海冰彎曲強(qiáng)度及其破壞過程的試驗(yàn)研究

孟丁丁，陳曉東，季順迎

（大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

不同海域的海冰受氣象、水文等環(huán)境因素的影響，其冰晶結(jié)構(gòu)、冰溫、鹽度和密度等各有不同，這些特征對(duì)海冰的彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)有很大影響（陳曉東等，2019；劉成等，2020；王慧等，2020）。在海冰與極地船舶、海洋平臺(tái)、斜面護(hù)坡等海洋工程結(jié)構(gòu)的相互作用中，海冰的破壞模式主要為彎曲破壞（Long et al，2020；Kujala，1996）。因此，海冰彎曲強(qiáng)度的試驗(yàn)確定對(duì)極地船舶與海洋工程的抗冰設(shè)計(jì)具有重要意義（Timco et al，2010；Ince et al，2017；Riska et al，2017；Wang et al，2017）。

冰載荷是影響極地船舶和海洋結(jié)構(gòu)安全與可靠性的主要環(huán)境載荷（薛彥卓等，2018；Kong et al，2020），可采用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究。冰荷載的大小、形式不僅與海洋結(jié)構(gòu)物的形狀、尺寸有關(guān)，同時(shí)還受海冰物理和力學(xué)特性的影響（季順迎等，2011）。因此，對(duì)于特定海域的海冰需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣和試驗(yàn)測(cè)試。目前，對(duì)于海冰彎曲的試驗(yàn)研究主要包括三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲以及懸臂梁試驗(yàn)，其中三點(diǎn)彎曲大多將冰樣取回并制備成試樣在室內(nèi)進(jìn)行，懸臂梁試驗(yàn)大多在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行（Han et al，2016；Timco et al，1994；Parsons et al，1992）。海冰溫度與鹵水體積呈線性關(guān)系（Croasdale et al，1997），并進(jìn)一步影響海冰的彎曲強(qiáng)度（王安良等，2016；Gagnon et al，1995），而鹵水體積和彎曲強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系（Timco et al，1990）。此外，應(yīng)變速率對(duì)海冰斷裂過程有顯著影響（孟廣琳等，1987；隋吉學(xué)等，1996；季順迎等，2014）。一般認(rèn)為，海冰的韌脆轉(zhuǎn)化特性主要發(fā)生于單軸壓縮試驗(yàn)條件下（岳前進(jìn)等，2005；李志軍 等，2011；Snyder et al，2016；陳曉東等，2018）。但也有研究表明，海冰的彎曲試驗(yàn)中也能體現(xiàn)其變形特性及破壞模式的差異（隋吉學(xué)等，1996）。在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)低加載速率下小尺寸海冰在破壞前隨著荷載增加表現(xiàn)出塑性特性，而高加載速率下則表現(xiàn)為彈性特性（Han et al，2016）。隋吉學(xué)等（1996）采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了渤海海冰的彎曲破壞形式，發(fā)現(xiàn)低加載速率下海冰主要產(chǎn)生韌性破壞。由此可見，海冰溫度、鹵水體積和加載速率均對(duì)海冰彎曲強(qiáng)度有顯著影響。然而，目前有關(guān)海冰彎曲破壞時(shí)的失效模式及其對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響尚未有深入研究的報(bào)道。

為此，本研究將通過渤海海冰的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，分析不同溫度下海冰的斷裂模式及其對(duì)海冰彎曲強(qiáng)度的影響，并進(jìn)一步討論海冰溫度及鹵水體積與彎曲強(qiáng)度的關(guān)系。

1 海冰試樣的現(xiàn)場(chǎng)采集及室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究渤海海冰的彎曲強(qiáng)度，本研究在遼東灣東部海域進(jìn)行海冰試樣的現(xiàn)場(chǎng)采集，并在不同溫度下開展海冰的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。

1.1 海冰試樣的現(xiàn)場(chǎng)采集

2020—2021 年冬季，本研究在遼東灣東岸（如圖1（a）所示，40毅07憶16義N，121毅57憶36義E）進(jìn)行了海冰現(xiàn)場(chǎng)試樣采集并進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。為保證得到表面光滑、雜質(zhì)少且物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的海冰試樣，本文在氣溫為原15～原10 益條件下進(jìn)行了海冰的現(xiàn)場(chǎng)采集。圖1（b）為海冰試樣的取樣點(diǎn)，其距離海岸線約50 m，水深在5 m 以上，冰厚為20 cm 左右。為便于試樣的運(yùn)輸與保存，對(duì)試樣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)切割，得到尺寸約為70 cm 伊50 cm 伊20 cm 的冰塊。海冰試樣的平均密度為907 kg/m3，平均鹽度為5.09‰。

圖1 遼東灣東岸海冰物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)量位置及現(xiàn)場(chǎng)取樣

1.2 海冰三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法

考慮到海冰與海洋結(jié)構(gòu)物作用過程中，海冰發(fā)生彎曲破壞的方向主要垂直于海平面，因此加工的海冰試樣長(zhǎng)軸平行于冰面，上側(cè)為海冰的上表面。為保證試驗(yàn)在不同溫度下進(jìn)行，試樣被分批次放置于冰箱內(nèi)，分別在原5 益、原10 益、原15 益、原20 益、原30 益和原35 益環(huán)境溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。在試樣破碎后，立即對(duì)試樣進(jìn)行鉆孔，量取試樣的核心溫度。

這里采用三點(diǎn)彎曲的試驗(yàn)方式測(cè)量海冰抗彎強(qiáng)度。將海冰試樣放置于自主研發(fā)設(shè)計(jì)的WDY-50 kN海冰力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)上，如圖2 所示。加載方向垂直于海冰平面，即沿著冰晶生長(zhǎng)的方向。試驗(yàn)前首先設(shè)定加載速率并測(cè)量海冰的密度，為消除加載速率的影響，本研究將試驗(yàn)機(jī)壓頭加載速率設(shè)為0.1 mm/s，試驗(yàn)后測(cè)得海冰的鹽度。

圖2 海冰力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)臺(tái)及三點(diǎn)彎曲加載示意圖

在海冰三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，在以設(shè)定的加載速率緩慢施加豎向載荷P 后，得到載荷隨時(shí)間的演化過程（圖3），并從中確定最大載荷Pmax，由此確定海冰的彎曲強(qiáng)度，即：

圖3 載荷隨時(shí)間演化示意圖

式中，L0為加載支撐點(diǎn)跨度，為500 mm；b 為試樣寬度，為55 mm；h 為試樣加載厚度，為80 mm；Pmax為試樣發(fā)生破壞時(shí)的最大載荷。

2 海冰彎曲試驗(yàn)中的破壞模式分析

自然形成的海冰含有鹵水、氣泡甚至泥沙等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)無法嵌入冰晶結(jié)構(gòu)，而是殘留在冰晶縫隙中形成微裂紋。在海冰彎曲試驗(yàn)中，海冰內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異會(huì)導(dǎo)致破壞模式不同。在外載荷作用下，海冰內(nèi)部微裂紋受力擴(kuò)展，最終形成不同的宏觀斷裂裂紋（陳曉東等，2018）。此外，加載速率對(duì)海冰彎曲強(qiáng)度的影響較大（隋吉學(xué)等，1996）。在高加載速率下，冰晶結(jié)構(gòu)的破壞較為徹底，可表現(xiàn)出脆性材料特性；在低加載速率下，海冰的黏性性質(zhì)使其表現(xiàn)出較強(qiáng)的韌性特性。為消除加載速率的影響，本文將加載速率設(shè)為0.1 mm/s，主要分析溫度或鹵水體積對(duì)海冰彎曲強(qiáng)度的影響，并重點(diǎn)關(guān)注海冰試樣斷裂時(shí)的破壞模式及其對(duì)海冰彎曲強(qiáng)度的影響。

2.1 海冰彎曲試驗(yàn)中的應(yīng)力演化特性

在試驗(yàn)機(jī)壓頭加載速率為0.1 mm/s 的條件下，對(duì)鹽度S = 5.1‰的海冰試樣，首先取保存溫度為T=-30 益下的試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)后測(cè)得溫度T=-27.2 益，其所對(duì)應(yīng)的鹵水體積為vb=11.94‰，由此采用式（1）可得到彎曲應(yīng)力的演化過程，如圖4（a）所示，其在t = 6.26 s 時(shí)彎曲強(qiáng)度為 滓f =1.30 MPa。對(duì)具有相同密度和鹽度的海冰試樣，試樣溫度為T = -16.8 益時(shí)測(cè)得應(yīng)力演化過程如圖4（b）所示，其在t=4.94 s 時(shí)的彎曲強(qiáng)度為滓f=0.67 MPa。當(dāng)溫度為T = -10.0 益時(shí)，測(cè)量得到的應(yīng)力演化過程如圖4（c）所示，其在t=6.20 s 時(shí)彎曲強(qiáng)度為滓f=0.38 MPa。

圖4 不同溫度下海冰三點(diǎn)彎曲的應(yīng)力演變時(shí)程

從以上測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，T=-27.2 益時(shí)的海冰彎曲強(qiáng)度要明顯高于T =-10.0 益和T =-16.8 益時(shí)的彎曲強(qiáng)度。此外，從彎曲應(yīng)力的時(shí)程上看，在T=-27.2 益時(shí)，彎曲應(yīng)力達(dá)到其峰值滓f 后突降為0，這表明海冰試樣的斷裂會(huì)瞬時(shí)完成。然而，在T=-16.8 益時(shí)，彎曲應(yīng)力達(dá)到峰值滓f 后瞬間下降，但并未降到0，而是從較小的值繼續(xù)緩慢下降直至接近于0。當(dāng)T=-10.0 益時(shí)，彎曲應(yīng)力達(dá)到峰值滓f后緩慢下降，而呈現(xiàn)出軟化特性，這表明海冰試樣的斷裂過程會(huì)有一個(gè)持續(xù)時(shí)間。為分析不同溫度下海冰發(fā)生彎曲破壞的原因，下面從海冰試樣的彎曲破壞模式上進(jìn)行討論分析。

2.2 海冰脆性破壞時(shí)的斷裂模式分析

為便于觀察海冰在彎曲試驗(yàn)中的裂紋形狀，采用高速攝像機(jī)重點(diǎn)觀測(cè)圖5（a）中壓頭附近的區(qū)域。對(duì)于圖4（a）所示的海冰溫度T=-27.2 益的情況，圖5（b）—（d）給出了加載過程中海冰試樣在不同時(shí)刻的裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。圖5（b）為海冰試樣在未加載時(shí)的初始狀態(tài)，受到鹵水、氣泡和雜質(zhì)的影響，海冰試樣內(nèi)部隨機(jī)分布有不規(guī)則的微裂紋缺陷。從圖4（a）所示的應(yīng)力時(shí)程曲線可以看出，在加載初期，由于海冰試樣所受載荷較小，不足以破壞冰晶之間作用力，應(yīng)力的增長(zhǎng)速率比較緩慢。

隨著應(yīng)力的增加，這些微裂紋缺陷密集的部位首先受拉擴(kuò)展，并在試樣底部形成初始宏觀裂紋。海冰試樣在彎曲狀態(tài)下，萌生的裂紋尖端無位錯(cuò)鈍化作用，其擴(kuò)展匯合較為迅速，因而形成一條完整而光滑的宏觀裂紋，如圖5（c）所示。此時(shí)，海冰試樣表現(xiàn)出彈性材料的力學(xué)特性，并在t= 6.26 s時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值。隨著加載的進(jìn)行，宏觀裂紋迅速擴(kuò)展直至貫穿整個(gè)試樣，海冰試樣伴隨著清脆的斷裂聲而發(fā)生完全的脆性斷裂，如圖5（d）所示。

圖5 海冰彎曲試驗(yàn)中的脆性斷裂過程

為描述海冰試樣脆性斷裂的破壞特征，將相關(guān)物理參數(shù)及破壞彎曲強(qiáng)度列于表1。圖6 給出了裂紋呈直線斷裂位置處于加載點(diǎn)、裂紋呈直線斷裂位置處于加載點(diǎn)旁、裂紋呈曲線斷裂位置處于加載點(diǎn)、裂紋呈曲線斷裂位置處于加載點(diǎn)旁等脆性破壞的破壞模式。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，斷裂位置均處于試樣中部，但由于海冰的鹵水、氣泡等不均勻性和試樣溫度的差異以及試樣中初始裂紋萌生位置的不同，導(dǎo)致試樣斷裂的擴(kuò)展路徑有所不同，并表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性。但這些破壞模式均有一個(gè)共同特點(diǎn)，即應(yīng)力達(dá)到最大值后，海冰試樣迅速斷裂，裂紋從試樣底部直接貫穿至上表面，并形成一條完整的直線（如試樣1#和2#）或曲線（如試樣3#—6#）。

表1 海冰彎曲試驗(yàn)中脆性破壞的主要參數(shù)

圖6 脆性破壞海冰試樣的最終破壞狀態(tài)

2.3 海冰韌性破壞時(shí)的斷裂模式分析

韌性表征了材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。海冰材料內(nèi)的冰晶結(jié)構(gòu)具有黏性特質(zhì)，在海冰彎曲斷裂過程中會(huì)吸收能量并限制宏觀裂紋的擴(kuò)展，其應(yīng)力演變時(shí)程曲線圖中應(yīng)力達(dá)到最大值后緩慢下降，從而呈現(xiàn)出韌性破壞行為。本文對(duì)海冰的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，海冰發(fā)生韌性破壞主要表現(xiàn)為以下兩種形式。

第一種是在應(yīng)力達(dá)到峰值后，在初始裂紋的基礎(chǔ)上，海冰試樣從底部開始斷裂，如圖7（a）—（c）所示。隨著應(yīng)力的繼續(xù)增加，海冰冰晶連接部分逐漸損傷，但未引起試件由下至上的瞬間破壞，而是在主裂紋附近萌生出諸多細(xì)小裂紋并阻礙主裂紋的擴(kuò)展，從而導(dǎo)致應(yīng)力降低緩慢和試樣的漸進(jìn)破壞。

圖7 海冰彎曲試驗(yàn)韌性斷裂粗糙型裂紋生成過程

第二種是在應(yīng)力達(dá)到峰值后，海冰試樣沿著初始裂紋在底部開始斷裂，如圖8（a）—（c）所示。首先在較短時(shí)間形成一小段主裂紋，然后在主裂紋附近產(chǎn)生一個(gè)新的次生裂紋。隨著應(yīng)力的持續(xù)增加，海冰試樣的次生裂紋逐漸擴(kuò)展。此時(shí)冰晶之間仍有一定連接強(qiáng)度，導(dǎo)致應(yīng)力緩慢降低，最終形成由兩條裂紋構(gòu)成的斷裂破壞。

圖8 海冰彎曲試驗(yàn)韌性斷裂兩條裂紋生成過程

以第一種破壞模式為例，海冰在彎曲試驗(yàn)中的應(yīng)力時(shí)程曲線如圖4（c）所示。在0.00～6.20 s 內(nèi)，應(yīng)力隨時(shí)間呈線性增加。與海冰的脆性破壞不同，海冰在韌性破壞過程中的應(yīng)力達(dá)到峰值后，海冰試樣中未出現(xiàn)從底部直接瞬間貫穿于頂部的斷裂現(xiàn)象。因此，應(yīng)力也逐漸降低。

圖9 給出了6 組海冰在韌性彎曲破壞中的斷裂模式，相關(guān)物理試驗(yàn)參數(shù)及彎曲強(qiáng)度列于表2 中。由于海冰內(nèi)部初始微裂紋的不同，應(yīng)力達(dá)到最大值后裂紋出現(xiàn)的位置也存在一定的差異。該隨機(jī)性與海冰的脆性斷裂類似。韌性斷裂破壞產(chǎn)生裂紋，此時(shí)裂紋分為兩種狀態(tài)繼續(xù)擴(kuò)展，形成如圖9 中試樣8#、9#和12#所示的粗糙型裂紋以及如圖9 中試樣10#、11#和13#所示的主次型裂紋，而相應(yīng)的加載時(shí)間也比發(fā)生脆性斷裂的時(shí)間稍長(zhǎng)。

圖9 海冰彎曲試驗(yàn)韌性斷裂破壞最終裂紋狀態(tài)

表2 海冰彎曲試驗(yàn)中韌性破壞的主要參數(shù)

2.4 海冰二次破壞時(shí)的斷裂模式分析

本文試驗(yàn)采集的平整冰生長(zhǎng)周期較短，在初期以降雪或凝結(jié)核的方式形成具有顆粒狀的表層后，以柱狀冰結(jié)構(gòu)逐漸向下穩(wěn)定生長(zhǎng)。海冰在最初生成后，海冰上表面溫度與外部氣溫接近而呈現(xiàn)較低水平，海冰下表面溫度較高，在豎直方向形成了一定的溫度梯度。導(dǎo)致海冰形成后內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的差異，海冰由下至上冰晶結(jié)構(gòu)固化程度逐漸增強(qiáng)。在原15 ～原10 益溫度范圍內(nèi)，海冰彎曲試驗(yàn)過程沒有直接斷裂貫穿于整個(gè)試樣，而出現(xiàn)韌性破壞和二次破壞的斷裂模式。

對(duì)二次斷裂模式從破壞過程的應(yīng)力時(shí)程曲線進(jìn)行分析，如圖4（b）所示。在0.00～4.94 s 內(nèi)，應(yīng)力呈線性增加至最大值滓f。繼續(xù)加載后海冰試樣底部首先受拉破壞，裂縫瞬間蔓延至接近上表面，于4.94～5.01 s 內(nèi)完成初次破壞。由于接近上表面部分冰晶結(jié)構(gòu)的固化程度較強(qiáng)，此時(shí)海冰試樣接近上表面部分未完全斷裂，還有一定的粘結(jié)強(qiáng)度。形成上部未破壞，下部裂紋呈一條直線的斷裂狀態(tài)，如圖10（a）—（b）所示。

隨著加載的進(jìn)行，試樣的宏觀裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，此時(shí)較小的應(yīng)力值隨時(shí)間以較慢的速率減小，直至接近于0，試樣完全斷裂。并未出現(xiàn)明顯的脆性或韌性斷裂模式，而是形成一條下部平滑上部粗糙的裂紋，如圖10（c）所示，呈現(xiàn)出二次破壞的斷裂模式。

對(duì)二次破壞的斷裂模式作進(jìn)一步分析，將海冰試樣的相關(guān)參數(shù)列于表3 中。圖11 給出了6 組二次破壞模式的最終裂紋狀態(tài)。與脆性破壞、韌性破壞類似，海冰初始微裂紋的分布導(dǎo)致了斷裂位置的差異。試樣在發(fā)生二次破壞過程中，試樣受拉首次破壞形成與脆性斷裂相似的光滑裂紋，但未貫穿于整個(gè)試樣。在試樣發(fā)生第二次破壞后，試樣靠近上表面的部分形成與韌性破壞類似的粗糙裂紋。

表3 海冰彎曲試驗(yàn)中二次破壞的主要參數(shù)

圖11 海冰彎曲試驗(yàn)二次斷裂破壞最終裂紋狀態(tài)

3 海冰破壞模式對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響

海冰在彎曲試驗(yàn)中的破壞模式對(duì)其彎曲強(qiáng)度有顯著影響。下面結(jié)合海冰彎曲應(yīng)力原位移的關(guān)系分析不同破壞模式下海冰的彎曲強(qiáng)度分布規(guī)律。

3.1 應(yīng)力-位移曲線分析

海冰彎曲試驗(yàn)中位移與應(yīng)力的關(guān)系曲線可以反映斷裂破壞模式。圖12 給出了部分試樣應(yīng)力隨位移的變化曲線，發(fā)生脆性破壞的試樣中，在彈性變形階段，應(yīng)力隨位移線性增加，海冰試樣在斷裂瞬間應(yīng)力下降較快，呈現(xiàn)脆性破壞特征，彎曲強(qiáng)度在0.75～1.54 MPa 之間。發(fā)生韌性破壞試樣的海冰應(yīng)力-位移曲線中，應(yīng)力隨位移的增加達(dá)到最大值后呈較為緩慢的下降趨勢(shì)，海冰試樣呈現(xiàn)韌性破壞特征，彎曲強(qiáng)度在0.28～ 0.45 MPa 之間。如圖中二次破壞試樣所示，應(yīng)力隨位移增加到最大后急劇下降，這與脆性破壞特征類似。但應(yīng)力并未下降為0，而是處于較小值以較慢的速度繼續(xù)減小至接近于0，呈現(xiàn)出二次破壞的特征。彎曲強(qiáng)度在0.45～0.67 MPa 之間。

圖12 海冰彎曲試驗(yàn)的應(yīng)力-位移曲線

3.2 海冰溫度及鹵水體積對(duì)彎曲破壞模式的影響

海冰溫度的變化將直接導(dǎo)致鹵水體積的變化，因而會(huì)對(duì)海冰試樣的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生直接的影響。為此，本研究開展了不同溫度梯度的海冰彎曲試驗(yàn)，以研究海冰溫度對(duì)斷裂模式的影響。在試驗(yàn)過程中，每個(gè)試樣加載完成后立即測(cè)量其溫度并記錄，計(jì)算得到不同溫度下的位移-應(yīng)力曲線，如圖13 所示。綜合脆性斷裂、韌性斷裂和二次斷裂破壞模式來看，溫度低時(shí)冰晶固化，海冰試樣強(qiáng)度增大，因而溫度越低彎曲強(qiáng)度越大。

圖13 海冰彎曲試驗(yàn)不同溫度的應(yīng)力-位移曲線

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)T 和滓f 的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)T 和 滓f呈線性關(guān)系（張明元 等，1993；Blanchet et al，1997）。將本試驗(yàn)中所有試樣的溫度-彎曲強(qiáng)度關(guān)系繪制如圖14，并擬合得到：

圖14 海冰溫度對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響

式中，滓f 的單位為MPa，T 的單位為益。

從彎曲試驗(yàn)的斷裂模式分析，海冰發(fā)生韌性破壞和脆性破壞的溫度有明顯不同，當(dāng)發(fā)生脆性破壞時(shí)，溫度為原35～原15 益，處于較低水平。而在原15～原10 益時(shí)，大部分海冰試樣發(fā)生韌性破壞，二次破壞的海冰溫度則處于原20～原5 益，與韌性、脆性破壞的溫度均有交叉。三種破壞模式的彎曲強(qiáng)度呈明顯的階梯分布，海冰發(fā)生脆性破壞時(shí)的彎曲強(qiáng)度高于另外兩種破壞模式的彎曲強(qiáng)度，韌性破壞的彎曲強(qiáng)度最小。

本文進(jìn)一步研究了彎曲強(qiáng)度與鹵水體積的關(guān)系，繪制于圖15 中。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同破壞模式下試樣鹵水體積分布差異較為明顯，脆性破壞的鹵水體積均低于20‰。韌性破壞與二次破壞的鹵水體積呈現(xiàn)交叉，韌性破壞試樣的鹵水體積基本分布于20‰～30‰之間，但也有二次破壞模式出現(xiàn)。而當(dāng)鹵水體積高于30‰時(shí)，海冰試樣表現(xiàn)為二次破壞。

圖15 海冰鹵水體積對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響

鹵水體積對(duì)彎曲強(qiáng)度有著較為顯著的影響，且在國內(nèi)外學(xué)者的研究中也是重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。Timco 等（1994）將得到的彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理發(fā)現(xiàn)，海冰彎曲強(qiáng)度和鹵水體積的平方根呈負(fù)指數(shù)關(guān)系：

式中，滓f為海冰彎曲強(qiáng)度（MPa），vb為海冰鹵水體積（‰），其可寫作（Frankenstein et al，1967）：

其中S 為海冰鹽度（10-3），T 為海冰溫度（益）。

本文根據(jù)渤海海冰現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合國內(nèi)外海冰彎曲強(qiáng)度與鹵水體積平方根的關(guān)系，將結(jié)果繪制于圖16 中?？傮w來看，海冰的彎曲強(qiáng)度隨鹵水體積平方根的增大呈負(fù)指數(shù)減小，且呈現(xiàn)明顯的離散性。

圖16 海冰彎曲強(qiáng)度與鹵水體積平方根的關(guān)系

圖中的黑線為Timco 等（1994）總結(jié)的海冰彎曲強(qiáng)度與鹵水體積的平方根負(fù)指數(shù)關(guān)系曲線，Tabata 等（1975）以及本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)均分布于曲線附近。這表明彎曲試驗(yàn)的彎曲強(qiáng)度與鹵水體積關(guān)系的一致性，也說明本試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)的可靠性。將本試驗(yàn)中的彎曲強(qiáng)度值與Timco 等（1994）國外研究學(xué)者的結(jié)果相比，由于渤海淡水注入導(dǎo)致海冰的鹽度比其他文獻(xiàn)中鹽度低，因而得到的鹵水體積小，并且試驗(yàn)過程中試樣的溫度較低，導(dǎo)致部分發(fā)生脆性斷裂的海冰試樣彎曲強(qiáng)度偏大；韌性斷裂的彎曲強(qiáng)度值與其他文獻(xiàn)的對(duì)比結(jié)果較為接近。由于海冰試樣均取自渤海，海冰物理力學(xué)性質(zhì)較為接近，本試驗(yàn)中的彎曲強(qiáng)度和鹵水體積與2008—2012 年季順迎等（2011）和王安良等（2016） 在渤海測(cè)得的數(shù)據(jù)相比較有較為接近的結(jié)果。

4 結(jié)論

為研究渤海海冰彎曲試驗(yàn)的破壞模式，本文對(duì)2020—2021 年冬季的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并結(jié)合試驗(yàn)過程中得到的海冰試樣彎曲斷裂破壞過程的圖像進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：

海冰三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，試樣的斷裂位置不盡相同，一部分試樣裂紋處于加載點(diǎn)，另一部分試樣裂紋處于加載點(diǎn)旁。海冰發(fā)生斷裂的裂紋形狀不同，海冰發(fā)生脆性破壞時(shí)，斷裂裂紋形成統(tǒng)一的直線或曲線；發(fā)生韌性斷裂破壞時(shí)，海冰的斷裂裂紋呈現(xiàn)不規(guī)則的粗糙型，部分海冰形成次生裂紋；發(fā)生二次斷裂破壞時(shí)，海冰接近上表面部分呈現(xiàn)不規(guī)則的粗糙型，而下部呈現(xiàn)統(tǒng)一直線型。

冰溫對(duì)海冰彎曲試驗(yàn)的彎曲強(qiáng)度及破壞模式有顯著影響，不同破壞模式的彎曲強(qiáng)度有明顯的分層現(xiàn)象。試樣發(fā)生韌性破壞的溫度處于原15～原10 益，彎曲強(qiáng)度為0.28～0.45 MPa；試樣發(fā)生二次破壞的溫度處于原20～原5 益，彎曲強(qiáng)度為0.45～0.67MPa。試樣發(fā)生脆性破壞的溫度處于原35～原15 益，彎曲強(qiáng)度為0.75～1.54 MPa。

此外，還討論了鹵水體積與彎曲強(qiáng)度的關(guān)系，與其他學(xué)者的研究結(jié)果較為一致，證明了本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。本文對(duì)海冰彎曲試驗(yàn)的破壞模式進(jìn)行分析并確定了韌性、脆性、二次斷裂三種不同的破壞模式，對(duì)研究海冰的破壞過程有指導(dǎo)意義，也可為海洋結(jié)構(gòu)物的參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。由于本文研究的試樣有限，對(duì)于海冰彎曲試驗(yàn)尺寸效應(yīng)的破壞模式有待進(jìn)一步的研究。

致謝：大連理工大學(xué)工程力學(xué)系何帥康、王祥參加了海冰物理力學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。本文工作得到了遼寧省營口市海洋環(huán)境預(yù)報(bào)站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作的大力支持。在此一并致謝。