Способ определения в натурных условиях деформационных и прочностных характеристик ровного ледяного покрова при изгибе
METHOD FOR DETERMINING DEFORMATION AND STRENGTH RESPONSE OF FLAT ICE COVER TO BEND IN NATURAL CONDITIONS

Способ определения в натурных условиях деформационных и прочностных характеристик ровного ледяного покрова при изгибе относится к ледоведению и ледотехнике. Такие данные могут быть использованы при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений на шельфе замерзающих морей и для обеспечения ледового плавания.
Известен способ определения прочности при центральном изгибе образцов льда в виде круглых пластин с последующим пересчетом результатов на всю толщину льда [1, 2]. Испытания проводятся на полевой испытательной машине (ПИМ). Для этого образцы в виде круглых пластин изготавливаются из кернов льда, взятых на всю толщину при помощи ручного кольцевого бура или керноотборником типа «Kovacs Enterprise». Керн распиливается без пропусков на пластины толщиной 1,5-2,0 см, которые подвергаются испытанию на прочность при центральном изгибе.
Недостатком указанного аналога является косвенный способ определения прочности ледяного поля при изгибе на основании испытаний небольших образцов льда, изъятых из ледяного покрова, с последующим пересчетом результатов испытаний на всю толщину льда без учета масштабного эффекта. Такие испытания приводят к завышению значений прочности ровного льда и экономическим потерям.
к
Известен также способ определения прочности при изгибе ледяных консолей на плаву, взятый за прототип [3], в котором консольная балка изготавливается в ровном ледяном поле на всю толщину бензопилой. Для этого лед пропиливается с трех сторон. Длина, ширина и толщина консоли имеет согласованные размеры. При испытаниях сила прикладывается к свободному концу консоли. Напряжение σ во льду у основания консоли определяется по формуле [4]:
л
где F- разрушающая нагрузка; l, b, h - длина, ширина и толщина консоли соответственно.
к
Формула для расчета σ справедлива для изотропного однородного материала. Физико-механические свойства льда изменяются по толщине вследствие изменения температуры и солености. Поэтому применение такого подхода может привести к существенным ошибкам. Другим недостатком являются ограниченные размеры консоли по отношению к ледяному полю, что требует проведения статистически значимого количества испытаний для получения осредненного значения прочности при изгибе, а изготовление консоли - трудоемкий и длительный процесс.
Техническим результатом изобретения является определение деформационных и прочностных характеристик ледяного покрова при изгибе в натуре. Указанный технический результат достигается при оказании кратковременного силового воздействия форштевнем судна ледокольного типа, на ледяное поле вплоть до его разрушения или при создании судном за счет его движения и торможения на чистой воде свободной волны, направленной на кромку ледяного поля. При этом на ледяной покров устанавливаются в линию по ходу движения судна на нескольких пикетах сейсмометр (например, широкополосный трехкомпонентный сейсмометр СМЕ-4111), кольцевой деформометр (например, [5]), наклономер (например, [6]) и вмораживается датчик напряжения (например [7]). Таких пикетов организуют от одного до трех и больше. Расстояние между пикетами выбирается в зависимости от толщины льда и характера воздействия на ледяное поле. В случае силового воздействия судна форштевнем на край льдины осуществляют один из двух режимов: медленное непрерывное движение судна по линии установки датчиков на пикетах или одиночные разрушения льда изгибом с остановками движения судна между воздействиями. При этом в носовой части судна устанавливается акселерометр (например, ОСП [8]), который фиксирует момент разрушения льда. В случае создания свободной волны необходимо, чтобы перед ледяным полем был участок чистой воды, на котором судно могло бы набрать скорость и затормозить перед кромкой поля, что приведет к распространению в ледяном поле изгибно-гравитационной волны.
Запись сигналов с датчиков на регистратор проводится в цифровом виде. В результате определяются следующие параметры: момент разрушения льда при изгибе, критические наклоны ледяного поля, относительные деформации и напряжения в поверхностном слое льда. При образовании трещины во льду в непосредственной близости от любого пикета можно получить напряжения разрушения ледяной пластины.
На фиг. 1(a) приведена схема создания форштевнем судна кратковременной нагрузки на ледяное поле. При этом возникает изгибная деформация и разлом, которые фиксируются датчиками деформации, установленными на льду в 20 и 40 метрах от места воздействия (датчики на фиг. 1 не указаны). Внизу приведена запись сигналов, полученная с деформометров (фиг. 1б). На фиг. 2(а) приведена схема испытания при создании судном на чистой воде цуга свободной волны, направленной на кромку ледяного поля. На фиг. 2(б) приведена запись, полученная от деформометров, установленных в 20, 40, 60 и 80 м от края ледяного поля (датчики на фиг. 2 не указаны).
Предлагаемый способ определения в натурных условиях деформационных и прочностных характеристик ледяного покрова при изгибе реализуется следующим образом. Выбирается ледяное поле. На нем устанавливаются на каждом пикете сейсмометр, деформометр, наклономер и вмораживается датчик напряжения. Пикеты располагаются в линию по ходу движения судна. Таких пикетов организуют от одного до трех и больше в зависимости от условий проведения испытаний. В случае силового воздействия судна форштевнем на край льдины осуществляют один из двух режимов: медленное непрерывное движение судна по линии пикетов или одиночные разрушения льда изгибом с остановками движения судна между воздействиями. При этом в носовой части судна устанавливается акселерометр для определения момента разрушения льда. Расстояние от первого пикета до края льдины можно варьировать в зависимости от конкретных условий испытаний. Движение судна прекращается при критическом приближении ледокола к первому пикету. В случае создания свободной волны необходимо, чтобы перед ледяным полем был участок чистой воды, на котором судно могло бы набрать скорость и затормозить перед кромкой поля, что приведет к распространению подо льдом изгибно-гравитационной волны. Способ был опробован в Карском море и море Лаптевых.
Использованные источники
1. Руководство по изучению физико-механических свойств льда. / Под редакцией Т.Н. Яковлева. Л.: ротапринт ДАНИИ, 1971. - 45 с.
2. Никитин В.А., Ковалев С.М. Прочность морского ледяного покрова. / Метеорология и гидрология - №12, 2002, с. 62-69.
3. СП 11-114-2004. «Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений». / Госстрой России. - М.: 2004, 88 с.
4. Песчанский И.С. Ледоведение и ледотехника. / Л.: Морской транспорт, 1968, 343 с.
5. Патент на ПМ №82838, 2009.
6. Линьков Е.М., Смирнов В.Н. Наблюдения за колебаниями морского ледяного покрова с помощью наклономеров. / Труды ААНИИ. 1971. Т. 300. С. 213-219.
7. Авт. свид. №561887. 1977.
8. Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений в СССР. / Под ред. З.И. Арановича, Д.П. Кирноса, В.М. Фремда. М: Наука, 1974, 244 с.