黃河封凍期河冰的劈裂性能試驗研究

部國明 鄧宇 李書霞

摘要：為研究黃河河道內天然河冰材料的力學性能，采用巴西圓盤劈拉試驗方法，對黃河天然冰的劈拉強度和斷裂韌度進行試驗研究。試驗過程中，冰樣的控制溫度分別為-3、-5、-7、-10、-15℃，冰樣直徑分別為60、70、80、100mm。試驗結果表明：溫度在-15～-3℃范圍內，黃河冰的劈拉強度隨著溫度的降低逐漸增大，斷裂韌度隨著溫度的降低先減小，而后逐漸增大。此外，當冰樣直徑在60～100mm范圍內時，黃河冰的劈拉強度具有一定的尺寸效應，隨著試樣尺寸的增大，黃河冰的劈拉強度逐漸減小，而斷裂韌度沒有明顯的變化。

關鍵詞：河冰；劈拉強度；斷裂韌度；溫度；尺寸效應；黃河

中圖分類號：P332.8；TV882.1 文獻標志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.006

黃河寧蒙河段受特定的地理位置、氣候和河道邊界條件的影響，幾乎每年都會出現不同程度的冰凌災害，嚴重影響和危害了沿岸人民的生命財產安全[1-2]。由于河流冰塞冰壩災害范圍大、預見期短，因此凌情信息獲取難，堤防防控難度高，給凌災防御造成極大的被動。目前，黃河冰凌災害的預測預報及河冰演變規律的研究已有不少成果[3-4]，但受現場條件和試驗設備條件的限制，對黃河冰材料本身的物理力學性能了解甚少。而獲取真實的黃河冰材料參數是從力學角度預測或分析冰凌災害的前提。

目前，國內外在冰力學性能方面已經開展了一些試驗研究。KERMANI等[5]對不同溫度及不同應變率情況下大氣冰的抗壓強度進行了研究。KIM等[6]對冰材料的相關試驗成果進行了數值統計分析，根據試驗數據建立了代表參數分布規律的概率密度分布函數及破壞應力的概率分布。汪恩良等[7]分析冰蓋形成的熱力學模型，推導出室內模型試驗的相似比尺。李志軍等[8-9]研究了加載速率及相關因素對人工淡水冰及天然冰單軸壓縮強度的影響。

本研究將黃河封凍期內蒙古頭道拐河段的天然冰材料作為試驗對象，對黃河冰的劈裂性能進行試驗研究。通過試驗，確定黃河典型河段天然冰材料的劈拉強度和斷裂韌度，并對不同溫度和不同尺寸下黃河冰不同參數的變化規律進行分析。

1 試驗概況

試驗冰樣均為黃河封凍期的天然冰。現場探明冰層連續，無暗溝，冰層表面平整，冰蓋泥沙含量較小，冰厚53.5cm，水深約7m[10]。現場測得背陰處氣溫為-3.9℃，水溫為0℃。冰表面溫度接近氣溫，并隨氣溫的變化而變化。在冰層內部，自上而下其溫度逐漸升高，至冰蓋底部，冰溫與水溫大致相同。現場采集從冰表面到底面的完整冰坯后裝人保溫箱，快速運回低溫實驗室保存。

通過現場河冰晶體試驗可知，獲取的河冰試樣由上至下可大致分為表層的顆粒冰、表層之下的柱狀冰、冰花冰、冰花冰之下的柱狀冰。本次劈裂性能試驗所取冰樣均為表層之下的柱狀冰，冰樣密度為0.959/cm，左右，泥沙含量在1.2%～2.0%之間，氣泡含量小于1%。

在試驗準備階段，通過對各種試驗方法優缺點的分析[11]，最終選用巴西圓盤劈裂方法作為測試黃河冰劈拉強度、斷裂韌度的試驗方法。試驗設備采用CSS-44100型電子萬能試驗機（見圖1）。為了營造低溫試驗環境，在試驗機的橫梁和底座臺板之間安裝低溫恒溫試驗箱。試驗現場加載情況見圖2。為了保證試驗結果的有效性，平臺加載角度保持在20°～30°之間[12-15]。試驗時的冰樣直徑分別為60、70、80、100mm，厚度為直徑的一半。試驗時冰樣的溫度分別為-3、-5、-7、-10、-15℃，試驗設置壓頭位移速度為10-6～10-2s-1之間，試樣數據統計見表1。

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果的有效性

參考巴西圓盤試驗確定脆性材料劈拉強度和斷裂韌度的方法[16-17]，中心起裂并沿后沿加載直徑擴展的裂紋為主裂紋，在其他部位起裂和擴展的裂紋為次生裂紋或者二次裂紋。如果試樣的初始破壞主要由主裂紋造成，則認為試驗是有效的；反之，則試驗是無效的。

通過對試驗所得的載荷一位移曲線進行分析，共得出3種典型的曲線型式，分別定義為Ⅰ線型、Ⅱ線型、Ⅲ線型，其曲線形狀及相應的破壞形態見圖3。

根據文獻[17]的論述，Ⅰ線型呈現的是劈裂試樣直接發生破碎，承載力達到峰值后直接變為零，沒有出現再次上升的情況，該曲線只能用于計算黃河天然冰試樣的劈拉強度σ，而不能計算斷裂韌度KIC；Ⅱ線型是完美的試驗曲線，可以用于計算黃河冰試樣的劈拉強度和斷裂韌度；Ⅲ線型是在應變速率小于10-5s-1時得出的試驗結果，對冰而言，在這種應變速率范圍內，冰的性質發生了變化，屬于韌性材料，已經不符合巴西圓盤試驗對于試驗材料脆性性質的假定，故不用此類記錄曲線。

試驗盡量保證圓盤中心點比非中心點有更大的應力值，以滿足圓盤中心起裂的條件。劈拉強度σt的計算公式[16]為式中：Pc為臨界荷載；D為直徑；t為厚度；k為與平臺尺度有關的系數，其近似公式為式中：α為平臺加載角的一半。

根據式（1）和式（2），即可計算黃河冰劈拉強度。

斷裂韌度是冰材料的重要參數，為了取得黃河凌汛期冰材料的斷裂韌度，以試驗過程中有效的荷載一位移曲線為依據，采用式（3）[16-17]計算：式中：Pmin為局部的最小荷載；R為圓盤半徑；t為厚度；Φmax為無量綱應力強度因子最大值，通過平臺加載角的范圍值線性插值獲得[14-16]，即Φmax=-0.042α+1.22。

2.2 溫度對試驗結果的影響分析

通過試驗和計算，得出了黃河冰的劈拉強度和斷裂韌度。兩個參數的試驗結果與溫度的對應關系見圖4。由圖4可知，隨著冰樣溫度的不斷降低，黃河冰體的劈拉強度整體上有增加的趨勢，符合河冰材料的特征。此外，隨著溫度由-3℃降低到-15℃，斷裂韌度KIC先減小，之后逐步增大，說明在此溫度范圍內，冰材料的斷裂韌度KIC存在一個相對的極小值。關于溫度對河冰斷裂韌度的進一步闡釋可參見文獻[18]。

2.3 材料尺寸對試驗結果的影響分析

黃河冰劈拉強度和斷裂韌度的試驗結果（河冰溫度為-5℃）與冰樣尺寸的對應關系見圖5。由圖5可知，在河冰溫度一定的情況下，隨著冰樣尺寸的增大，黃河冰的劈拉強度有逐漸減小的趨勢，斷裂韌度則沒有明顯的變化，這說明黃河冰材料的劈拉強度在本試驗的尺寸范圍內具有一定的尺寸效應，而斷裂韌度沒有顯著的尺寸效應。對于超出本試驗范圍的冰樣尺寸，其與斷裂韌度之間的關系有待進一步研究。3結論

以黃河內蒙古典型河段封凍期的天然冰材料為研究對象，對黃河冰樣進行了劈裂性能試驗研究，其研究成果對促進黃河河道開河機理的研究及黃河冰凌防災減災工作均提供了基礎支撐。主要結論如下。

（1）采用巴西圓盤劈裂試驗方法，通過河冰材料荷載一位移曲線的有效值推算出了河冰的劈拉強度與斷裂韌度。

（2）在-3～-15℃的溫度范圍內，隨著溫度的降低，河冰材料的劈拉強度逐漸增大。在溫度為一5℃的情況下，當冰樣的直徑在60～100mm之間變化時，冰樣的劈拉強度隨著尺寸的增大而減小，存在一定的尺寸效應。

（3）在-3～-15℃的溫度范圍內，隨著溫度的降低，冰樣的斷裂韌度先逐步減小，而后逐步增大。在-5℃下，當冰樣的直徑在60～100mm之間逐漸增大時，冰樣的斷裂韌度變化不大，沒有明顯的尺寸效應。

黃河內蒙古河段凌汛期河冰的變化非常復雜，加之試驗冰樣的選取地和數量上的限制，需要在后續的研究工作中，對不同河段的不同冰樣進行試驗分析，以期更全面地掌握黃河凌汛期河冰的基本力學特性。

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