下不同加載方向剪切強度，可知-05 ℃和-2 ℃試驗溫度時兩個加載方向（垂直加載和水平加載）剪切強度變化不大，-5 ℃和-10 ℃水平加載剪切強度大于垂直加載。其中-5 ℃水平加載剪切強度比垂直加載剪切強度大363%（垂直加載剪切強度為342 kPa，水平加載剪切強度為466 kPa）；-10 ℃水平加載剪切強度比垂直加載剪切強度大499%（垂直加載剪切強度為351 kPa，水平加載剪切強度為526 kPa）。冰溫較高時（-05 ℃和-2 ℃）大顆粒柱狀冰兩種加載方式剪切強度各向異性不明顯，原因是接近或處于融化期的淡水冰晶體結(jié)構破壞，柱狀冰晶體疏松成為孤立條狀豎直分布，且冰晶強度低，冰體有整體向松散固體材料過度，剪切強度各向異性逐漸消失。

圖9[JP2]不同加載方向下大顆粒柱狀冰（第一層）剪切強度分布

Fig.9The shear strength of large columnargrained freshwater ice （first layer） under two loading modes at different temperatures （-0.5，-2，-5，and -10 ℃）

2.2氣泡含量對剪切強度的影響

海冰剪切性質(zhì)研究結(jié)果表明其剪切強度與冰內(nèi)孔隙率有關[26]，海冰孔隙率是包含氣泡含量和鹵水體積兩種參數(shù)。相對海冰而言，淡水冰內(nèi)部缺陷只有氣泡不包含鹵水部分，所以此處只需討論氣泡作為內(nèi)部缺陷對剪切強度的影響。從冰內(nèi)氣泡宏觀照片可以直接觀測到在0～10 cm深度范圍內(nèi)氣泡含量最低，隨著深度的增加，冰內(nèi)氣泡含量逐漸增多，同時伴隨有氣泡分層現(xiàn)象。根據(jù)冰切片分析冰內(nèi)氣泡含量，圖10給出了冰密度與冰內(nèi)氣泡含量隨深度的變化關系。分析結(jié)果可知冰內(nèi)氣泡含量隨著深度增加逐漸增大，其中最大含量氣泡含量為865%；由于冰密度受氣泡含量的影響，密度趨勢與氣泡含量趨勢相反，隨著深度的增加，冰密度逐漸減小，在0～15 cm深度范圍內(nèi)密度最大，約為0905 g/cm3，底層密度最小，約為0876 g/cm3。

圖11給出了試驗溫度為-2 ℃和-5 ℃時各層剪切強度（在應變速率10-4/s～10-3/s區(qū)間取平均值）變化規(guī)律?？芍獌煞N加載方式的剪切強度在冰層深度區(qū)間內(nèi)變化不大，但冰內(nèi)氣泡含量隨著深度增加逐漸增大，表明氣泡缺陷對剪切強度影響甚微。在分析S2型海冰側(cè)限剪切強度與孔隙率的關系時，發(fā)現(xiàn)峰值剪切強度隨著孔隙率的增大而減小[16]。而大顆粒柱狀冰剪切強度對氣泡含量（淡水冰內(nèi)部孔隙率最佳物理量）變化響應不顯著。Cole[21]在研究冰微觀結(jié)構及其對力學性能的影響中指出，多晶冰晶體邊界是位錯和裂紋開展的主要區(qū)域。如若氣泡分布于晶體邊界處將會進一步增大位錯和裂紋開展的可能性，進而起到削弱力學強度的作用。本試驗中試樣剪切面面積為49 cm2，根據(jù)晶體分析可知試樣中只包含1～2個晶體，而作為內(nèi)部缺陷的氣泡主要包裹在大顆粒柱狀冰晶體內(nèi)，剪切破壞時氣泡對強度的影響相對較小，試驗結(jié)果也證明了這點。但是當氣泡含量足夠大或者氣泡體積足夠大時，氣泡同樣會削弱大顆粒柱狀冰剪切強度。

3結(jié)論

通過對大顆粒柱狀冰無側(cè)限剪切試驗得出以下結(jié)論：（1）大顆粒柱狀冰溫度在-05 ℃ ～ -10 ℃區(qū)間，加載應變速率在500×10-5/s～500×10-2/s區(qū)間內(nèi)，剪切強度隨著溫度和應變速率的減小有增大趨勢；（2）大顆粒柱狀冰具有力學性質(zhì)的各向異性，溫度越低各向異性越明顯，其中-5 ℃和-10 ℃時水平加載剪切強度大于垂直加載，但是在-05 ℃和-2 ℃時兩個加載方向剪切強度相差不大；（3）比較-2 ℃和-5 ℃各層極限剪切強度知，在氣泡含量小于865%情況下，冰內(nèi)氣泡對大顆粒柱狀冰剪切強度影響不大。

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