乌梁素海湖冰单轴压缩强度试验研究

摘要

20世纪以来，人类对冰的力学行为愈加关注，希望能更准确地估算出结构的极限荷载，可以保证寒区结构物的安全性，减少冰带来的灾害。冰的单轴压缩强度是计算冰荷载过程中的一个重要参数，因此，研究冰的单轴压缩强度对于结构物的设计与保护具有实际意义。本文选择了乌梁素海湖冰进行试验，为积累柱状冰的单轴压缩强度特性提供了支持。 2016年1月，在内蒙古乌梁素海进行了冰坯的采集，然后对冰坯进行了粗加工。在现场将冰打磨成薄片，观察到冰晶体结构为典型的柱状冰结构，计算了晶体的平均等效直径随着冰厚增加逐渐增大。将粗加工好的试样在大连理工大学低温环境实验室内细加工成单轴压缩强度试验所需7cm×7cm×17.5cm的标准长方体试样。2016年11月～2017年6月，利用具有严格恒温控温和位移速度控制的电子万能试验机，对加载方向垂直于冰面和加载方向平行于冰面的二类试样进行-2℃、-5℃、-7℃、-10℃、-15℃下不同恒位移速度的试验，获得了一系列的应力-应变关系曲线，并拍下了试样破坏时的照片。 试验研究了应变速率、加载方向及温度对单轴压缩强度的影响。试验结果得到：乌梁素海的冰样存在鼓胀破坏、剪切破坏、劈裂破坏三种破坏形式。相同温度下，试样的单轴压缩强度随着应变速率的增加存在着先增高到峰值，之后再降低，最后趋于平稳的特征；在试验的温度范围内，试样的单轴压缩强度随温度降低有着明显提高；试样的单轴压缩强度受温度和应变速率的影响可以用一个二元统计关系曲面表达。对于乌梁素海的柱状冰，加载方向垂直于冰面的试样的峰值单轴压缩强度是加载方向平行于冰面试样的2.1倍；峰值单轴压缩强度发生时的应变速率随温度升高而增加，并可以用指数函数表达；峰值单轴压缩强度随温度的变化能够采用对数函数表达。

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