Исследование влияния холодильно-технологических режимов намораживания на физико-механические свойства водного льда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат наук Разомасов Николай Дмитриевич

• Разомасов Николай Дмитриевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Разомасов Николай Дмитриевич

1.1 Актуальность исследования

1.2 История применения водного льда в качестве строительного материала

1.3 Обзор открытых литературных источников и анализ результатов исследования свойств льда

1.4 Математические модели напряженно-деформированного состояния ледовых объектов

1.5 Систематизация способов улучшения физико-механических свойств водного льда

1.6 Выводы по обзору и определение основных направлений

исследования

Глава 2. Исследование влияния холодильно-технологических режимов намораживания на прочностные свойства льда

2.1 Методика проведения экспериментальных исследований

2.2 Результаты исследования зависимости скорости движения фронтов кристаллизации при структурировании ледовых образцов от

59

холодильно-технологических режимов

2.3 Погрешность проведения эксперимента

2.4 Определение состава химических модификаторов

2.5 Исследование зависимости прочностных свойств ледовых образцов

от скорости сближения фронтов кристаллизации

2.6 Выводы по Главе

Глава 3. Разработка математической модели льдообразования в условиях одномерного разнонаправленного отвода теплоты в процессе

кристаллизации слоя жидкости

Стр.

3.1 Физическая модель процесса кристаллизации

3.2 Математическая модель процесса кристаллизации

3.3 Численная реализация

3.4 Результаты моделирования

3.5 Алгоритм структурирования ледовых массивов с использованием

естественного холода

Выводы по Главе

Глава 4. Исследования совместного воздействия на прочностные свойства ледового массива холодильно-технологических режимов, химической модификации и механического армирования

4.1 Критерии отбора армирующих элементов и экспериментальное исследование армированных ледовых образцов

4.2 Экспериментальное исследование совместного применения

армирования, модификации и управления холодильно-

технологическими режимами

4.3 Упрочнение ледового массива санно-бобслейной трассы в поселке

Красная поляна

Выводы по Главе

Основные выводы и заключение

Основные обозначения

Список литературы

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Среди всех стран мира Россия занимает первое место по площади северных и арктических территорий, входящих в состав страны и её особой экономической зоны. В настоящее время развитие Арктической зоны Российской федерации (АЗ РФ) является одной из приоритетных задач, поставленных руководством страны (Государственная программа «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации», Утверждена постановлением Правительства от 21 апреля 2014 года №366). В основе развития любой территории лежит создание и развитие инфраструктуры, требующей значительных объёмов строительных работ и конструкционных материалов. Использование традиционных конструкционных и строительных материалов связано со сложностью их производства непосредственно в Арктической зоне и большими затратами при их доставке из других регионов РФ, особенно в районы, удалённые от Северного морского пути. Наибольшую актуальность имеют задачи по созданию объектов военно-промышленного и хозяйственного назначения, в том числе взлётно-посадочных полос быстровозводимых аэродромов. В то же время Арктическая зона РФ располагает неограниченным запасом таких материалов, как снег и лёд, а также естественного холода, который может использоваться при их создании. Лёд в качестве материала для возведения различных сооружений используется давно, однако созданию полноценного конструкционного материала на основе водного льда всегда ограничивала высокая хрупкость и низкая прочность ледовой матрицы.

Современные методы воздействия на свойства водного льда, применяемые на спортивных сооружениях с искусственным льдом, основанные на внесении микродоз полимеров (ледовых модификаторов), и на управлении холодильно-технологическими режимами (ХТР), позволяют изменять его свойства. Внесение модификаторов изменяет структуру и свойства кристаллической решетки льда, а его прочностные свойства во многом определяются их распределением по толщине массива, которая зависит от

параметров ХТР и свойств используемых соединений. В Арктической зоне при использовании естественного холода невозможно управлять такими параметрами ХТР, как температура окружающей среды и скорость воздуха. При наморозке спортивных ледовых покрытий на охлаждаемой технологической плите фронт кристаллизации движется снизу вверх, а при использовании естественного холода появляется второй фронт кристаллизации, двигающийся сверху вниз, и эпюра распределения модификаторов имеет иной характер. Поэтому актуальны исследования, позволяющие определить зависимость физико-механических свойств получаемого льда от ХТР во всём реальном диапазоне арктических условий. Моделирование и исследование в климатических камерах с искусственным хладоснабжением условий, характерных для Арктической зоны, позволит получить необходимую базу данных и разработать алгоритмы формирования ледовых покрытий в Арктике с учётом влияния ХТР на прочностные свойства льда.

Цель работы. Исследование влияния холодильно-технологических режимов намораживания на физико-механические свойства водного льда и разработка на его основе алгоритмов структурирования модифицированных ледовых покрытий с повышенными прочностными свойствами для Арктической зоны РФ.

В соответствии с поставленной целью в работе рассмотрены и решены следующие задачи:

1. Разработка методики лабораторного моделирования процессов льдообразования при встречном движении фронтов кристаллизации и проведение экспериментов по структурированию ледовых образцов в климатических условиях, идентичных Арктической зоне (АЗ) РФ.

2. Исследование зависимости скорости движения фронтов кристаллизации от холодильно-технологических режимов намораживания ледовых образцов: температуры и скорости движения воздуха.

3. Исследование зависимости прочностных свойств ледовых образцов от скорости сближения фронтов кристаллизации при применении

модифицирующих соединений. Решение оптимизационной задачи с позиции главной целевой функции - упрочнения льда.

4. Разработка математической модели льдообразования в условиях одномерного разнонаправленного отвода теплоты в процессе кристаллизации слоя жидкости.

5. Создание алгоритма для вычисления параметров кристаллизации в условиях одномерного разнонаправленного отвода теплоты. Проведение вычислительных экспериментов по определению параметров кристаллизации при различных холодильно-технологических режимах намораживания.

6. Исследование прочностных свойств ледовых образцов при использовании двух факторов упрочнения: добавления модифицирующих добавок и армирования.

7. Разработка алгоритмов структурирования упрочнённых ледовых покрытий в зависимости от параметров окружающей среды в АЗ РФ и от вида разрушающей нагрузки на спортивных ледовых объектах.

Научная новизна.

1. Впервые в результате решения оптимизационной задачи для диапазона температур и скоростей движения воздуха, характерных для Арктической зоны (АЗ) РФ, определён интервал скоростей кристаллизации в условиях естественного льдообразования, обеспечивающий наибольшее увеличение прочностных свойств.

2. Получены критерии отбора модифицирующих соединений и армирующих материалов для условий естественного льдообразования при отводе теплоты к окружающему воздуху.

3. Получены новые экспериментальные данные, подтверждающие упрочнение льда до 2-2,5 раз при внесении модифицирующих соединений и определён диапазон их концентраций во вносимой смеси, соответствующий максимальному упрочнению ледовой структуры.

4. Разработана математическая модель, позволяющая, исходя из реальных климатических условий, определять режимные параметры

структурирования льда, обеспечивающие его максимальное упрочнение.

5. Впервые разработаны алгоритмы структурирования ледовых покрытий с повышенными прочностными свойствами в зависимости от параметров окружающей среды для применения в АЗ РФ.

Практическая значимость.

1. Разработана и апробирована методика управления холодильно-технологическими режимами для увеличения на порядок прочности материалов на основе водного льда при использовании модифицирующих соединений и армирующих волокон.

2. Разработаны и проверены в лабораторных условиях алгоритмы формирования ледовых массивов с повышенными эксплуатационными характеристиками, в том числе взлётно-посадочных полос и посадочных площадок в целях создания и поддержания развитой авиационной инфраструктуры в Арктической зоне РФ.

3. Разработаны и апробированы технологии формирования ледовых массивов с повышенными прочностными свойствами для спортивных объектов с наибольшими разрушающими воздействиями на лёд при отводе теплоты к окружающему воздуху: санно-бобслейных трассах и хоккейных полях.

На защиту выносятся:

1. Методика проведения экспериментальных исследований процессов льдообразования при встречном движении фронтов кристаллизации с использованием климатической камеры, обеспечивающей параметры, близкие к реальным для Арктической зоны (АЗ) РФ (1 = -50...-10 °С, У= 2...10 м/с).

2. Экспериментальные данные прочностных характеристик модифицированных ледовых образцов в пределах -50...-10 °С и скоростях воздушной среды от 2 до 10 м/с.

3. Экспериментальные данные, подтверждающие увеличение прочностных свойств льда до 2-2,5 раз при внесении модифицирующих соединений в оптимальном диапазоне концентраций от 150 до 300 ррм, и увеличение прочностных свойств льда до 10 раз при совместном внесении

модифицирующих соединений и применении армирования базальтовыми волокнами.

4. Критерии отбора модифицирующих соединений и армирующих материалов для условий льдообразования при отводе теплоты к окружающему воздуху.

5. Математическая модель расчёта режимных параметров наморозки и алгоритмы структурирования упрочнённых ледовых покрытий для использования в АЗ РФ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния холодильно-технологических режимов намораживания на физико-механические свойства водного льда»

Апробация работы.

Результаты данной работы докладывались и обсуждались на 24-м Конгрессе международного института холода ГТО. (Йокогама, Япония, 2015 г.); Четвертой Всероссийской конференции с международным участием ПОЛЯРНАЯ МЕХАНИКА-2017 (Санкт-Петербург, 2017 г.); Научно-технической конференции с международным участием "Кигалийская поправка к Монреальскому протоколу: ретроспектива эволюции или будущего зов?" (Санкт-Петербург, 2019 г.); 25-м Конгрессе международного института холода ГТО. (Монреаль, Канада, 2019 г.), III Международной научно-технической конференции "Материалы, технологии и техника для освоения Арктики и Сибири" (Томск, 2019 г.), XV Всероссийской научной конференции в Межведомственном центре аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме Российской академии наук (МЦАИ РАН) «Технологии и материалы для экстремальных условий» (Москва, 2020 г.). Результаты исследования получены при поддержке проектов РНФ № 18-1300392 и РФФИ № 20-08-00120.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 16 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ и МБД.

Структура и объем работы: Во введении обоснована актуальность, практическая значимость темы исследования. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы, представлена её структура.

В первой главе представлен обзор и анализ материалов, посвященных применению льда в различных областях, изучению его физико-механических свойств и влияния параметров кристаллизации на эти свойства.

Вторая глава посвящена исследованию влияния холодильно-технологических режимов намораживания на прочностные свойства водного льда. Так же рассмотрен вопрос применения модифицирующих веществ с целью увеличения прочностных характеристик ледовых массивов. В разделе 2.1 обоснован выбор режимов намораживания и приведена разработанная методика проведения экспериментальных исследований. В разделе 2.2 представлены полученные в результаты по определению влияния ХТР на скорость и направление движения фронтов кристаллизации в процессе структурирования ледовых образцов. В разделе 2.3 обоснованы критерии отбора модифицирующих соединений и приведен перечень отобранных для упрочнения льда веществ. В разделе 2.4 представлены результаты исследования влияния скорости кристаллизации и суммарной концентрации модифицирующей смеси на прочностные свойства ледовых образцов при различных видах нагружения. В ходе проведения экспериментов было установлено, что прочность ледовых образцов тем выше, чем ниже скорость кристаллизации жидкости. Максимальное увеличение прочности ледовых образцов, модифицированных полимерами идентичного состава, относительно дистиллированной воды достигалось при скоростях движения фронта кристаллизации, лежащих в пределах 0,4..0,8 мм/мин и составляло от 2 до 2,3 раз - с 1,9 до 3,9..4,5 МПа. Увеличение скоростей движения фронта до значений ~ 2,5 мм/мин. сопровождалось снижением предела прочности на изгиб до 3-3,5 МПа (на 30-35 %). Однако появление второго фронта кристаллизации, движущегося сверху вниз, оказывало положительный эффект на прочностные свойства образца, что объясняется "запиранием" введённых модифицирующих полимеров между движущимися фронтами кристаллизации.

В третьей главе разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать процесс кристаллизации водных растворов при различных ХТР с использованием как искусственного, так и естественного холода.

В четвертой главе представлены результаты исследования совместного воздействия на прочностные свойства ледового массива ХТР, химической модификации и механического армирования. В разделе 4.1 был предложен новый подход и сформулированы критерии выбора армирующих материалов с точки зрения достижения максимальных прочностных характеристик формируемых ледовых покрытий. В разделе 4.2 представлены результаты исследования совместного воздействия на свойства ледового массива ХТР, химической модификации и механического армирования. Проведенный в соответствии с разработанной методикой эксперименты позволили определить оптимальный армирующий элемент - базальтовый ровинг. Проведенные эксперименты по определению влияния совместного воздействия на прочностные свойства ледового массива ХТР, химической модификации и механического армирования позволили подтвердить возможность создания значительно более прочных, чем естественный лед, материалов на основе водного льда. Полученные материалы демонстрируют прирост более, чем в 9 раз максимального напряжения в образце и более чем в 140 раз рост удельной энергии разрушения образцов. Массовая доля модифицирующих веществ и армирующих элементов в таких образцах не превышает 2,5 %. В разделе 4.3 приведены алгоритмы формирования неплоскостного ледового массива, апробированного на СБТ в п. Красная Поляна и верхней зоны массива хоккейного поля, а так же приведены полученные в результате структурирования ледового массива СБТ в поселке Красная Поляна результаты.

В соответствии с проведенными исследованиями разработаны рекомендации по оптимальным ХТР намораживания ледовых массивов с повышенными прочностными свойствами, составу и концентрациям модифицирующих веществ, а так же применению армирующих элементов.

ГЛАВА 1. Современное состояние в области исследований

1.1 Актуальность исследования

В последние годы в России особенно остро встал вопрос освоения северных территорий страны [1]. Это обусловлено, как хозяйственно-экономическими, так и военно-политическими причинами. К хозяйственно-экономическим предпосылкам можно отнести следующее:

- колоссальные запасы природных ресурсов [2], в особенности углеводородов[3], сравнимые с запасами углеводородов на остальной территории страны. Арктический континентальный шельф в будущем -основной источник энергетических ресурсов, в приполярных зонах России сосредоточено около 90% всей добычи природного газа и порядка 80% нефти;

- решения проблем по налаживанию транспортных путей в условиях крайнего Севера и зонах вечной мерзлоты;

- развитие в этой зоне одной из важнейших мировых морских транспортных артерий - Северного морского пути из Европы на Дальний Восток [4];

- освоение кратчайшего морского пути из северной части России в Северную Америку - Арктического моста [5].

С военно-политической точки зрения важность Арктического региона для России определяется наибольшей уязвимостью этого направления с точки зрения нанесения ракетного удара по территории нашего государства, как из акватории Северного Ледовитого океана, так и с территории Северной Америки [6]. При этом большая часть военной инфраструктуры Вооруженных Сил РФ, защищающих северные рубежи нашей страны, было утрачено после развала СССР [7], и восстановление этой инфраструктуры было начато только в последнее десятилетие [8].

Необходимо понимать, что полноценное освоение любого региона возможно только при условии создания необходимой транспортной,

социальной и инженерной инфраструктуры. Для создания инфраструктуры, способной обеспечить штатное функционирование хозяйственно-экономических и военных объектов на всей территории Арктической зоны, необходимо колоссальное количество материальных ресурсов, в частности, строительных и конструкционных материалов. Учитывая удаленность Арктической зоны от промышленных центров и сложность доставки любых материалов в эту зону, огромное значение приобретает возможность добычи и производства строительных и конструкционных материалов непосредственно в Арктической зоне. Но единственным материалом, в изобилии встречающимся на Крайнем Севере, является лед, что обусловлено практически безграничными ресурсами воды и холода, необходимыми для создания материалов на его основе. Однако естественный лед обладает крайне низкими физико-механическими свойствами, такими, как прочность, упругость, твердость, что до сих пор ограничивало его применение в качестве строительного и конструкционного материала.

Основываясь на сказанном, большой интерес представляет использование композиционных материалов, созданных на основе водного льда, применение которых было бы оправдано в Арктической зоне.

1.2 История применения водного льда в качестве строительного материала

На протяжении долгого времени жители северных стран используют водный лед в качестве удобного и доступного материала для создания различных искусственных сооружений. При больших отрицательных температурах окружающей среды возведение ледовых сооружений может проводиться со скоростью, значительно превышающей скорость создания сооружений из прочих материалов. В результате водный лед столетия назад приобрел популярность в качестве материала для создания временных фортификационных сооружений. Как строительный материал лед

использовался еще руководителями крестьянских восстаний Болотниковым и Пугачевым в военных целях. Для этого они обливал на морозе стога сена водой. Через некоторое время вода замерзала и превращала каждый стог в солидную преграду [9]. В ходе Северной войны зимой 1708 года защитники городка Веприк обливали земляной вал, окружающий поселение, водой, в результате чего вал превратился в ледяной каток, что значительно усложнило последующий штурм городка шведскими войсками [10]. В годы Великой Отечественной Войны получили распространение ледяные ДОТы, которые, в частности, использовались при обороне Дороги жизни, по которой осуществлялось снабжение осажденного Ленинграда [11]. Вообще, во время зимних военных действий обе стороны широко применяли снег, лед и мерзлые грунты в строительстве различных оборонительных сооружений. При этом немцы не уступали Красной Армии в масштабах использования материалов на основе водного льда в зимние компании 1941/42 и 1942/43 гг. Такие сооружения устраивались не только на северных участках фронта, но и на юге, где климатические условия для этого менее благоприятны. В качестве примера можно привести выдержки из статей в советских газетах [12].

Помимо строительства оборонительных сооружений, в годы Великой Отечественной Войны проводились исследования по использованию материалов на основе водного льда для усиления танковой брони. В частности, НИИ-48 предлагалось усиливать бронирование танка "льдобетоном", посредством установки на корпусе танка деревянного каркаса с засыпкой его смесью гравия, песка и деревянных опилок, обильно поливаемой водой на морозе. Применение подобных подушек из "льдобетона" толщиной 80 мм приводило к тому, что борта Т-34 не пробивались из немецкой 75-мм противотанковой пушки РаК 40 с дистанции даже 300-400 м [13].

Материалы на основе замороженной воды широко использовались и продолжают использоваться некоторыми северными народами для создания жилых помещений. Эскимосы, используя блоки плотного снега, возводят жилые, хозяйственные и общественные постройки, называемые иглу,

вместимостью от нескольких человек до нескольких десятков человек [14], создавая целые комплексы соединенных между собой закрытыми переходами построек [12]. В период так называемой эскимосской осени, ввиду отсутствия снега, подходящего для постройки иглу, некоторые эскимосы используют вырубленный на водоемах лед для создания временных иглу изо льда [12]. Жители Якутии также иногда создают так называемые "ледяные хижины". Для этого деревянные жилые строения снаружи обливают водой, в результате чего корка льда, образовавшаяся на морозе, способствует лучшей теплоизоляции и сохранению тепла в помещениях [15]. Наиболее известным в нашей стране примером использования водного льда в качестве строительного материала может считаться Ледяной дом, построенный на Неве для развлечения императрицы Анны Иоанновны [16].

В 1930-х гг. в Советском Союзе ученым М.М. Крыловым было разработано несколько проектов холодных складов из льда и мерзлого грунта [17]. Склады создавались как с использованием вырубленных блоков льда и мерзлого грунта, так и методом послойного намораживания поливами. После создания замерзшие конструкции покрывались теплоизолирующими материалами, что позволяло поддерживать температуру около 0,5 0С до наступления следующей зимы. Имеются данные по эксплуатации подобных сооружений в течение 4 сезонов, при этом ежегодно после наступления морозов склады вскрывались от теплоизоляции, ледовые конструкции подновлялись и вновь покрывались теплоизолирующими материалами [12].

Однако исторически самое широкое распространение сооружения на основе водного льда получили в создании дорожно-транспортной инфраструктуры. Наиболее известными ледовыми сооружениями являются зимники. Зимники представляют собой автомобильные дороги, эксплуатация которых возможна только в зимних условиях, при минусовой температуре. По расположению на местности зимники классифицируют следующим образом: сухопутные, ледовые, проходящие по руслам рек и водоемам и ледовые переправы. Проходящие по руслам рек зимники на протяжении веков

использовались в нашей стране в качестве наиболее удобных транспортных артерий, связывающих практически все населенные пункты между собой. С развитием железнодорожного транспорта на территории нашей страны стали широко применяться ледовые железнодорожные переправы, позволяющие в течение зимнего периода пользоваться железнодорожным транспортом в местах работы замерзающих железнодорожных паромных переправ в условиях отсутствия железнодорожных мостов. Примером подобных сооружений может являться ледовая железнодорожная переправа через Волгу у Казани, сооружавшуюся каждую зим у в течение 21 года, с 1892 по 1913 г [18]. Длина ее колебалась от 750 до 900 метров, перекатка вагонов осуществлялась с помощью конной тяги. С 1895 года подобная зимняя переправа длиной около 1,5 км строилась через Волгу у Саратова [19]. Довольно часто зимние железнодорожные переправы строились через реки в период гражданской войны, что было связано с разрушением ряда мостов через Волгу, Каму, Иртыш и другие реки [20]. Кроме того, в 1904 году была организована ледовая железнодорожная переправа через озеро Байкал, функционировавшая до завершения строительства Круглобайкальской железной дороги [21]. Наиболее известным зимником в истории нашей страны является "Дорога жизни", единственный путь, связывающий блокированный немецко-фашистскими войсками Ленинград с территорией Советского Союза [22] (подробно про большую и малую "Дороги жизни"). Помимо автомобильного зимника, зимой 1942/1943 года была создана железнодорожная ветка, проложенная по льду Ладожского озера [23].

Рассматривая применение водного льда в качестве материала для создания объектов транспортной инфраструктуры, нельзя не упомянуть ледовые аэродромы. Наиболее известным постоянно действующим ледовым аэродромом был ледовый аэродром на острове Греэм-Белл, созданный в пятидесятых годах прошлого века и непрерывно эксплуатировавшийся на протяжении около сорока лет [24].

Помимо создания дорожно-транспортной инфраструктуры, материалы на основе водного льда, в частности, льдобетоны и замерзшие грунты, используются при создании гидротехнических сооружений, таких как плотины [25]. Так же лед и материалы на его основе используются для строительства сооружений, предназначенных для защиты различных объектов от льдин во время ледохода [26].

Все вышеописанные объекты, при сооружении которых используется водный лед или материалы на основе водного льда, являются стационарными. Однако на протяжении двадцатого века человечество регулярно использовало в своих целях и нестационарные ледовые объекты. К таким нестационарным объектам можно отнести аэродромы на плавучих льдинах [27, 28], дрейфующие полярные станции, размещаемые на льдинах. В наши дни существуют проекты по созданию населенных искусственных островов на основе теплоизолированных принудительно охлаждаемых плавучих льдин [29] и созданию ледяных грузонесущих платформ [30].

Наиболее смелым проектом, предполагающим использование материала на основе водного льда в качестве конструкционного материала для создания искусственного объекта, является проект под кодовым названием ИаЬЬакук [31]. Данный проект осуществлялся в годы Второй Мировой Войны и предполагал создание гигантского авианесущего корабля для использования флотом союзников для действий в северной Атлантике. В качестве материала для корабля длиной около 600 метров предполагалось использовать пайкрит -замороженную смесь древесных опилок и воды, охлаждаемую холодильными машинами. Однако после проведения ряда экспериментов от проекта отказались в связи с огромной потребностью в опилках для создания такого судна. По предварительным подсчетам, вырубка необходимого объема древесины должна была нанести непоправимый урон лесам Канады.

1.3 Обзор открытых литературных источников и анализ результатов исследования свойств льда.

Значительной проблемой при использовании льда является большой разброс в значениях его физико-механических свойств и трудности их прогнозирования. Данные по физико-механическим свойствам льда, полученные в большинстве экспериментальных работ, валидны только для конкретных условий проведения испытаний, и их экстраполяция на другие условия формирования ледового покрова и его испытаний затруднена или невозможна. Одним из признанных центров исследования ледовых структур является ААНИИ (Арктический и антарктический научно-исследовательский институт), много лет проводящий комплексные исследования процессов нарастания и механики разрушения льда естественного намерзания в большом ледовом бассейне [32]. Группой авторов был проведен комплекс экспериментальных работ, включающий, в том числе, эксперименты на лабораторном льду естественного намерзания толщиной около 45 см, аналогичном натуральному.

Исследования включали:

- испытания образцов льда при сжатии параллельно и перпендикулярно поверхности ледяного покрова;

- испытания прочности льда при крупномасштабном сжатии;

- испытания прочности льда при внедрении цилиндрического индентора;

- исследование характеристик трещиностойкости;

- исследование эволюции вертикальных профилей температуры, солености и плотности нарастающего лабораторного льда естественного намерзания;

- моделирование искусственной снежницы.

Авторы статьи пытались воссоздать идентичные арктическим условия для намораживания льда и решения основных задач планируемого

эксперимента. Отсутствовали только солнечная радиация и такие факторы, как ветер, осадки и др. В результате был получен лабораторный лёд естественного намерзания, аналогичный натурному, толщиной около 45 см.

Несмотря на идеальные условия образования льда (постоянная температура воздуха, постоянная соленость воды, отсутствие перемешивания, отсутствие осадков и др.), наблюдается значительный разброс, как значений солености, так и значений плотности льда. Однако в большей степени это связано с изменчивостью параметров по толщине льда. Для иллюстрации этого факта на Рисунке П.1.1 показаны вертикальные профили солености и плотности льда.

Результат экспериментов по нагружению образцов представлен на Рисунке 1.1. Данные представлены в безразмерных координатах в связи с большой вариацией максимальных относительных деформаций и максимальных напряжений, показанных на Рисунке 1.2.

Рисунок 1.1.

Нормирование диаграммы "деформация-напряжение" для образцов № 111

(кривая 1) и № 201 (кривая 2).

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Нормированная относительная деформация

Рисунок 1.2.

Записи процесса нагружения образцов № 201 (а) и № 111 (б). Наиболее ярким примером различия экспериментально определенных физико-механических свойств льда можно считать сводную таблицу из монографии [33], в которой приведены, в частности, модули Юнга, определенные различными исследователями (Таблица 4, Приложение 1). Как видно из приведенной таблицы, значения модуля Юнга при изгибе (прогибе) лежат в одинаковых температурах и ориентации осей кристаллов относительно нагрузки. В работе [34] приведены полученные исследователями значения для сопротивления естественного льда при различных видах нагружения: сопротивление льда раздавливанию или сжатию - среднее значение предела сопротивление льда разрыву или растяжению -среднее значение предела прочности равно 7-14 кгс/см2 при температуре -5...0°С.; сопротивление льда срезу - среднее значение предела прочности льда колеблется в пределах 6-13 кгс/см2 при температуре -15...0°С. В исследовании [35] было проведено испытание около 700 образцов искусственного льда, намороженного в лабораторных условиях. По результатам испытаний получены следующие значения пределов прочности льда:

• на изгиб, нагрузка параллельно слоям намораживания - 7,4-15,1 кгс/см2;

• на изгиб, нагрузка перпендикулярно слоям намораживания - 8,3-17,4 кгс/см2;

• на сжатие, нагрузка параллельно слоям намораживания - 16,9-56,3 кгс/см2;

• на сжатие, нагрузка перпендикулярно слоям намораживания - 18,2-48,0 кгс/см2.

Как видно из приведенных значений, даже в рамках одной работы полученные данные отличаются в 2 - 2,6 раза, что предполагает введение больших коэффициентов запаса и переразмеренность создаваемых ледовых объектов и конструкций. В исследовании [36] отмечается, что при экспериментальном изучении прочностных свойств морского льда результаты образцов, отобранных на расстоянии нескольких метров и испытанных в идентичных условиях, отличаются более, чем в два раза, что говорит о серьезном влиянии даже незначительного изменения условий формирования льда на его физико-механические свойства.

Рядом исследователей [37-41] проведены многочисленные опыты по определению пределов прочности льда, указывающие на сложною зависимость прочностных свойств естественного водного льда от следующих факторов: ориентирование тензора напряжения относительно оси кристаллов; структура образца, наличие дефектов и включений; температура льда; расположение полученного образца по толщине материнской льдины; размеры образца; скорость приложения нагрузки при испытаниях образца.

Наиболее распространенными включениями в морской лед являются капиллярные каналы, образующиеся при постепенном стекании рассола под действием гравитационных сил и обессоливанию ледового массива [42]. В работе рассматривается прочность морского льда с капиллярной структурой на сжатие. Авторами были описаны процессы появления капиллярных структур, а также их влияние на появление микротрещин, а затем уже на образование устойчиво развивающихся трещин нормального разрыва. Даны зависимости прочности морского льда при сжатии (Рисунок 1.3.), рассмотрен сценарий изменения прочности морского льда при изменении его капиллярной структуры при монотонном падении температуры (Рисунок 1.4.).

Рисунок 1.3.

Взаимосвязь прочности при сжатии морского льда и его капиллярной пористости по: 1 - = 5 кПа • м1/2, Ь ~ 2.5 мм; 2, 3 - обработка эмпирических данных по [43], [44].

Рисунок 1.4.

Взаимосвязь капиллярной пористости морского льда и его прочности при сжатии с учётом влияния заполнения капилляров: 1 - без потери при = 5 кПа • м1/2, Ь ~ 2.5 мм; 2 - то же с учётом заполнения капилляров; 3 - данные [45, 43]; 4 - данные [44]. Справа схема развития трещин в окрестности свободных и заполненных пор. В работе [40] установлена зависимость предела прочности естественного льда от скорости приложения нагрузки: при увеличении скорости нагружения образца с 2 до 20 см/мин предел прочности льда при изгибе уменьшается в 2-2,5 раза. При этом в работе [46] приведена обратная

зависимость - при росте скорости нагружения предел прочности на изгиб несколько увеличивается. В работе [47] была экспериментально определена зависимость предела прочности льда от размеров образцов, в частности, от толщины испытываемых балок. Данная зависимость имеет вид

где а! - предел прочности испытанного льда; а2 - предел прочности

моделируемого льда; Ы - толщина испытанного льда; И2 - толщина моделируемого льда.

Необходимо отметить, что во многих работах, посвященных исследованию физико-механических свойств как естественного, так и искусственного льда, авторы не уделяют достаточного внимания значительной зависимости прочностных свойств льда от скорости приложения нагрузки и размеров образцов, что затрудняет использование получаемых данных. В то же время, в основе любого инженерного расчета лежит определенная математическая модель, в определённой степени приближенная к реальности и описывающая взаимодействие рассматриваемого объекта с окружающей средой, а также взаимодействие между различными элементами рассматриваемого объекта. Помимо математической модели при проведении инженерных расчетов требуется набор физических характеристик, описывающих свойства вещества, из которого состоит рассматриваемый объект.

При изучении упругопластических и прочностных свойств водного льда к физическим характеристикам обычно относятся следующие: модуль упругости (модуль Юнга), коэффициент Пуансона или модуль сдвига, пределы прочности при различных видах нагружения. Эти величины серьезным образом различаются для статических и динамических нагрузок рассматриваемого объекта. Для многих математических моделей, созданных для вычисления упругопластических и прочностных свойств различных ледовых объектов, достаточно этого набора расчетных характеристик. Так,

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Разомасов Николай Дмитриевич, 2022 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Об утверждении государственной программы «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года» // Правительство России (сайт). 2021. URL: http://government.ru/docs/11967/ (дата обращения: 21.02.2021).

2. Природные ресурсы Арктики // the Arctic (сайт). 2020. URL: https://ru.arctic.ru/resources/ (дата обращения: 21.02.2021).

3. Александр Новак: В Арктике сосредоточено 60% извлекаемых ресурсов углеводородов в России // Министерство энергетики Российской Федерации (сайт). 2017. URL: https://minenergo.gov.ru/node/7327 (дата обращения: 21.02.2021).

4. О комплексном плане модернизации и расширения магистральной инфраструктуры на период до 2024 года // Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов (сайт). 2021. URL: https://docs.cntd.ru/document/551365461 (дата обращения: 21.02.2021).

5. Ю.Ф. Лукин. Международные морские пути грузоперевозок в Арктике // Арктика и Север. 2020. № 40. С. 225- 253. DOI: 10.37482/issn2221-2698.2020.40.225.

6. Храмчихин А.А. Значение Арктики для национальной безопасности России, Китай может стать арктической державой // Арктика и Север. 2015. № 21. С. 88- 97. DOI: 10.17238/issn2221-2698.2015.21.88/

7. В.Л. Мартынов. «Холодная Война» Северном Ледовитом океане: Войска ПВО страны в Арктике (50-е - 90-е годы ХХ века) // Арктика. XXI век. Гуманитарные науки. 2015. № 1 (4) С. 75- 85.

8. И.Э. Фролов. Освоение российской зоны Арктики: проблемы воссоздания транспортной и военной инфраструктур // Проблемы прогнозирования. 2015. № 6 С. 67- 74.

9. В.И. Арабаджи. Загадки простой воды (В мире воды и льда) / Москва: Издательско-«Знание», 1973. 96 с.

10.В.М. Духопельников. Пётр I / Харьков: Издательско-«Фолио», 2011. 120 с.

11. Краткий очерк истории города в период Великой Отечественной войны. Непокоренный Ленинград / Соболев Г. Л., Цамутали А. Н., Шишкин

B.А. Ленинград: Издательско-«Наука», 1985. 326 с.

12.Л.М. Чекотилло. Применение снега, льда и мерзлых грунтов в строительных целях / Москва: Издательство Академии Наук СССР, 1945. 63 с.

13.М.Н. Свирин. Броневой щит Сталина. История советского танка 19371943 / Москва: Издательско-«Эксмо», 2005. 638 с.

14.А.Ю. Ницин. Снежная хижина "иглу" - энергосберегающий дом аборигенов Крайнего Севера // Строительство и техногенная безопасность. 2016. № 4 (56) С. 28- 32.

15.О.О. Фейгин. Планета бурь. / Санкт-Петербург: Издательско-«Страта», 2016. 180 с.

16. Ледяной дом // История РФ (сайт). 2013. URL: https://histrf.ru/read/articles/liedianoi-dom-event (дата обращения: 21.02.2021).

17.М.М. Крылов. Ледяные изотермические склады / Москва: Издательство Академии Наук СССР, 1951. 88 с.

18.В.М. Ковальчук. Ленинград и Большая Земля / Ленинград: Издательско-«Наука», - 1975. - 328 с.

19. Инновационное развитие науки и образования: монография / Под общ. ред. Г.Ю. Гуляева. Пенза: Изд-во МЦНС «Наука и просвещение». 2018.

C. 183-206

20. Зимние переправы. Конструкция ледяных и свайно-ледяных переправ // find Out (сайт). 2019. URL: https://findout.su/2x29709.html (дата обращения: 21.02.2021).

21.В.Г. Третьяков. Байкальская паромная железнодорожная переправа. / Иркутск: Издательско Иркутский университет, 2000. 344 с.

22.М. Казанский. Дороги жизни // Наука и жизнь. 1985. № 5. С. 52- 60.

23.Блокада Ленинграда в документах рассекреченных архивов / под ред. Н.Л. Волковского. М: act; СПб.: Полигон. 2005. 766 с.

24.А.В. Самохин. Ледовые аэродромы: мифы и реальность // Военно-исторический журнал. 2014. № 7. С. 31- 32.

25.Н.К. Васильев. Конструктивно-технологические решения для водоупорных элементов гидротехнических сооружений мерзлого типа с использованием льдогрунтовых композитов: автореф. дис. кан. тех. наук / Санкт-Петербург: 2013. 17 с.

26.Единственная в мире ледовая дамба // SeaNews (сайт). 2020. URL: https://seanews.ru/2020/08/28/ru-edinstvennaj a-v-mire-ledovaj a-damba/ (дата обращения: 21.02.2021).

27.В.М. Козин. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты / Москва: Издательство Академия Естествознания, 2007. 356 с.

28. А. И. Угрюмов, В. П. Коровин. На льдине к Северному полюсу. История полярных дрейфующих станций / Санкт-Петербург: Издательско-«Гидрометеоиздат», 2004. 126 с.

29.Ю. Семёнов, С. Филин. Инновационные технологии использования льдокомпозитных материалов в строительстве и эксплуатации плавучих объектов // Холодильный бизнес. 2011. № 7. С. 22- 29.

30.Способ создания ледяной грузонесущей платформы: пат. 2198355 Рос. Федерация: МПК7 F25C1/12, E01D15/14/ Козин В.М., Кустов А.Н., Морозов В.С.; заявитель и патентообладатель Государственное учреждение Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН. № 2000109013/13; заявл. 10.04.00; опубл. 10.02.03, Бюл. № 18-2004. 5 с.

31.О. В. Ковалев., М. Н. Андреев, В. В. Райс. Пайкерит - льдокомпозит Второй мировой войны // Лёд и Снег. 2016. Т. 56, вып. 1. С. 119—127.

32. Комплексные исследования процессов нарастания и механики разрушения льда естественного намерзания в большом ледовом

бассейне ААНИИ / Н.А. Куприна, Б.В. Иванов, Н.В. Кубышкин, В.А. Лихоманов, П.М. Николаев, А.В. Чернов, Е.Г. Шахов. // Проблемы арктики и антарктики. 2008. Т. 2. № 79. С. 7-20.

33.Б.П. Вейнберг. Лед. Свойства, возникновение, исчезновение льда / Москва, Ленинград: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1940. 522 с.

34.К.Ф. Войтковский. Механические свойства льда / М.: Изд-во АН СССР, 1960. 564 с.

35.А.М. Савинов. Прочность строительного льда при различной температуре // Труды координационных совещаний по гидротехнике. М.: Энергия, 1965. Вып. XXIII.

36. А.В. Марченко. Экспериментальные исследования и моделирование физико-механических свойств арктического морского льда в районе архипелага Шпицберген // В сборнике: XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. сборник трудов в 4-х томах. 2019. С. 69-71.

37.К.Н. Коржавин. Особенности физико-механических свойств пресноводного льда // Труды координационных совещаний по гидротехнике. М.: Энергия, 1965. Вып. XXIII.

38.Ф.И. Птухин. Исследование механических свойств намороженного строительного льда // Труды координационных совещаний по гидротехнике. М.: Энергия, 1965. Вып. XXIII.

39.С.С. Вялов. Закономерности деформирования льда // Советская Антарктическая экспедиция 10. Л.: Морской транспорт, 1970.

40.К.Н. Коржавин. Исследование механических свойств речного льда / Новосибирск: НИВИТ, 1940.

41.К.Ф. Войтковский. Экспериментальные исследования пластических свойств льда // Сезонное промерзание грунтов и применение льда для строительных целей. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 146 с.

42.Р.В. Гольдштейн, Н.М. Осипенко Некоторые вопросы механики прочности морского льда // Физическая механика. 2014 г. Т. 6, №17. С 59-69.

43.Schwarz J., Weeks W.F. Engineering propeties of sea ice // J. Glaciology. 1977, No. 81, Vol. 19, P. 499-531.

44.Timko G.W., Tenderking R.M.W. Compressive strength of ice sheets // Cold Reg. Sci. Tech. 1990, Vol. 17, P. 227-240.

45.Р.В. Гольдштейн, Н.М. Осипенко. Структуры в процессе разрушения // Изв. РАН. МТТ. №5. 1999. С. 49-71.

46.В.Ф. Папкович. Строительная механика корабля / Л.: Оборонгиз, 1941. 640 с.

47.Н.Н. Бычковский. Определение грузоподъемности полубесконечного ледяного слоя / Саратов: Сарат. политехн, ин-т, 1969. 146 с

48.Прикладные задачи динамики ледяного покрова / Козин В.М. [и др.]. Москва: Издательство Академия Естествознания, 2008. 328 с.

49. Исследование напряженно-деформированного состояния ледового покрова от воздействия на него движущейся нагрузки / К. И. Ипатов, В. Л. Земляк, В. М. Козин, А. С. Васильев // Вестник Приамурского Государственного Университета им. Шолом-Алейхе. 2017. Т. 26. №2 1. С. 103-113.

50.Feasibility of using continuous, stiff materials for reinforcing freshwater ice covers / W. Chen, N. Liu, K.-E. Lindenschmidt, C. Swallow // l. SN Appl. Sci. (2019) 1: P. 371.

51.В.А. Лобанов. Моделирование льда в задачах с конечноэлементной постановкой // Дифференциальные уравнения и процессы управления. 2008. № 4. С. 19-29.

52.А. М. Сергеева, А. В. Ткачева, В. И. Одиноков. Построение математической модели процесса деформирования ледяного покрова ледокольным судном // Ученые записки КнАГТУ. 2012. № I-1 (9). С. 2431.

53.Численное моделирование ударного взаимодействия упругого цилиндра со льдом / В.В. Баландин, С.В. Крылов, Е.Ю. Повереннов, В.В. Садовский. // Проблемы прочности и пластичности. 2017. Т. 79. № 1. С. 93-103.

54.phenomenological high strain rate model with failure for ice / Carney K. S., Benson D. J., DuBois P., Lee R. A // International Journal of Solids and Structures Vol. 43 Issue 25. 2006. P. 7820—7839.

55.A. Combescure, Y. Chuzel-Marmot, J. Fabis. Experimental study of highvelocity impact and fracture of ice // International Journal of Solids and Structures. Vol. 48. Issue 20. 2011. P. 2779—2790.

56.J. Sherburn, M. F. Horstemeyer. Hydrodynamic Modeling of Impact Craters in Ice // International Journal of Impact Engineering, Vol. 37. № 1. 2010. P. 37—46.

57.О.С. Строганова. Моделирование механизмов взаимодействия конструкций и сред со сложной реологией: автореф. дис. кан. тех. наук. / Санкт-Петербург.: 2015. 26 с.

58.Н.Н. Бычковский Ю.А. Гурьянов. Ледовые строительные площадки, дороги и переправы. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 2005. 260 с.

59.A.B. Шавлов. Лёд при структурных превращениях / Новосибирск: Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 1996. 188 с.

60.Н. Маэно. Наука о льде. / М.: Мир, 1988. 231 с.

61.А.В. Шавлов, А.А. Рябцева, В. А. Шавлова. "Сверхскользкий" лед для конькобежного спорта // Криосфера земли. 2007. Т. XI. № 2. С. 49-59

62. О.В. Якименко, В.В. Сиротюк. Усиление ледовых переправ геосинтеческими матераиалами / Омск: Издательско-полиграфический центр СибАДИ, 2015. 168 с.

63.ОДН 218.010 - 98. Инструкция по проектированию, строительству и эксплуатации ледовых переправ [Электронный ресурс]. Введён 1998-1001 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания "Кодекс"». СПб., 2010.

64.ВСН 137 - 89. Проектирование, строительство и содержание зимних автомобильных дорог в условиях Сибири и Северо-Востока СССР [Электронный ресурс]. Введён 1990-01-01 // Кодекс. Право / ЗАО «Информационная компания "Кодекс"». СПб., 2010.

65.Ю. Карпов. От ледовых дорог - к ледяным мостам // Дорожное строительство, Направление Дальний Восток. 2009. №6. С. 8-10.

66.Н.К. Васильев, И.Н. Шаталина. Методы арирования льда для создания ледяных и льдогрунтовых композитов // Известия Всероссийкого науно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2011. Т. 264. С. 119-129.

67.Применение ледяных и льдогрунтовых композитов в северной строительно климатической зоне / Н.К. Васильев, Пронк Арно, В.И. Моисеев, И.Н. Шаталина // ПОЛЯРНАЯ МЕХАНИКА-2016. 2016. С. 558-565.

68.Н.К. Васильев, А.Д.С. Пронк. Ледяные и льдогрунтовые композиты как строительные материалы в ледяных сооружениях // Известия всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2015. Т. 277. С. 35-45.

69.М.Г. Тимофеева. Использование технологии «Пайкерита» при строительстве ледовых переправ // ЭРЭЛ-2016 : материалы Всероссийской конференции научной молодежи. 2016. Т. 1. С. 264-265.

70.О.В. Якименко. Обоснование конструктивнотехнологических решений ледовых переправ, армированных геосинтетическими материалами: / автореф. дис. кан. тех. наук. Омск.: 2011. 24 с.

71.Наледеведение: словарь-справочник/ В. Р. Алексеев [и др.]. Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т географии им. В. Б. Сочавы, Ин-т криосферы Земли, Ин-т криогенных ресурсов ТюмГНГУ и ТюмНЦ. Издательство СО РАН, 2007. 438 с

72. К. И. Ипатов, В. М. Козин, В. Л. Земляк. Влияние схемы армирования на несущую способность ледовых переправ // Полярная механика. 2016. № 3. С. 258-267.

73.О.В. Якименко, В.В. Сиротюк. Лабораторные испытания ледяных балок, армированных геосинтетическими материалами // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожный университет (СибАДИ).

2008. Т. 9. № 3. С. 45-48.

74. Испытания консолей армированного морского льда / Васильев Н.К. [и др.] // Известия всероссийского научно-исследовательского института гиротехники им. Б.Е. Веденеева. 2015. Т. 277. С. 46-55.

75.Р. Л. Кобл, У. Д. Кингери. Искуственное упрочнение (армирование) льда // Лед и снег. М.: Мир, 1966. С. 94-116.

76.Л. К. Алтунина, В. Н. Манжай, М. С. Фуфаева. Механические и теплофизические свойства криогелей и пенокриогелей, полученных из водных растворов поливинилового спирта // Журнал прикладной химии. 2007. Т. 79, вып. 10. С. 1689-1692.

77.Г.Ю. Гончарова. Современные технологии создания ледового покрытия для различных видов спорта или Ледовая гомеопатия // Холодильная техника. 2007. № 7. С. 12 - 16

78.Новый этап развития ледовых технологий / Г.Ю. Гончарова, А. Н. Печурица, А. П. Осипова, А. В. Петроградский // Холодильная техника.

2009. № 5. С. 18 - 24.

79.Г.Ю. Гончарова. Новый подход к выбору соединений для направленного воздействия на свойства ледовых поверхностей // Холодильная техника. 2009. № 9. С. 44 - 51.

80.И.А. Архаров, Г.Ю. Гончарова. Экспериментальное исследование ледовых структур, модифицированных полимерами // Холодильная техника. 2010. № 11. С. 46 - 50.

81.Г.Ю. Гончарова. Создание новых ледовых покрытий спортивного назначения методом молекулярного воздействия и исследование их свойств: автореф. дис. д. тех. наук. / Москва.: 2011. 35 с. 82.Strengthening ice through cyclic loading / D. Iliescu., A. Murdza., E.M. Schulson, C.E. Renshaw // Journal of Glaciology, V. 63, Is. 240, 2017 , P. 663 - 669

Приложение

Приложение 1. Рисунки и Таблицы.

Соленость лада, "оо 4.0 3.5 3.0 2,5 2.0 1.5 1.0

Плогшостъ, кг/м 950 930 910 890 870 850

0

5

10

2 и 15

н

ъ 20

е

а.

и 25

30

35

40

\ а

-Г— - —

о- — — -

\

V

О

—<>

— —1 N. ;--—<

—

10

15 2

м

20 § —

о

25 I-30 35 40

Рисунок П.1.1

Вертикальная изменчивость солёности и плотности льда (среднее значение и

диапазон вариации).

Рисунок П.1.2.

Экспериментальная установка: 1 - металлический поддон; 2 - рабочая площадка; 3 - регулировочные штыри; 4 - головка выпускного клапана гидронасоса; 5 - ручка насоса; 6 - гидронасос; 7 - шток; 8 - манометр; 9 -бесконтактный лазерный датчик; 10 - гидроцилиндр.

Таблица 4.

Сводная таблица - модуль Юнга и модуль сдвига N по определению различных авторов.

Таблица XXXVIII Модуль Юнга К к модуль слип Л* льда по определениям раалижиыж аатороа'

Юме (1920) 'м| !>••« <!».«) <"' Ф[41ИМ1МЙИ ''

Реаш 1»Т1 "и

Фабмам 1877 Кож 1«М 1,4 Кож 1М) И Кож

Кож |«Ы «"•

Траубрмдж м Мак Р*

1М» '»' Траубрадм м Мак-Ра

1М» '»' Траубрадш м Ман-Рэ 1Ю4

Траубридмс м Мам>Ре

■ М» 1-1 Треубршим и Мен-Ре 1М1

Траубрмжн « Мак-Ра

18М Фрклмаг "" Хаос I»« 14 Хаос 1КЯ Хаос 1901 Хаос |*Д 14

Хам 1К2 111 Х(м 1*0« 1,1 Хмс 100« 111

ООааыш аъда

Высот* ваума ирмамы

Иагмб »

Высота мука прктми

Растммссмме

Просмб

Поперечные молебаиая

ирмамы Попаренные колебания

Ирмами Продольные колебания прками

Нагнб

Проем»

Хесс 1902

14

ВаИнбарг I»» Веанберг 1901 >'*' ВеОнберг 190» "" Иеанварг 1901 >'" Па рлслсЛ 1*0« Кож 1911 Кож 1»1> |1*1 Кож 1*11 "*| Кож ""

Ком 1»И 11,1

Кож 1»М 11,1 Кож 1*11 11,1

Кож 1*1« <"> Кош 1*1« '"< Кож 1»|4 ("> Метсуиме 192 . <"' Метсуима 1ИО 11,1 Матгуяма 19К» >'" Метсуяма 1920 '"> КреВгер 1»11 Iм1 Пиаегии 193» Пияегии 192« ■*" Соколов 192« ''' Проккамп а Моте

1910

Вовль н Спрауль

1911 "Ч

Юимг, Кр»р« я Сори

Иручмм цилиндр« • »

• • • •

Прогиб

Прогиб

Круиим призмы • •

Прогиб

Кручен«« цмаидра Т

Прогиб ПрОДОЛЬИОЯ ежмт яе

И »гиб Скорость «ариями ж »ом

Сморот »ярмянмх воли

ЧЯСТОГЯ Пра*оЛ«М1 ■ И руТИЛЬМЫХ молобвииЯ

Оирни! Л«д

т

Исмуосшииы«. /, во ягрхногти иморамия №и/ост»мяиа о »три ив

ОМ||Ии1 С ИуэирЬНЛМИ •О«дух«. ОС4. | I

11 иомрхиагги м«ер-иикя ИскгсгтмаииМ

Ни прум

е е — —2 11 Т 12 -

» _ Г 0 —

Ось »1 — -1 0 1* 7 1 —

Ось |< — -к 2 —

Ось X ' ■ / — -1 -О »« * —

Ось ± » я 1 — -» -1 «2 12 —

Ось II —» —1 2»*»

К ру и иомри МГГЫД — -Э —1 2« Т 1

МелиохримстыД — -2 -0 !»Т1 —

Замороженная смесь — 0.» —

льда, аолы н маема

Смам! снег с граэыо »ТО.«

- ГО ана) —р -0Л о

{р — 11 - -2 —

РечиоЯ. ось X / 1-9 —1 - ■в

Р.чкоО. ось XI 2-4 0 - 10

Ледаамоеыо 0;»-» » . ~ м

а ОД-4 о в

Речном — — ■а т .5 —

Озераып, ось 11 — -$ -7 ч т» а

Оеермыа. ось 11 — -» -в —

Ооарки». ось XI т 1 — -2 -е —

Речмоа о» Намного —

ниже!/*

Оэерни«. об^ботаниий моикяисия, осъ I/

То ям. ос» 11 ОмрямЯ СИЛ»»ЛЯ*ММЯ. оси I/ То мм, ос» | < 01ф1и*. ось X / То МО, ос» I/ Речной, ос» 11« I Рочмо«. ос» I / РячноЯ. ос» 11 РочмоЙ. ОС к X/ Л1ДИ1ИОМ1 Рияо» я

Ыоиоирмстянл. ос» X/ Лмнимомй

— —10 СМ-» -II

Ж/

Ие-ияиг о ниже

111 I ш ьт т 1

114 * Л

90

-м во

-м 1*0

-V»

—1 •2

-» 12—21

—» 1-К0

-« ГбТ*

Около в*

—к »2

о —» »1.1 тив

ansys

R15.0

В: ice not « m non line« calculation

Total Deformation Type: Total Deformation Unit: mm Time: 2.7 24.1L2016 12:56

Рисунок П. 1.3. Максимальный прогиб ледовой балки.

В: va» 2 к* мй « * нт Knr« («к uUtnn

rpmtpmi pup^vutxM« 02J2)>0

••P'f {(0Mni).»9fti:<(PHre»l4reniJ)»<l.«M*J2»)-VJ)J«-J Tint: 2.M 24 IUI U IVM

Рисунок П. 1.4.

Трещинообразование в балке при численном моделировании.

DmUliNtl %

ЧЦЫК

iL.

obomtUb« ПО I

Рисунок П.1.5.

Тестовая площадка в районе Дом Лэйк и GPS-профилирование нанесённое на

Google Earth.

Рисунок П.1.6. Способы усиления ледового покрова.

Рисунок П.1.7. Методы армирования льда и льдогрунтов.

Рисунок П.1.8.

Слои пайкерита на надувной конструкции ледяного сооружения.

Рисунок П.1.9. Схемы расположения армирующих элементов.

Рисунок П.1.10. Общий вид модельных образцов.

Рисунок П.1.11. Общий вид экспериментальной установки.

Рисунок П.1.12.

Образец с армирующим каркасом № 6 после воздействия максимальной

нагрузки.

8000

Прогиб снободного конца консоли, мм

Рисунок П.1.13.

Диаграммы нагружения консолей из морского льда: 1 - армированного геосеткой «ГЕО СТ 100/100-25» из стекловолокна; 2 - неармированного

морского льда

Таблица 5.

Физико-механические свойства применяемых георешёток.

Наименование показателей Норма для геосеток

Т-20 С-20 С-30 С-40 А-20

Разрывная нагрузка (вдоль и поперёк), кН/м, не менее 20 20 30 40 20

Удлинение при разрыве, % 5,5-7,0

Размеры ячеек, мм - 39x39 39x39 33x33 65x65

Рисунок П.1.14. Испытания ледяных образцов на растяжение при изгибе

Рисунок П.1.15. Внешний вид разрушенных армированных образцов.

Рисунок П. 1.16.

Укладка армирующих материалов на поверхность морского ледяного покрова

Таблица 6.

Технические характеристики геосинтетических материалов, использованных

в испытаниях.

Наименование геосннтетнческих материалов

Технические геосетка георешетка геокомпозит

характеристики «Армостаб АР 1 200/50» «ТЕОСТ 100/100-25» «ИТ-АРМ 100/100-20»

Номер #1 U2 #3

Материал Полиэстер Стеклоровинг (стекловолокно) Полиэфир

Покрытие Вес, г/м2 Полимерное 850 Битумное 500 Без покрытия 450

Подложка го геотекстиля Нет Нет Полипропилен

Размер ячейки, мм 40x15 25x25 20x20

Прочность на разрыв. кН/м (ГОСТ 11262): продольная/поперечная Деформация при разрыве,% (ГОСТ 11262): продольная/поперечная 200/50 <12,5/<12.5 100/100 3.0/3.0 100/100 <12,5/<12,5

Длина рулона, м 50.0 100.0 100.0

Длина рулона, м 5,20 4.00 5.20

Рисунок П. 1.17. Оборудование для испытаний консолей льда: 1 - закрепленная стальная рама для передачи нагрузки на конец консоли; 2 -гидросистема (RC-154), обеспечивающая нагрузку до 100кН; 3 - тензодатчик NTT C8S-82-1; 4 - датчик перемещения свободного конца консоли; 5 -логгер CR 1000; 6 -электрогенератор (400В); 7 - консоль, вырезанная в

ледяном покрове.

Рисунок П. 1.18.

Устройство противофильтрационной и теплоизоляционный защиты в плотине мерзлотного типа: 1 - оттаивающее основание из фильтрующего

материала; 2 - вечномерзлое основание; 3 - теплоизоляционный слой из грунтово-криогелевого композита; 4 - верховая призма из каменно-набросного материала; 5 - низовая призма из каменно-набросного материала;

6 - песчаный защитный слой; 7 - противофильтрационная и теплоизоляционная диафрагма из криогелевого льдогрунтового композита; 8 - мерзлотная завеса; 9 - сезонно-охладительные устройства (СОУ).

а) б)

Рисунок П. 1.19. Образец льдогрунтового композита, полученного методом криотропного гелеобразования, после оттаивания: а - перед приложением изгибающего усилия; б - при приложении усилия.

Рисунок П. 1.20. Сервогидравлическая машина.

Рисунок П.1.21.

Визуализация зон декогезии (между a-a и b-b и по всему образцу) после циклирования 2900 раз при смещении 0,1 мм.