Неоднородное напряженное состояние морского льва тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 11.00.08, доктор физико-математических наук Сухоруков, Константин Константинович

• Сухоруков, Константин Константинович
• доктор физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Сухоруков, Константин Константинович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ В КОНТЕКСТЕ ЗАДАЧ ДИНАМИКИ ЛЬДА

1.1. Пространственно-временные особенности распространения и строения морских

ЛЬДОВ

1.2. Неоднородность физико-механических свойств морского льда

1.3. Динамическая структура морского ледяного покрова

1.4. Роль и место экспериментальных методов исследования в задачах динамики морского льда

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЯ НЕОДНОРОДНОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МОРСКОГО ЛЬДА

2.1. Аналитический обзор существующих методов и средств измерения внутренних напряжений морского льда

2.2. Основы теории взаимодействия датчиков напряжений со льдом

2.3. Приближенная теория плоского датчика

2.3.1. Постановка задачи

2.3.2. Точность измерения

2.3.3. Оценка коэффициентов концентрации

2.3.4. Оценка влияния температуры

2.3.5. Оценка остаточных и начальных напряжений

2.3.6. Погрешность измерения и пути ее снижения

2.4. Об измерении двумерного напряженного состояния морского льда

2.5. Измерительный комплекс

2.5.1. Конструкция и технические характеристики первичных датчиков

2.5.2. Многофункциональное автономное программно-аппаратное обеспечение

2.5.3. Калибровочные испытания

2.6. Выводы

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДРЕЙФУЮЩИХ ЛЕДЯНЫХ ПОЛЯХ АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ

3.1. Микромасштабная неоднородность напряженного состояния морского льда

3.1.1. Методика и условия экспериментальных исследований

3.1.2. Области льда переменной толщины

3.1.3. Области неизостатического равновесия льда

3.1.4. Термоградиентные зоны ледяного покрова

3.1.5. Области разрывов льда

3.2. Макромасштабная неоднородность напряженного состояния морского льда

3.2.1. Общая характеристика условий и методика экспериментов

3.2.2. Результаты экспериментальных исследований

3.3.Структура поля внутренних напряжений в ближней зоне силового взаимодействия..

3.3.1. Аппаратура и методика

3.3.2. Результаты экспериментов

3.3.3. Обсуждение результатов

3.4. Структура внутренних ледовых напряжений в дальней зоне

3 ЙО

3.4.1. Сплошное ледяное поле

3.4.2. Несплошной ледяной покров

3.5. Выводы

ГЛАВА 4. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ

РЕЛАКСАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ МОРСКОГО ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА

4.1.Лабораторные исследования релаксации напряжений элементарных объемов льда й

4.2. Физическое моделирование процесса механической релаксации льда в масштабе полунатурных экспериментов

4.3. Натурные исследования масштабных эффектов релаксации внутренних напряжений морского льда

4.3.1. Время релаксации напряжений

4.3.2. Скорость релаксации напряжений

4.4. Обсуждение экспериментальных результатов

ГЛАВА 5. ТЕРМОНАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЬДА

5.1. Экспериментальные исследования влияния различных физических и

геометрических ограничений на термонапряженное состояние льда

5.1.1. Лабораторные опыты

5.1.2. Полунатурные исследования

5.2. Напряженное состояние морского льда при локальном изменении его термического режима

5.2.1. Методика и результаты экспериментальных исследований

5.2.2. Реологическая модель термонапряженного состояния льда

5.2.3. Прогностическая модель термонапряженного состояния льда

5.3. Масштабные эффекты термонапряженного состояния морского льда

5.3.1. Структура поля внутренних термических напряжений

5.3.2. Пространственно-временная связь термических и механических напряжений

5.3.3. Расчет термических напряжений и их сопоставление с экспериментальными данными

5.3.3.1. Термические напряжения в дрейфующих ледяных полях

5.3.3.2. Термические подвижки и давление припайного льда

5.4. Выводы

ГЛАВА 6. МАКРОСКОПИЧЕСКОЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА

6.1. Макроскопическое деформированное состояние морского льда

6.2. Макроскопическое напряженное состояние морского льда

6.3. Эмпирическая связь внутренние силы - деформация льда

6.3.1. Общий анализ связи полей внутренних напряжений и деформаций

6.3.2. Двумерный физико-статистический анализ

6.3.3. Регрессионная связь

6.4.Эмпирические реологические модели морского льда

6.4.1. Мезомасштабное напряженно-деформированное состояние ледяного покрова

6.4.2. Напряженно-деформированное состояние ледяного поля

6.5. Выводы

ГЛАВА 7. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЬДА ПРИ РАЗРУШЕНИИ

7.1. Особенности процесса разрушения морских ледяных полей в контактной зоне при взаимодействии друг с другом или с препятствиями Ш

7.1.1. Режимы взаимодействия и структура активной зоны

7.1.2. Пространственно-временная структура предельных напряжений в контактной зоне..

7.1.3. Особенности контактных напряжений при смятии льда

7.1.4. Общий характер взаимодействия ледяного поля неоднородной структуры с вертикальным сооружением

7.2. Предельные квазистатические взаимодействия в системе стамуха-грунт-припай Я'.?.

7.2.1. Методика экспериментальных исследований

7.2.2. Особенности процесса силового взаимодействия стамухи с припаем

7.2.3. Модель системы стамуха-припай

7.2.4. Модель системы стамуха-грунт и условия всплытия стамухи

7.2.5. Выводы

7.3. Особенности напряженно-деформированного состояния дрейфующего льда при макроразрывах

7.3.1. Локальный процесс разрушения ледяного поля

7.3.2. Глобальный механизм разрушения ледяного поля

7.3.3. Предельное макроскопическое напряженное состояние морского ледяного покрова.

7.3.4. Качественная модель механического состояния морского льда при разрушении и критерий поврежденности

7.3.5. Физическая, геометрическая и энергетическая интерпретации критерия поврежденности льда

7.4. Эволюция напряженно-деформированного состояния морского льда при разрушении

7.4.1. Напряженное состояние морского льда при макроразрывах характерного масштаба 0.1 км

7.4.2. Механизм формирования напряженного состояния морского льда при макроразрывах характерного масштаба 1км

7.4.3. Напряженное состояние морского льда в условиях активных динамических процессов в масштабе 10 км

7.4.4. Особенности деформированного состояния морского льда в условиях пространственной неоднородности дрейфа, соизмеримой с масштабом 100 км

7.4.5. Масштабная инвариантность процесса перестройки напряженно-деформированного состояния морского льда при разрушении

7.4.6. Выводы

ГЛАВА 8. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННЫМ СОСТОЯНИЕМ МОРСКОГО ЛЬДА

8.1. Метод мониторинга напряженного состояния и поврежденности ледяного покрова..

8.2. Активные методы теплового воздействия на морской лед применительно к снижению его механической прочности

8.2.1. Распределенные тепловые источники

8.2.2. Сосредоточенные источники тепла

8.3. Новый метод пассивного воздействия на морской лед и управления его термонапряженным состоянием с помощью радиационно-конвективных экранов (РКЭ)

8.3.1. Обоснование выбора способа пассивного воздействия

8.3.2. Теоретические исследования

8.3.2.1. Стационарная балансовая модель

8.3.2.2. Нестационарная модель

8.3.3. Экспериментальные исследования и натурные испытания макета РКЭ

8.3.4. Практическое использование РКЭ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

286

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Неоднородное напряженное состояние морского льва»

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития мировой и отечественной экономики неразрывно связан с усилением деятельности человека в арктических и антарктических районах. В связи с этим возросли потребности в более полном понимании механических процессов, происходящих в морском ледяном покрове при его деформировании и разрушении. Приоритетными остаются направления исследований по физике и механики морского льда, направленные, в первую очередь, на решение практических задач, связанных с необходимостью обеспечения судоходства в особо трудных условиях плавания в замерзающих полярных акваториях, а также защиты гидротехнических, портовых и морских газо- и нефтепромысловых сооружений от давления льда.

Морской ледяной покров представляет собой гетерогенную структурно-неоднородную среду, в которой под нагрузкой развиваются сложные и многообразные механизмы деформации, что делает задачу их математического описания в явном виде чрезвычайно трудной. С одной стороны, для адекватного описания механического поведения морского льда необходимо рассматривать однородные и стационарные поля напряжений и деформаций. В этом случае упругие параметры льда, а также действующие на ледяной покров внешние и внутренние силы, представляют собой некие интегральные (осредненные по пространству и времени) характеристики. С другой, в условиях неоднородного напряженно-деформированного состояния, развитие динамических процессов в морском ледяном покрове в значительной степени определяется преимущественным влиянием локальных свойств и параметров.

Условно можно выделить два основных направления развития механики ледяного покрова, связанных с исследованием различных масштабов деформируемого морского льда. Микромасштабный уровень является предметом физики и механики льда как материала. Здесь изучение физико-механических свойств льда, разработка механических моделей и определяющих соотношений, описывающих деформирование и разрушение льда, базируется на результатах теоретических и экспериментальных исследований малых объемов, характерный размер которых не превышает толщины ледяного покрова. Макромасштабный уровень предполагает изучение закономерностей механического поведения больших масс льда (ледяное поле, системы ледяных полей и их обломков, айсберги) с учетом их взаимодействия между собой, а также с атмосферой и океаном.

Первое направление исследований традиционно являлось определяющим и поэтому достаточно разработано. Существенный вклад в эту работу внесли отечественные и зарубежные исследователи А.Ассур, В.В.Богородский, К.Ф.Войтковский, С.С.Вялов, В.П.Гаврило, Дж.У.Глен, Л.У.Голд, К.Н.Коржавин, В.В.Лавров, М.Мэллор, В.А.Никитин, Э.Паундер, И.С.Песчанский, Б.А.Савельев, У.Уикс, Р.Фредеркинг и др. Высокая степень изученности физико-механических характеристик морского льда в зависимости от кристаллической структуры, температуры, солености и других параметров позволяет уже в настоящее время прогнозировать его деформационные и прочностные свойства на основе гидрометеорологических данных.

Однако, в реальных условиях морской лед отличается большой изменчивостью строения и физических свойств, поэтому даже наиболее совершенные расчетные соотношения, полученные путем обобщения результатов механического испытания малых образцов льда, не позволяют учесть все многообразие особенностей формирования ледяного покрова в геофизическом масштабе. Морской ледяной покров, как совокупность разнородных областей различного масштаба, представляет собой механически неравновесную систему, в которой каждый элемент непрерывно получает и диссипирует механическую энергию. Вследствие этого, при рассмотрении малых объемов льда отдельно от массива, не учитываются очень важные процессы взаимодействия, связанные с обменом механической энергией с окружающим льдом.

С точки зрения современных представлений самой сложной проблемой динамики морского ледяного покрова является описание процессов взаимодействия и разрушения ледяных полей. Для определения напряжений и деформаций морского льда используются преимущественно механические аналогии между ледяным покровом и различными средами с заданными реологическими характеристиками и законами деформирования. До сих пор наиболее часто используемыми российскими и американскими учеными моделями ледяного покрова являются модели механики сплошной среды, справедливые в основном для оценки интегральных свойств поведения макронеоднородного ледяного покрова. В качестве определяющих соотношений в них используются модели Ньютона, Гука, Максвелла и др., существенно упрощающих реальную реологию ледяного покрова. Основные концепции феноменологического моделирования динамики морского ледяного покрова сформулированы и развиты И.Л.Аппелем, Р.В.Гольдштейном, З.М.Гудковичем, С.А.Колесовым, М.Куном, А.В.Марченко, Е.Г.Никифоровым, С.Н.Овсиенко, Л.А.Тимоховым, И.Е.Фроловым, Д.Е.Хейсиным, У.Хиблером и др.

Континуальное представление механического состояния морского ледяного покрова без учета его внутренней структуры и реальных механизмов деформации не соответствует истинной природе динамических процессов во льду. В реальных условиях в нем существуют значительные локальные напряжения, которые являются функцией регионального поля напряжений и строения ледяного покрова. Они проявляются в различных пространственных и временных масштабах, а также зависят от реологических свойств льда как материала и как геофизической среды. Из-за отсутствия необходимых эмпирических зависимостей в различных моделях дрейфа и состояния ледяного покрова не учитываются эффекты, связанные с неоднородностями напряженного состояния льда.

Для адекватного описания механики ледяного покрова необходимо знание реальных характеристик общей структуры полей внутренних ледовых напряжений применительно к различным пространственно-временным масштабам внешних воздействий и структурных неоднородностей льда. На этой основе нетрудно установить характерные масштабы репрезентативных, т.е. механически значимых областей ледяного покрова, по которым можно будет проводить корректное осреднение внутренних напряжений и формулировать определяющие макроскопические реологические соотношения. Структура внутренних ледовых напряжений определяет и структуру разрушения морского льда. Нахождение взаимосвязи неоднородного напряженно-деформированного состояния морского ледяного покрова с характером образующихся в нем структур разрушения позволит объяснить физику процесса разрушения морского льда применительно к различным масштабам внешних воздействий.

В настоящее время отсутствуют систематические данные, раскрывающие изменчивость внутренних напряжений на микро и макромасштабных неоднородностях морского льда. Исследование закономерностей деформирования и разрушения морского льда как структурно-неоднородной среды - новое и актуальное направление, которому посвящена тема настоящей диссертационной работы. Она обращена на решение фундаментальной проблемы физики морского льда, связанной с комплексными теоретическими и экспериментальными исследованиями разномасштабных механизмов взаимодействия морских ледяных полей, определяющих динамическое состояние дрейфующего ледяного покрова Арктики и Антарктики.

Основная цель работы - установление закономерностей формирования напряженного состояния морского льда с учетом неоднородностей его строения и физических свойств в широком диапазоне пространственных (от 0.1м до 100км) и временных (от единиц минут до нескольких суток) характерных масштабов деформирования. Для реализации этой цели были сформулированы следующие задачи:

• Проведение лабораторных и полунатурных исследований, а также комплексных инструментальных наблюдений за напряженно-деформированным состоянием морского льда на разномасштабных полигонах;

• На основе массированной обработки экспериментального материала получение статистически значимых оценок характеристик пространственно-временной структуры внутренних напряжений в дрейфующих морских ледяных полях и их связи со структурой деформируемого ледяного покрова;

• Получение новых данных о макроскопических релаксационных свойствах внутренних ледовых напряжений, отражающих связь временного и пространственного масштабов диссипативных процессов напряженного ледяного покрова;

• На основе теоретико-экспериментального исследования напряженного состояния морского льда при локальном и мезомасштабном изменении его термического режима выявление основных пространственных структур термонапряжений, а также разработка определяющих моделей, связывающих напряжения с колебаниями температуры во льду и ее скоростью;

• Установление экспериментальных соотношений между эффективными внутренними ледовыми усилиями и деформационными параметрами ледяного покрова и на их основе разработка макроскопической реологической модели неоднородного напряженно-деформированного состояния морского льда;

• Разработка теоретико-экспериментальной модели и алгоритмов параметризации механического состояния морского льда при разрушении и обоснование критерия макроразрушенности (поврежденности) ледяного покрова;

• Разработка физических основ методов контроля и управления напряженным состоянием морского льда;

• Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований, предусматривающее разработку способа инструментального изучения неоднородного напряженного состояния морского льда, устройств измерения и первичных датчиков, а также методических основ интерпретации получаемых данных.

Основные экспериментальные результаты получены на научно-исследовательском полигоне в районе архипелага Северная Земля (стационар-полигон, 1981-1983гг.), на научно-исследовательских дрейфующих станциях Северный полюс-23 (1977-1978гг.), Северный полюс-24 (1979г., 1980г.), Северный полюс-30 (1990г.), на дрейфующем морском льде Антарктики (российско-американская станция Уэдделл-1, 1992г.), на шельфе Карского (1991г.) и Охотского (1989г.) морей, а также на льду Баренцева моря (1997г.) и Ладожского озера (1989г.).

Построение диссертационной работы основано на следующих положениях.

1. Морской ледяной покров представляет собой сложную структурно-неоднородную среду, динамическое состояние которой неразрывно связано с дискретным набором характерных механически значимых пространственно-временых масштабов. Эти масштабы характеризуются различными полями напряжений, которые, действуя совместно, образуют единое неоднородное поле внутренних напряжений.

2. Релаксационные свойства внутренних напряжений морского льда неразрывно связаны с их пространственной структурой, проявляют существенную масштабную зависимость и определяют особенности пластического деформирования ледяного покрова как геофизической среды.

3. Термомеханическое состояние морского льда определяется не только параметрами теплового поля в ледяном покрове, но также особенностями его строения как геофизического объекта. Формирование пространственной структуры термических и чисто динамических внутренних напряжений в неоднородном ледяном поле имеет единую природу, что предполагает существование между ними определенных количественных соотношений.

4. Связь внутренних ледовых сил с кинематическими параметрами ледяного покрова является фундаментальным соотношением механики деформирования морского льда, которое объективно возможно установить только экспериментальным путем. Определяющее реологическое соотношение для макроскопическго описания напряженно-деформированного состояния морского льда не может быть получено на основании исследования механических характеристик элементарных объемов льда, не учитывающих в должной мере неоднородностей структуры и физических свойств ледяного покрова. Корректное сопоставление экспериментальных характеристик средних значений полей деформации, скорости деформации и внутренних напряжений ледяного покрова должно осуществляться на основе выявления устойчивых масштабных закономерностей в поведении последних.

5. Разрушение льда в геофизическом масштабе - сложный физический процесс, сопровождающийся пространственно-временной перестройкой исходного поля внутренних напряжений в зависимости от масштаба и характера повреждений. Процесс перестройки напряженного состояния после разрушения происходит подобным образом: путем бифуркации от одного устойчивого состояния поврежденности морского льда к другому. Особенности эволюции предельного напряженно-деформированного состояния морского льда могут быть оценены с помощью разработанного критерия поврежденности, имеющего физический смысл обратной макроскопической вязкости ледяного покрова и обладающего масштабной инвариантностью.

6. На основе новых данных, раскрывающих закономерности формирования неоднородного напряженного состояния морского льда, могут быть разработаны физические основы методов контроля и управления механическим состоянием ледяного покрова: метода мониторинга напряженного состояния и поврежденности ледяного покрова, а также активного и пассивного методов теплового воздействия на морской лед применительно к снижению его прочности.

Вся совокупность полученного материала, по-возможности, систематизирована с единых методологических и структурных позиций. Ввиду проведения большого количества разнообразных и разноплановых экспериментальных исследований, описание их специфики и методик приводится по мере изложения материала. В диссертации отсутствует отдельная глава, целиком посвященная обзору имеющихся литературных данных. Вместо этого, в начале каждой главы дается краткий обзор известных основных результатов по соответствующей теме. Часть обзорного материала общего характера приведена во введении. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения.

В 1 главе кратко обсуждаются методологические аспекты физики и механики структурно-неоднородного морского ледяного покрова. Наглядно продемонстрирована необходимость учета структурных параметров морского льда при описании его механического состояния, а также выявлена существенная роль экспериментальных методов исследования в задачах динамики льда.

Во 2 главе приводится обзор существующих средств измерения внутренних напряжений морского льда, разработанная автором приближенная теория плоского датчика напряжений, а также представлено описание оригинального измерительного комплекса, использованного при проведении экспериментальных исследований.

В 3 главе представлены результаты натурных исследований внутренних напряжений в дрейфующих ледяных полях Арктики и Антарктики. Выявлены основные структуры полей внутренних напряжений, соответствующих различным пространственно-временным масштабам. Сделан вывод о существовании дискретного набора характерных пространственных масштабов неоднородного поля ледовых напряжений. Приведены эмпирические зависимости пространственного распределения внутренних напряжений, инвариантные характерным масштабам.

В 4 главе анализируются результаты экспериментальных исследований активных динамических процессов в морском ледяном покрове Арктики и Антарктики, на основе которых выявлены пространственно-временные особенности релаксационных свойств внутренних напряжений. Показано, что избыточные напряжения, возникающие на неоднородностях в процессе деформирования льда, релаксируют за разное время, зависящее от характерного масштаба деформирования. Получены эмпирические зависимости, отражающие связь временного и пространственного масштабов диссипативных процессов напряженного состояния морского ледяного покрова.

5 глава посвящена обсуждению результатов теоретических и экспериментальных исследований термических деформаций и напряжений в ледяном покрове. В результате проведенных исследований выявлено влияние различных температурных ограничений и геометрических факторов на процесс формирования напряженного состояния льда, а также установлены связи между механическими и тепловыми характеристиками при различных пространственно-временных масштабах теплового воздействия на морской дрейфующий и неподвижный ледяной покров.

В б главе представлены результаты комплексных экспериментальных исследований динамического состояния морского льда. Выявлены эмпирические связи эффективных напряжений с кинематическими параметрами ледяного покрова мезомасштабного уровня. Показано, что для данного масштаба рассмотрения, в зависимости от уровня напряженно-деформированного состояния, морской лед проявляет свойства как упруго-пластического, так и вязко-пластического упрочняющегося материала. Приведены оценки предельного напряженно-деформированного состояния морского льда, а также его эффективных физико-механических параметров.

В 7 главе рассматриваются особенности формирования и развития предельных напряженных состояний морского льда. Выявлена статистическая природа разрушающих напряжений в контактной зоне взаимодействия морских ледяных полей. Исследован механизм предельных взаимодействий в системе стамуха-грунт-припай и представлены оценки интенсивности силовых процессов. Обобщены результаты натурных измерений и расчетных оценок прочности морских ледяных полей. Проведен сравнительный анализ разрушающих ледовых нагрузок для различных толщин льда. Изучен разномасштабный механизм формирования напряженного состояния дрейфующего морского льда при макроразрывах. На основе модельных представлений и натурных исследований установлено влияние поврежденности ледяного покрова на бифуркационную перестройку его напряженного состояния. Обоснован принцип масштабной инвариантности эволюции напряженно-деформированного состояния морского льда при разрушении, с позиции которого выдвинуто объяснение формирования преимущественно полигональной структуры дрейфующего льда в зимнее время.

8 глава иллюстрирует возможности практического использования новых сведений о неоднородном напряженном состоянии морского льда, полученных в результате работы по теме диссертации, применительно к разработке методов контроля и управления механическим состоянием ледяного покрова. Она основана на результатах завершенных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке, изготовлению и испытанию действующих макетов устройств, реализованных в рамках предлагаемых методов, и содержит конкретные рекомендации по их использованию.

В заключении подведены итоги проделанной работы.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

•Физическая модель пространственной структуры полей внутренних напряжений морского льда в форме дискретного ряда характерных микро и мезомасштабов.

•Макроскопическая модель релаксации внутренних напряжений, устанавливающая пространственно-временную связь диссипативных процессов в морском ледяном покрове.

•Термомеханическая модель состояния морского льда, учитывающая локальные и мезомасштабные неоднородности его строения и физических свойств.

•Определяющее реологическое соотношение, характеризующее макроскопическое напряженно-деформированное состояние морского льда мезомасштабного уровня.

•Принцип масштабной инвариантности эволюции напряженно-деформированного состояния морского ледяного покрова при разрушении.

ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ В КОНТЕКСТЕ ЗАДАЧ ДИНАМИКИ ЛЬДА

Северный Ледовитый (СЛО) и Южный океаны, а также моря, примыкающие к полярным областям, являются уникальными регионами сосредоточения морских льдов. Динамические процессы, происходящие в ледовитых акваториях, во многом определяются спецификой строения и состава морского ледяного покрова. Данная глава содержит краткую и общую морфологическую характеристику полярных льдов в связи с их динамикой и является вводной к последующему основному материалу диссертации о неоднородном напряженном состоянии морского льда.

1.1. Пространственно-временные особенности распространения и строения морских льдов

Десятая часть поверхности Мирового океана покрывается льдом. В период наибольшего развития морские льды занимают практически всю поверхность СЛО, значительную часть Южного океана, часть Северной Атлантики, Берингово и Охотское моря. Условия формирования ледяного покрова в Антарктике и Арктике различные.

В образовании антарктического льда большую роль играют атмосферные осадки, за счет которых формируется до 30-40% массы льда. Поэтому, наиболее распространенным видом недавно образовавшегося льда является снежура, а затем и блинчатые льды. В Антарктике под действием сильных ветров часто наблюдается наслоение молодых льдов. Напластование и атмосферные осадки определяют специфический тип структуры антарктического льда. Арктический лед образуется преимущественно из морской воды. Доля атмосферных осадков в общем объеме льда составляет не более 10%. В Арктике наблюдаются разнообразные начальные виды льда: ледяные иглы, ледяное сало, снежура, шуга, нилас, склянка, блинчатый лед [135].

По мере поступления потоков холода начальные формы как антарктического, так и арктического льда трансформируются, происходит увеличение его толщины. Из молодых форм льда развивается более толстый морской лед, называемый однолетним. К концу зимнего периода однолетний лед достигает толщины 1-2м. Формируется сложное морфологическое строение морских льдов. Различие морфологических характеристик ледяных покровов по их основным параметрам, а именно: толщине, торосистости, рельефу верхней и нижней поверхностей, - обусловлено действием ряда гидрометеорологичесих факторов и дрейфом льдов. При дрейфе ледяной покров деформируется с образованием в нем торосов и разводий. Термические процессы вызывают рост и таяние льда, их сезонная изменчивость способствует дальнейшей трансформации рельефа ледяного покрова. Ветровая и водная эрозии, а также действие морских биоорганизмов и загрязненности вод способны усилить протекание термических эрозионных процессов в морском льде.

Как правило, формирование толщины ледяного покрова и его рельефа является результатом суммарного проявления различных факторов, затрудняющего анализ дифференцированного вклада каждого из них в процесс развития структуры морского льда. Поэтому, для изучения общих закономерностей, отражающих состояние ледяного покрова, используются статистические методы, в которых наблюденные параметры строения льда рассматриваются как случайные величины.

Наиболее подробно статистические закономерности геометрических форм морского ледяного покрова изучены для Арктического бассейна (см., например, 20,23,24). Льды арктических морей характеризуются значительной неравномерностью в распределении толщины, торосов и высоты снега. Применительно к исследованию динамических процессов шероховатость верхней и нижней границ льда является важнейшим параметром, оказывающим влияние на развитие горизонтальных усилий (за счет действия касательных

напряжений ветра и воды), а также способствующим формированию в ледяном покрове неоднородного поля внутренних напряжений. Вертикальный масштаб неровностей лежит в диапазоне от мм до нескольких метров [168]. Изменчивость толщины арктического льда, выраженная коэффициентом вариации, увеличивается с ростом средней толщины и для многолетнего льда (толщина Зм и более) может достигать 30% [23]. Представление о горизонтальном масштабе неоднородностей толщины льда различных возрастов дают автокорреляционные функции распределения толщины [23,24]. Их анализ показывает, что наиболее ровными являются зимний молодой и однолетний (радиус корреляции «70м) льды. Радиус корреляции для многолетнего арктического льда составляет примерно 30м (семь-десять средних толщин льда).

Что касается данных о шероховатости ледяного покрова Антарктики, то их на сегодняшний день не так уж много (например,[168]). Тем не менее, можно утверждать, что ледяной покров Южного океана отличается существенной неоднородностью строения, большой заснеженностью и раздробленностью, но несколько меньшей торосистостью [105]. Распределение толщины антарктического, так же как и арктического, даже в пределах небольших пространств крайне неравномерно. Перед началом таяния характерные толщины дрейфующего ледяного покрова составляют 0.45м и 1.45м, т.е. отмечается преобладание относительно тонких однолетних льдов [105].

Изменчивость толщин снега и льда (при средней толщине «0.45м) моря Уэдделла иллюстрирует рис. 1.1.1, взятый из работы [144]. По экспериментальным данным этой работы построены на рис. 1.1.2 гистограмма и нормированная автокорреляционная функция толщины антарктического льда, на основании которых можно оценить горизонтальный масштаб неоднородности строения порядка 7 средних толщин льда. В качестве примеров, наглядно демонстрирующих неровности верхней поверхности антарктического льда средней толщины «1.45м, на рис. 1.1.3 приведены результаты детальных ледовых промеров в море Уэдделла, выполненные в 1992г. американскими исследователями в пределах базовой льдины "Уэдделл-1" с применением современной лазерной техники, обеспечивающей измерение отметок высот снега и льда относительно уровня воды с высоким пространственным разрешением. Представленные рисунки свидетельствуют о существенной пространственной неоднородности строения ледяного поля не только в пределах локальных участков, но и в масштабе, соизмеримом с линейным размером отдельной льдины.

Неравномерность распределения толщины льда в широком диапазоне пространственных масштабов, являющаяся следствием влияния различных термодинамических процессов, определяет соответственно разномасштабную структуру внутренних напряжений (от локальных до региональных напряжений) и тем самым -будущий характер динамики льда в пределах того или иного района ледовой акватории. В свою очередь, динамические процессы, связанные с конвергенцией и дивергенцией льдов, могут явиться причиной значительных внутренних усилий, которые способны изменить ледовый ландшафт за счет образования торосов, дискретных льдин или разводий. Таким образом, формирование пространственного строения морского ледяного покрова и его динамической структуры суть взаимообусловленные процессы различного масштабного уровня. Как сложная иерархическая система ледяной покров характеризуется определенной структурой, проявляющейся в микро (пространственное строение льда как материала), мезо (характерный масштаб неоднородностей 1-3 0км) и макромасштабах (устойчивые структурные образования размером более 30км) [20,135]. В какой степени масштабные эффекты напряженного состояния морского льда связаны с процессами формирования строения ледяного покрова того или иного структурного уровня и наоборот, в настоящее время является открытым вопросом.

Рис. 1.1.1. Толщина снега и льда дрейфующего антарктического ледяного покрова (море Уэдделла, июль 1986г.).

1 ... I ... 1 ... 1 ... 1 ... 1 ... 1 а) ; ~п П : . «... 1 ... 1 ... »

О 02 04 0Л 0£ 1Л 12 к,га

Ки

0 5 10 15 20 25 И.м

Рис. 1.1.2. Гистограмма и нормированная автокорреляционная функция толщины антарктического льда.

к ,1«

ОЯ -

0.6

04 -

02

40

120

160

200 К ,м

0£ 0.4 0:2 О 02

20

40 60

80

100

Рис. 1.1.3. Пространственное распределение возвышенностей снежной (1) и ледовой (2) поверхностей относительно уровня моря для условий антарктического дрейфующего ледяного покрова.

а) южная часть базовой льдины "Уэдделл-1", март 1992г.; Ь) западная часть базовой льдины "Уэдделл-1", апрель 1992г.

1.2. Неоднородность физико-механических свойств морского льда

Физико-механические свойства морского льда определяются прежде всего особенностями его поведения как твердого тела под действием внешних и внутренних сил. По механическим напряжениям, деформациям, энергии и другим физическим параметрам (температуре, солености и пр.) можно судить о способности льда к его упругому, упругопластическому и вязкому деформированию или разрушению. К механическим свойствам льда относятся упругие, пластические и прочностные характеристики: предел упругости; пределы прочности при деформациях сжатия, растяжения, сдвига и изгиба; модули продольной или сдвиговой упругости; предел длительной ползучести и другие. Все они не являются константами материала, так как в существенной степени зависят от структурных особенностей строения льда, формы и размеров тела, скорости нагружения, температуры, состояния поверхности, влияния окружающей среды и многих прочих факторов.

Многообразие масштабных уровней организации физико-механического состояния ледовой среды (от молекулярного до макроскопического) приводит к тому, что объекты исследования оказываются различными (от дислокаций в кристалле на микроструктурном уровне до таких, как движение и взаимодействие морских ледяных полей). На любом структурном уровне лед обладает низким пределом упругости и даже при малых нагрузках обнаруживает ярко выраженные реологические свойства, проявляющиеся в форме релаксации внутренних напряжений, развитии деформации ползучести и снижении прочности во времени [8].

Вследствие многочисленных факторов, определяющих физические свойства льда, и большой изменчивости его строения, основные механические характеристики морского льда проявляют выраженную неоднородность как для отдельной точки ледяного поля, так и для ледяного поля в целом. Достаточно сказать, что прочностные показатели морского льда, полученные исследователями многих стран по результатам многих тысяч экспериментов за предшествующие более чем 100 лет имеют очень большой диапазон разброса значений. Так, прочность на сжатие изменяется в пределах от 4105 до 13 0 105 Па, а прочность на изгиб примерно от 3105 до ЗОЮ5 Па [8]. К сожалению, в настоящее время нет систематизированных данных о временной и пространственной изменчивости механических свойств льда, которым в соответствие были бы также поставлены параметры его структуры и фазового состава. Первая попытка подобного подхода применительно к созданию методики расчета режимно-климатических характеристик механических свойств на примере однолетнего льда Баренцева и Карского морей предпринята в работе [37]. Ее результаты, в частности, свидетельствуют о существенной роли пространственно-временного фактора для оценки расчетного значения пределов прочности морского льда.

Необходимо различать понятия: механические свойства льда как материала и свойства ледяного покрова как геофизического объекта. В первом случае речь идет об изменениях свойств льда, определяемых обычно на образцах в условиях, моделирующих те или иные динамические характеристики нагружения. В случае ледяного поля или системы ледяных полей параметры механических свойств становятся качественно другими. Они представляют собой некие осредненные (эффективные) характеристики, которые устанавливаются в зависимости от выбранной механической модели, значимой для ледовой области заданного масштаба.

В свете изложенного становится ясным, что в процессе нагружения ледяного массива в пределах каждой характерной его неоднородности (структурной и физической) действуют не только свои законы деформирования и прочности, но и свои закономерности проявления масштабного фактора. Неоднородный ледяной покров в заданной области, необходимой при рассмотрении конкретной задачи, может проявлять различные механические свойства в зависимости от категории структурных элементов, образующих его строение как системы.

Отсюда следует, что рассмотрение механических характеристик ледяного покрова должно осуществляться с учетом их статистических особенностей и масштабного порядка. Проиллюстрируем сказанное примером, подтверждающим необходимость разделять механические свойства морского льда в зависимости от масштабного уровня его структуры.

С этой целью представим ледяной покров толщиной И состоящим из элементов структуры первого и второго порядков. Для простоты рассуждений примем размер структурного элемента первого порядка равным а х а х к, а размер элемента второго порядка, сложенного из п элементов первого порядка, равным па х па х И. Пусть элементы второго порядка расположены в один непрерывный ряд, к которому приложена продольная сжимающая нагрузка К В результате силового воздействия каждый /-й элемент первого порядка деформируется под парциальной нагрузкой F^ таким образом, что его горизонтальный размер а изменяется до величины а, (принятая схематизация игнорирует энергетически потери на трение между элементами). Предполагая механизм работы идеализированного ледяного покрова упругим, выразим, согласно классической теории упругости, объемную плотность энергии деформации ¡V элемента второго порядка как

1 " ( и ^

целого следующим образом: - 2 п2 к а2 ' ^ п-а - . Тогда на объеме

элемента второго порядка V = п-И-а2 работа внешних сил будет:

1 " ( " ^ 2-п ! V 1 )

С другой стороны работа внешних сил на г-й элемент первого порядка и'2 = {а — а 1) . Поэтому действительная работа внешних сил на упругих перемещениях системы второго порядка, состоящей из элементов первого порядка, равна:

^ 1

Нетрудно убедиться, что I]ХФ\]2. Таким образом, потенциальная энергия морского льда как системы, состоящей из отдельных структурных элементов с различными упругими свойствами, определяется как сумма средних значений потенциальной энергии отдельных элементов, а не как общая их сумма. Расхождение между энергией, затраченной на деформацию ледовой области второго порядка, и энергией, рассчитанной для нее как целого, определяется степенью изменчивости упругих характеристик элементарных элементов системы. Иными словами, чем больше коэффициент вариации упругих и деформационных характеристик, т.е. чем более неоднородна структурная характеристика ледяного покрова, тем большее значение приобретает необходимость учета вариации физико-механических свойств его локальных составляющих.

Резюмируя изложенное, следует ожидать, что наличие в реальном ледяном покрове структурных и физических неоднородностей приводит к образованию сложной иерархии структуры поля напряжений. Каждому уровню структурной и физической организации должна отвечать своя механика деформирования. Поэтому вопрос о причинах и условиях проявления неоднородного напряженно-деформированного состояния реального морского ледяного покрова неразрывно связан с его динамической структурой.

1.3. Динамическая структура морского ледяного покрова

Большое разнообразие и многомасштабность проявлений в природе структурных и физических неоднородностей морского льда делают очень актуальной задачу выделения наиболее значимых с механической точки зрения структурных областей ледяного покрова применительно к построению определяющих реологических соотношений, корректно

характеризующих его макроскопическое динамическое состояние. Как отражением существенной пространственно-временной изменчивости строения и физических свойств морского льда является большое разнообразие физико-математических моделей динамики ледяного покрова [56]. В работе [136], в частности, подчеркивается, что отсутствие надежных определяющих уравнений вносит наибольшую неопределенность в исследование динамики льда. Преодолению этой трудности будет способствовать правильное понимание связи между внешним силовым воздействием, изменением исходной структуры ледовой среды и возникающими вследствие этого внутренними механическими полями.

Силовое взаимодействие ледяного покрова протекает как процесс, реализующийся на различных типичных структурных уровнях, каждый из которых характеризуется масштабом, определяемым природой структурных неоднородностей (дефектов), ответственных за упругопластическую деформацию. Динамическая структура морского льда определяет и структуру его разрушения. Разрушение морского ледяного покрова происходит с образованием системы трещин и разломов, которые образуют многомасштабные иерархические каскады с фрактальными свойствами. В работе [41] установлено, что процесс разрушения морского льда носит автомодельный характер, а распределение ледовых

фрагментов по размерам подчиняется степенному закону: №(х > г) ~ г °, где > г) -

число фрагментов размера х > г; £) - фрактальная размерность, причем 2 <В < 3.

Приведенное соотношение свидетельствует о том, что образовавшиеся после разрушения ледяные обломки различных размеров будут под нагрузкой иметь подобную механическую структуру. Под действием даже равномерно приложенных внешних сил неоднородности ледовой структуры начинают играть роль своеобразных концентраторов, вблизи которых формируются избыточные напряжения различной интенсивности. Если в идеально упругом ледяном теле напряжения однозначно связаны с деформацией, то для реального ледяного покрова со структурой, когда наличие концентраторов напряжений способствует дополнительному поглощению механической энергии, адекватная характеристика напряженно-деформированного состояния должна также содержать определяющие параметры с размерностью длины. В свою очередь, неупругое поведение льда, связанное с развитием пластических деформаций, обуславливает релаксационные процессы, в результате которых избыточные напряжения на неоднородностях уменьшаются со временем. Таким образом, при заданной скорости деформации неоднородное напряженно-деформированное состояние морского льда как гетерогенной структурированной среды формируется, в первом приближении, за счет действия двух конкурирующих механизмов: концентрации избыточных напряжений на неоднородностях и их релаксации.

Основываясь на представлениях о реальной структуре морского льда запишем по аналогии с работой [104] одномерное линейное реологическое уравнение Максвелла, связывающее структурные напряжения Асг1 на неоднородности размера / со скоростью макроскопически однородной деформации £ следующим образом:

Л-А.ц.,^.^ 0.3.,)

где Е - модуль упругости; Урел - скорость релаксации избыточных напряжений, величину которой с целью упрощения анализа примем неизменной. Заметим, что форма выражения (1.3.1) согласуется с известным из работы [63] феноменологическим определяющим соотношением, хорошо зарекомендовавшим себя при использовании для прогнозов ледовых сжатий на стадии сплочения. Интегрирование уравнения (1.3.1) при постоянной скорости деформации дает выражение, связывающее значение избыточных напряжений с характерным размером структурных неоднородностей:

Асг, =Е-£-

V.

р ел

Г 1\

-V

1 „ рм I

1-е '

V у

(1.3.2)

Определяя для произвольно выбранного времени ? некоторое пороговое значение пространственного масштаба I = Урел • £, можно произвести разделение всех структурных

неоднородностей льда на две группы: мелкие ( / < / ) неоднородности и крупные (/ > / ) [104]. Анализируя с учетом сказанного выражение (1.3.2), можно получить следующие значения напряжений на неоднородностях разного размера:

для /< /

1

Лег, - Е-£

V.

(1.3.3)

рел

для / >

АсГ; = Е • £ •

V.

I

рел

1

1

V.

рел

I

= Е-£-1. (1.3.4)

Асг,

на мелких

В соответствии с формулой (1.3.3) структурные напряжения неоднородностях линейно связаны с их размером: чем больше масштаб неоднородности, тем выше избыточные напряжения. Для каждого размера неоднородности, взятого в

пределах масштабной шкалы / < / , Асг, неизменно во времени вследствие постоянно действующих релаксационных процессов. Что касается напряжений на крупных неоднородностях, то согласно выражению (1.3.4) они не релаксируют и продолжают увеличиваться со временем.

Проведенный качественный анализ показывает, что механическая структура морского льда и его пространственная структура связаны между собой таким образом, что всегда, в принципе, можно выбрать некий характеристический масштаб неоднородной ледовой

области (/ ), который является значимым для оценки ее напряженного состояния. Следует

иметь в виду, что по определению характеристический масштаб I = Урел • /

обусловливается также временным масштабом рассмотрения динамических процессов во льду.

В настоящее время роль внутренних неоднородных напряжений, связанных с дефектами строения морского льда и проявляющихся в широком диапазоне пространственно-временных масштабов, представляется весьма существенной в процессе разрушения сплоченного ледяного покрова и формирования его динамической структуры [89]. Для выявления основных закономерностей деформирования и разрушения морского льда с учетом внутренней структуры ледовых напряжений, обусловленных разномасштабными неоднородностями строения и реологических свойств ледяного покрова, необходимо опираться прежде всего на результаты комплексных систематических экспериментальных исследований.

1.4. Роль и место экспериментальных методов исследования в задачах динамики морского льда

В естественных условиях динамика морского ледяного покрова отличается большим многообразием пространственных и временных форм своего проявления, познание которых затруднено тем, что процесс движения и деформации морского льда осуществляется в результате совокупного действия сил различной природы: от внешних термодинамических воздействий со стороны атмосферы и океана до внутренних усилий льда, особым образом

связанных с его структурой. Отсюда следует, что механика морского льда относится к разряду естественных наук, развитие которых невозможно без опоры на экспериментальные

результаты.

Напряженное состояние морского льда формируется под действием многих факторов, учет которых для оценки напряженного состояния в теоретических задачах динамики ледяного покрова связан с большими трудностями [136]. Описание поля внутренних ледовых напряжений в простейшей постановке без учета его пространственно-временной структуры имеет существенные недостатки. Необходимость экспериментальной базы для разрешения этой задачи обосновывается различными авторами [1,69,136].

При решении прикладных задач механики льда, направленных, главным образом, на оценку сил взаимодействия ледяного покрова с сооружениями, также необходимы данные натурных наблюдений. Современные исследования напряженного состояния льда вблизи крупных арктических сооружений моря Бофорта [191] показали, что расчетная величина глобальной ледовой нагрузки отличается значительным расхождением в оценках и зависит от многих причин: стохастической природы нагружения, пространственных и временных масштабов взаимодействия, механизма разрушения льда в активной зоне, физико-механических характеристик льда и др. Этим объясняется несовершенство расчетных схем, не учитывающих в должной мере всех закономерностей поведения системы лед-конструкция. В этой связи можно считать, что в настоящее время сохраняется актуальность задачи определения нагрузки по измеренному напряженному состоянию ледяного поля вблизи сооружения.

Так как уровни движения льда разные, то и методы исследования должны отличаться между собой. На практике широкое распространение получило экспериментальное исследование механических свойств малых объемов льда (ледяных образцов), испытание которых удобно проводить в лабораторных и полунатурных условиях в широком интервале изменений физических свойств и параметров нагружения. Однако, в настоящее время не существует единой и общепризнанной точки зрения на возможность оценки напряженно-деформированного состояния реального ледяного поля по данным механических характеристик морского льда, определенных на малых образцах. До сих пор не ясно в какой степени отличаются крупномасштабные процессы деформирования и разрушения льда от маломасштабных.

В этой связи одной из ключевых задач механики морского льда является выявление и анализ масштабного эффекта. Особое значение он имеет для оценки напряженного состояния морского льда в условиях предельных нагрузок, приводящих к нарушению его сплошности. Изучить влияние масштабирования можно только на основе крупномасштабных экспериментов по разрушению льда. Между тем испытания льда в линейных масштабах до 100 м, которые являются типичными при взаимодействии ледяного покрова с широкими сооружениями, связаны с серьезными и не всегда преодолимыми техническими трудностями. Поэтому натурные исследования экстремальных динамических процессов при взаимодействии естественных ледяных полей являются весьма актуальными для задач механики разрушения льда.

В свете высказанных ранее представлений о морском льде как структурно-неоднородной упругопластической среды, можно указать следующие основные факторы, ответственные за формирование напряженного состояния заданной области ледяного покрова: определяющий тип внешних сил и их составляющих на дальней границе рассматриваемой области (сжатие, растяжение, сдвиг, изгиб); кинематический режим дальней зоны (скорость нагружения и время, в течение которого происходит вовлечение льда в процесс деформирования); температурный режим ледовой области применительно к изменению ее термонапряженного состояния; особенности структуры льда и ее статистические характеристики; физико-механические свойства локально-неоднородных

участков льда, меньшего, по сравнению с заданным, структурного уровня; пространственно-временная структура внутренних напряжений и ее изменчивость.

Эти факторы необходимо учитывать при разработке технических и методологических основ инструментальных методов исследования динамического состояния морского льда. С целью получения более полной информации, пригодной впоследствии для представления в обобщенной форме, экспериментальные исследования должны осуществляться на основе комплексных систематических инструментальных наблюдений за напряженно-деформированным состоянием дрейфующего льда на разномасштабных полигонах (микро, мезо и макрополигонах) Арктики и Антарктики. Комплекс измеряемых характеристик включает: двумерное поле макродеформаций ледяного покрова и их скоростей; главные компоненты двумерного поля внутренних напряжений в зависимости от масштаба рассмотрения; показатели разномасштабных неоднородностей строения и физико-механических свойств льда как материала и как геофизической среды; стандартные гидрометеопараметры в районе проведения исследований.

В настоящее время решены далеко не все вопросы, касающиеся инструментального обеспечения экспериментов по изучению внутренних напряжений морского льда в натурных условиях. Поэтому аппаратурно-методическое обеспечение экспериментальных исследований выступает как самостоятельная научная задача, предусматривающая выбор и разработку метода исследований, его основных принципов, устройств измерения и первичных датчиков, оценку точностных характеристик, а также создание методических основ интерпретации и алгоритмизации первичных данных. Разрешению этих вопросов посвящена 2 глава диссертации.

Заключение диссертации по теме «Океанология», Сухоруков, Константин Константинович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований получены следующие результаты:

• Разработан, изготовлен и испытан в экстремальных натурных условиях автономный программно-измерительный комплекс, предназначенный для многоканального сбора, преобразования, обработки и хранения информации о напряженном состоянии морского ледяного покрова. Физико-технические характеристики аппаратуры находятся на уровне современных мировых требований.

• Проведено теоретико-экспериментальное исследование возможностей измерения одноосного и двухосного напряженных состояний морского льда с помощью плоских направленных датчиков напряжений. Рассмотрены физические условия взаимодействия датчика со льдом и оценена погрешность измерения напряжения. Разработаны методические основы экспериментального изучения макронапряженного состояния сплошного ледяного поля с учетом неоднородностей его структуры и масштаба рассмотрения.

• Изучена изменчивость внутренних напряжений на наиболее распространенных локальных неоднородностях структуры и термического режима ледяного покрова. Установлены уровни и масштабы локализации напряженного состояния в пределах отдельных неоднородностей льда. Приведенные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что локальная неоднородность напряженного состояния льда развивается не только в результате действия внешних сил, но во многом предопределена еще на начальной стадии силового взаимодействия и обусловлена реальным строением ледяного поля.

• Исследована мезомасштабная неоднородность поля внутренних эффективных напряжений для различных условий сплоченности морского ледяного покрова. Установлено, что в пределах ледяных полей внутренние напряжения существенно различаются по амплитуде, фазе и знаку.

• Рассмотрены общие закономерности формирования напряженного состояния льда для двух пространственных областей - ближней и дальней зоны силового взаимодействия ледяного поля. Установлено, что развитие напряжений в пределах характерных пространственных масштабов имеет автомодельный характер. Выявлена пространственная структура внутренних напряжений морского льда. Показано, что напряженное состояние характеризуется иерархическим рядом типичных пространственных масштабов, отражающих особенности строения ледяного покрова, и может быть описано с помощью обобщенных параметров, которые, в свою очередь, зависят от пространственно-временных масштабов осреднения и характеристик состояния льда,

• Установлено, что при квазистатическом нагружении ледяного поля характер напряженного состояния в ближней зоне силового взаимодействия определяется преимущественным типом деформирования прикромочной области. При реализации плоского напряженного состояния чистого сжатия, работа упруго пластических сил совершается, главным образом, в локальных, соизмеримых с толщиной льда и обладающих сложной пространственной структурой, ледовых областях. На основании проведенных исследований выделены границы характерных микроструктурных областей ближней зоны: области наибольших напряжений, наибольшей пластичности, наибольшей диссипации энергии и области упругого взаимодействия. В случае развития на кромке ледяного поля упругопластического продольного изгиба характерный масштаб локализации напряжений возрастает и равен примерно семи толщинам льда.

• Выявлен характер затухания эффективных (осредненных по характерным локальным областям) напряжений в дальней зоне силового взаимодействия морского ледяного покрова. Получены эмпирические зависимости пространственного распределения внутренних напряжений, инвариантные определенным масштабам и уровням сплоченности (ТУ) льда. Отмечено, что область распространения сжимающих напряжений увеличивается с возрастанием сплоченности ледяного покрова и составляет примерно 300, 350 и 400 толщин льда соответственно для ТУ= 0.9; 0.95 и 1.

• Получены принципиально новые данные о релаксационных свойствах внутренних ледовых напряжений. Установлено, что процесс релаксации внутренних напряжений является существенно макроскопическим, проявляется на различном масштабном уровне и участвует в процессе формирования неоднородного напряженного состояния морского льда. Приведены эмпирические выражения, связывающие характерные время и скорость релаксационных процессов с характерным линейным масштабом напряженной ледовой области.

• Выявлена пространственная (в локальном и мезо- масштабах) структура внутренних термических напряжений в морском ледяном поле. Показано, что характер распределения термонапряжений определяется не только параметрами теплового поля во льду, но также особенностями его строения как геофизической среды. Предложена одномерная аппроксимация пространственного распределения термических напряжений, которая совпадает по форме с аналогичным выражением для главных напряжений, имеющих чисто динамическое происхождение. Выполнена оценка пространственно-временной взаимосвязи термических и динамических напряжений при различных условиях их проявления в природе. Экспериментально подтверждено, что в естественных условиях зимнего периода Арктики и Антарктики вклад термических напряжений, накопленных за характерное время развития синоптических процессов, в общий уровень ледовых напряжений сжатия составляет порядка 25 %.

• На основе теоретико-экспериментального исследования термонапряженного состояния морского льда разработаны основные определяющие модели, связывающие напряжения с изменениями температуры во льду и ее скоростью. Предложена прогностическая модель термонапряженного состояния дрейфующего морского льда, позволяющая рассчитывать интегральные внутренние термические усилия во льду по данным стандартных метеорологических наблюдений. Работоспособность модели проверена путем сравнения расчетных и натурных результатов применительно к различным масштабам тепловых воздействий. Проведено обоснование линейно-вязкой модели поведения припайного ледяного покрова для оценки предельного напряженного состояния при его термической деформации. На примере анализа процессов теплового расширения ледяного языка Обской губы получено удовлетворительное согласие теоретических и экспериментальных данных.

• Впервые осуществлены комплексные экспериментальные исследования динамического состояния морского льда, позволившие получить представление о связи эффективных напряжений с кинематическими параметрами ледяного покрова мезомасштабного уровня. Они показали, что ледяной покров сплоченностью N > 0.9 представляет собой квазисплошную среду, к которой могут быть применены законы механики сплошных сред. В рамках макроскопического подхода и гипотезы об изотропности напряженно-деформированного состояния морского льда установлены основные эмпирические связи между компонентами эффективных напряжений и соответствующими компонентами тензоров деформаций и их скоростей. Показано, что для данного масштаба рассмотрения в зависимости от уровня напряженно-деформированного состояния морской лед проявляет свойства как упруго-пластического, так и вязко-пластического упрочняющегося материала. На примере нелинейной реологической модели тела Максвелла исследованы временные особенности напряженного состояния ледяного покрова, а также получены оценки предельного напряженно-деформированного состояния льда. При среднем уровне напряженного состояния ледяного поля выявлен период релаксации эффективных напряжений, равный примерно 70 ч, что хорошо согласуется с данными прямых экспериментальных исследований релаксационных свойств. Выполнены количественные оценки макроскопических физико-механических параметров ледяного поля: эффективного модуля упругости и коэффициента вязкости.

• В рамках феноменологического подхода исследована динамическая структура реального неоднородного ледяного поля. Ограничиваясь одномерным приближением предложено полуэмпирическое выражение для описания пространственно-временного распределения локальных напряжений в пределах отдельного ледяного поля. Проведенное сопоставление расчетных и экспериментальных результатов показало хорошее согласие между ними. Выявлены условия подобия механического состояния ледяных полей разных размеров. В частности, установлено, что два разномасштабных ледяных поля будут подобны по механическому состоянию, если они сами геометрически подобны, а квадраты скоростей деформирования обратно пропорциональны их размерам.

• Исследованы особенности процесса разрушения морских ледяных полей в контактных зонах при взаимодействиии друг с другом или с препятствиями. Выявлены статистическая природа и регрессионные связи предельных контактных напряжений. Установлены средние уровни контактных напряжений и разброс их пиковых величин при различных формах разрушения льда. В частности, показано, что вследствие нерегулярности формы поверхности контактной области и неодновременности разрушения, пространственная изменчивость амплитуд пиковых контактных напряжений при смятии морского льда является значительной и составляет не менее 25%.

• Проведено теоретико-экспериментальное исследование предельных силовых процессов при взаимодействии стамухи с грунтом и неподвижным морским ледяным покровом под воздействием приливо-отливных колебаниях уровня поверхности моря. Разработана модель комплексного поведения системы стамуха - грунт - припай, которая учитывает наиболее важные формы квазистатического взаимодействия стамухи с окружающим льдом, а также воздействия ее на грунт с учетом возможности отрыва и всплытия.

• Экспериментально исследованы в натурных условиях процессы разрушения морского ледяного поля с учетом типа реального механизма и масштаба разрушения. Выполнена количественная оценка предельных ледовых нагрузок на основе двух подходов: локального и глобального. Анализ результатов исследований с привлечением современных данных отечественных и зарубежных исследователей показал, что в рамках локального подхода процесс разрушения ледяного покрова однозначно связан с механизмом местного разрушения льда, его геометрией и видом нагрузки. При глобальном подходе для оценки прочностных свойств ледяного поля используются разрушающие напряжения, измеренные в дальней зоне. Для установления связи между локальными и глобальными нагрузками необходимо вводить в рассмотрение дополнительные параметры, учитывающие сложную реологию ледяного покрова как геофизического объекта в заданной масштабной области. Выявленные локальный (105 - 10б Н/м) и глобальный (104 - 105 Н/м) уровни предельных погонных ледовых нагрузок отражают наиболее вероятные в природе механизмы разрушения льда и могут быть использованы на практике при оценке ледовых нагрузок на морские сооружения.

• Изучен механизм формирования напряженного состояния морского льда при макроразрывах. С привлечением модельных представлений показано, что процесс разрушения ледяного покрова неоднородной структуры обусловлен не только действием внешних нагрузок, но в существенной степени определяется внутренними усилиями, возникающими в нем самом. Впервые установлено, что макроразрушение структуры ледяного покрова приводит к бифуркационной перестройке его напряженного состояния, временной масштаб которой пропорционален масштабу области разрушения. Выявлен чувствительный к бифуркациям параметр, обладающий физическим смыслом обратной макроскопической вязкости ледяного покрова и названный "критерием поврежденности" морского льда.

• Впервые выдвинут и обоснован принцип масштабной инвариантности эволюции напряженно-деформированного состояния морского ледяного покрова при разрушении. На основе представительных натурных исследований разрушения морского льда в широком диапазоне типичных пространственных масштабов (от 0.1км до 100км), а также разработанного критерия поврежденности ледяного покрова, выведены масштабные соотношения, представляющие собой простую пропорцию характерных масштабных уровней структуры ледяного покрова, в пределах которых развитие динамических процессов протекает подобным образом. С этих позиций объяснен механизм формирования полигональной структуры морского ледяного покрова в зимнее время. Полученные результаты имеют отношение как к теоретическим задачам динамики льда (выбор масштабов рассмотрения), так и практическим (выбор масштабов наблюдения и осреднения измеряемых характеристик при ледовом мониторинге).

• Разработан метод контроля напряженного состояния и поврежденности морского ледяного покрова с учетом конкретных масштабов рассмотрения. В качестве технической основы метода используются разработанные программно-аппаратные средства, позволяющие обеспечить как автономность работы, так и наибольшую эффективность сбора, обмена и интерпретации исходных данных. Технология алгоритмизации исходных данных предусматривает получение экспресс информации в понятиях механики разрушения льда. Наиболее перспективно использование метода для целей ледового мониторинга полярных областей, а также контроля силовых процессов при взаимодействии льда с гидротехническими сооружениями.

• Рассмотрены возможности использования различных методов теплового воздействия на морской ледяной покров применительно к снижению его прочности. Предложен новый экологически чистый способ локального управления термонапряженным состоянием морского льда с помощью пассивного радиационно-конвективного экрана (РКЭ). Выполнены теоретические и экспериментальные исследования механизма переноса тепла через экранированный ледяной покров. Разработан, изготовлен и испытан в натурных условиях макетный образец изделия. Даны рекомендации для практического применения РКЭ.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Сухоруков, Константин Константинович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Аппель И.Л., Гудкович З.М. Численное моделирование и прогноз эволюции ледяного покрова арктических морей в период таяния. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992, 144 с.

2. Ассур А. Некоторые перспективные направления исследования в механике льда. - В сб. Механика. Физика и механика льда. М.: Мир, 1983, с.13-23.

3. Берха Ф. Разработка и применение теории комбинированного разрушения льда. - В сб. Механика. Физика и механика льда. М.: Мир, 1983, с.24-35.

4. Богородский В.В. и др. Напряженное состояние ледяного покрова и сопутствующий ему акустический эффект. - Труды ААНИИ, 1974, т.324, с. 69-79.

5. Богородский В.В., Таврило В.П., Недошивин O.A. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, 232с.

6. Богородский В.В. Физико-технические проблемы исследований морского льда. - В сб.: Механика и физика льда. М., Наука, 1983, с. 29-38.

7. Богородский В.В. и др. Ползучесть в ледяном покрове: распространение и времена установления упругопластических процессов. - Труды ААНИИ, 1983, т.379, с.6-10.

8. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980, 384с.

9. Богородский В В., Гаврило В.П., Сухоруков К.К. - Изв АН СССР. Акустические шумы разрушения льда при вскрытии рек. - Акустический журнал, 1977, т. 13, № 5, с.812-815.

Ю.Богородский В.В., Гаврило В.П., Никитин В.А., Сухоруков К.К. Возможности радиогидроакустического метода исследования ледовых процессов на реках. -Метеорология и гидрология, 1978, № 2, с.60-66.

11.Богородский ВВ., Гаврило В.П., Сухоруков К.К. Результаты применения гидроакустических средств для регистрации ледотермических и динамических процессов, происходящих в ледяном покрове акваторий. - Материалы конференций и совещаний по гидротехнике, 1979, с. 104-107.

12.Богородский В.В., Сухоруков К.К. Тепловое воздействие затопленной плавучей струи на морской ледяной покров. - Изв АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1983, том 19, № 7, с. 724-730.

13.Богородский В.В., Сухоруков К.К. Физические условия таяния ледяного покрова арктических морей с нижней поверхности. - Изв АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1983, том 19, № 8, с. 885-887.

14.Богородский В.В., Сухоруков К.К. Физические условия теплового разрушения морского ледяного покрова с нижней поверхности. - Метеорология и гидрология, 1983, № 7, с. 6773.

15.Богородский В.В., Сухоруков К.К. Термический режим морского ледяного покрова в условиях искусственного изменения радиационного баланса его верхней поверхности. -Метеорология и гидрология, 1984, № 5, с. 64-71.

16.Богородский В.В., Сухоруков К.К. Лабораторные исследования таяния льда при вынужденной конвекции. - Метеорология и гидрология, 1986, № 2, с. 107-109.

17.Богородский В.В., Гаврило В.П., Сухоруков К.К. и др. - Авт. Св. № 161245, 1981.

18.Богородский В.В., Смирнов В.Н. Релаксационные процессы в ледяных полях Арктики. -Докл. АН СССР, 1980, т.250, N3, с. 589-591.

19.Бондарик Г.К. Основы теории изменчивости инженерно-геологических свойств горных

пород. М.: Недра, 1971, 272 с.

20.Бородачев В.Е., Тимохов Л.А. О строении ледяного покрова. - Труды ААНИИ, 1979, т. 364, с. 52-63.

21.Бородачев В.Е., Гаврило В.П., Казанский М.М. Словарь морских ледовых терминов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1994, 127с.

22.Бородкин В.А., Гаврило В.П., Ковалев С.М. Строение и физические свойства льда северозападной части моря Уэдделла в осенне-зимний период. - В сб. Формирование базы данных по морским льдам и гидрометеорологии. СПб.: Гидрометеоиздат, 1995, с.165-179.

23.Бузуев А .Я., Дубовцев В.Ф. Статистические характеристики некоторых параметров ледяного покрова в Арктике. - Труды ААНИИ, 1971, т. 303, с. 166-179.

24.Бузуев А Я., Кузнецов И.М., Миронов Е.У. Пространственно-временная изменчивость толщины льда в Северном Ледовитом океане. Обнинск: ВНИИГМИ. МЦЦ, 1988, 72с.

25.Вагапов Р.Х. и др. Дистанционные методы исследования морских льдов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993, 342 с.

26.Вершинин С.А. Воздействия льда на морские сооружения шельфа. Итоги науки и техники. М.: 1988, т. 13, 222с.

27.ВлохН.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. М.: Недра, 1994, 208 с.

28.Воеводин В.А. Особенности ветрового сжатия льда в Северном Ледовитом океане. -Труды ААНИИ, 1978, т.354, с. 97-103.

29.Войтковский К.Ф. Механические свойства льда. М.: Изд-во АН СССР, 1960,99 с.

30.Володин Е.С., Гайцхоки Б.Я. Горизонтальные градиенты температуры во льду. - Труды ААНИИ, 1980, т. 374, с. 153-157.

31.Гаврило В.П., Дмитриев Г.Е., Тарашкевич В.Н. Способ предотвращения водоемов от промерзания. - Авторское свидетельство № 958582, 1980.

32.Гаврило В.П., Сухоруков К.К. Исследование динамики образования морского льда гидроакустическим способом. - Труды ААНИИ, 1980, т.374, с.74-79.

33.Гаврило В.П., Сухоруков К.К. Таяние ледяного покрова в условиях вынужденной конвекции. - Труды ААНИИ, 1984, т.386, с.84-87.

34.Гаврило В.П., Сухоруков К.К. Исследование теплофизических процессов в приледном слое Северного Ледовитого океана при наличии подводного теплового источника. -Труды ААНИИ, 1984, т.386, с.88-96.

35.Гаврило В.П., Сухоруков К.К., Трипольников В.П., Федоров Б.А. Способ защиты гидротехнических сооружений от давления льда. - Авт. Св. № 973699, 1982.

36.Гаврило В.П., Лебедев Г.А., Сухоруков К.К. Экранирование ледяного покрова как способ борьбы с ледовыми затруднениями. - Труды ААНИИ, 1991, т.421, с.59-64.

37.Гаврило В.П., Ковалев С.М., Недошивин O.A. Расчетные среднемноголетние характеристики механических свойств однолетнего льда Баренцева и Карского морей. СПб.: Гидрометеоиздат, 1996, 42с.

38.Гаврило В.П., Лебедев Г.А., Сухоруков К.К. Физические основы воздействия на морской лед с помощью радиационно-конвективных экранов. - Метеорология и гидрология, 1997, № 10, с. 107-119.

39.Гаврило В.П., Лебедев Г.А., Сухоруков К.К., Черепанов Н.В. О нелинейном воздействии затопленных подогретых струй на морской лед. - Доклады АН, 1999, в печати.

40.Глен Дж. Реология льда. В кн.: Лед и снег. М., 1966, 17с.

41.Гольдштейн Р.В., Мосолов А.Б. Течения фрактально-битого льда. - Доклады АН, 1992, т.324. №3, с.576-581.

42.Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. Механика разрушения и некоторые вопросы разрушения льда. - В кн.: Механика и физика льда. М.: Наука, 1983, с. 65-94.

¥З.Гольдштейн Р.В., Осипенко Н.М. О локализованном хрупком разрушении тонких тел с трещиноподобными дефектами при сжатии со стеснением. - Изв. АН СССР. Механика твердого тела. - 1987, No 5, с. 158-167.

44.Доронин Ю.П. Тепловое взаимодействие атмосферы и гидросферы в Арктике. Л.: Гидрометеоиздат, 1969, 298с.

45.Доронин Ю.П., Хейсин Д.Е. Морской лед. Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 308с.

46.Епифанов В.П. Механика деформируемого льда. Итоги науки и техники. Серия Гляциология, том 8, 1991, 200с.

47.3арецкий Ю.К., Фиш A.M. Исследование реологических свойств льда с помощью прессиометра. - Труды ААНИИ, 1974, т.324, с. 156-162.

48.3отиков И.А. Теплофизика ледниковых покровов. JL: Гидрометеоиздат, 1982, 288с.

49.3убакин Г.К., Зуев А.Н., Майоров О.Н. Опыт использования численной прогностической схемы перераспределения льда при обеспечении судоходства в Арктике. - Труды ГМЦ СССР, 1983, Вып. 256, с.44-55.

50.3уев В.А. и др. Разрушение ледяного покрова с подводных объектов. - Тр. Межд. конф. "Морской флот и современное кораблестроение", Россия, СПб., 1996, 26-29 февраля, с.АЗ-ЗЗ-1 - АЗ-ЗЗ-5.

51.Зыкова Г.Г., Терещенко Б.Б. Статистическая структура суточных экстремальных температур воздуха на Баренцевом море. - Труды ААНИИ, 1989, т.415, с.56-66.

52.Ивченко А.Б. Сопоставление расчетных термических напряжений в ледяном покрове и нагрузок на соприкасающиеся с ним сооружения с опытными. - В сб.: Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. Л., Энергоатомиздат, 1984, с. 172-175.

53.Ивченко А.Б. Глубинный датчик для измерений напряжений во льду. - Труды НИИЖТ, 1973, вып. 144, с.34-38.

54.Клячкин C.B., Сухоруков К.К. Комплексная модель динамического и квазистатического взаимодействия торосистого ледяного образования с морским дном. - Тр. Межд. конференции RAO-97, 1998, в печати.

55.Колесов С. А., Сухоруков К.К. Макроскопическое напряженно-деформированное состояние морского ледяного покрова. - Доклады АН, 1999, в печати.

56.Колесов С.А. Моделирование динамики морского льда. - В кн. Морской лед. Под ред. Фролова И.Е., Гаврило В.П. - СПб: Гидрометеоиздат, 1997, с.234-254.

57.Колесов С.А. Реологическая модель процессов торошения. - Проблемы Арктики и Антарктики, 1981, № 56, с. 39-45.

58.Колтунов М.А. Ползучесть и релаксация. М.: Высшая школа, 1976, 278 с.

59.Коржавин К.Н., Ивченко А.Б. Исследование механических свойств пресноводного льда при медленных изменениях нагрузки. - Труды ААНИИ, 1975, т. 326, с. 193-196.

60.Коржавин К.Н., Птухин Ф.И. Влияние скорости нагружения на оценку прочности льда в расчетах ледовых нагрузок. - Труды НИИЖТ, 1967, т.60, с.43-53.

61.Край П. Влияние ширины конструкции на проектные ледовые нагрузки. - В сб. Механика. Физика и механика льда. т.ЗО. М.: Мир, 1983, с.165-179.

62.Кузнецов И.М., Колесов С.А. К вопросу об оценке сжатия льдов. - Метеорология и гидрология, 1990, № 2, с. 88-93.

63.Кулаков И.Ю., Тимохов Л.А. Давление льда на стадии сплочения. - Труды ААНИИ, 1979, т. 364, с.102-109.

64.Купецкий В.Н. Макроособенности напряженного состояния ледяного покрова. - Труды ААНИИ, 1974, т.316, с. 18-24.

65.Кузнецова К.И., Годзиковская А. А. Парадокс возникновения очагов сильных землетрясений на фоне низкой сейсмической активности. - Доклады АН, том 336, №1, с.103-106.

66.Лавров В.В. Деформация и прочность льда. Л.: Гидрометеоиздат, 1969, 206 с.

67. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М.: Наука, 1976, 520с.

68.Легеньков А.П. К вопросу о термических напряжениях и деформациях ледяных полей. -Изв.АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1970, т.6, № 8, с.832-837.

69.Легеньков А.П. Деформации дрейфующего льда в Северном Ледовитом океане. - СПб, Гидрометеоиздат, 1992, 103 с.

70.Легеньков А.П. Подвижки и приливные деформации дрейфующего льда. Л.: Гидрометеоиздат, 1988, 104 с.

71.Либовиц Г. Разрушение. Том 2. Математические основы теории разрушения. - М.: Изд-во "Мир", 1975, 764 с.

72.Лосев С.М. Об особенностях строения ледяного покрова. - Труды ААНИИ, 1978, т.354, с.58-68.

73.Маэно Н. Наука о льде. Пер. с японского Леонова А.И. под ред. Петренко В.Ф. М.: Мир, 1988, 229с.

74.Макштас А.П. Тепловой баланс арктических льдов в зимний период. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 67с.

75.Марченко A.B. Модель дрейфующего ледяного покрова. - ПММ, 1994, т.58. № 1, с.40-54.

76.Марченко A.B. Модели дрейфующих льдов и изгибно-гравитационные волны: Автореф. дисс. на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук - М., 1997, 28с.

77.Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. М.: Мир, 1990, 536с.

78.Меллор М. Механические свойства поликристаллического льда. - В сб. Механика. Физика и механика льда. т.30. М.: Мир, 1983, с.202-239.

79.Миллер К. Применение механики разрушения к ледовым проблемам. - В сб. Механика. Физика и механика льда. т.30. М.: Мир, 1983, с.258-271.

80.Мишель Б. Ледовые нагрузки на гидротехнические сооружения и суда. М.: Транспорт, 1978, 112с.

81.Михеев М.А., МихееваИ.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977,343с.

82.Мисюченко И.Л., Сухорукое К.К. Автономное программно-измерительное устройство для контроля напряженного состояния морского льда. - Изв. РАН. Приборы и техника эксперимента, 1998, №4, с. 1-5.

83.Назинцев Ю.Л., Дмитраш И.Л., Моисеев В.И. Теплофизические свойства морского льда. Л.: изд-во Лен. Гос. ун-та, 1988, 259с.

84.Никифоров Е.Г., Тимохов Л.А. Математические модели деформирования ледяного покрова. - Труды ААНИИ, т.354, с. 69-79.

85.Никитин В.А. Реологические свойства ледяного покрова и возможность их определения акустическим методом. - Труды ААНИИ, 1980, т.374, с.30-36.

86.Никитин В.А., Колесов С. А. Механические напряжения и линейные нагрузки при сжатии льдов. - Труды ААНИИ, 1995, т.435, с.81-88.

87.Никитин В.А., Сухоруков К.К. Напряженное состояние морского льда в ближней зоне силового взаимодействия. - Метеорология и гидрология, 1995, № 1, с. 70-78.

88.Никитин В.А., Сухоруков К.К. Прочность морских ледяных полей и ледовые нагрузки. -Метеорология и гидрология, 1998, №11, с.78-85.

89.Новожилов В.В., Слепян Л.И. Некоторые проблемы и достижения механики разрушения. - Вестник АН СССР, 1987, т. 9, с.96-111.

90.Новокашин М.Д., Сукнев C.B., Иванов А.Н. Упругопластическое деформирование и предельное состояние элементов конструкций с концентраторами напряжений. Новосибирск: Наука, 1995, 112с.

91.Номенклатура морских льдов. Условные обозначения для ледовых карт. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974, 76с.

92.Панин В.Е. Структурные уровни пластической деформации и разрушения. Новосибирск: Наука, 1990, 255с.

93.Парамонов А.И., Сухоруков К.К. Измеритель турбулентных микропульсаций скорости течения жидкости. - Труды ААНИИ, 1983, т.379, с. 125-129.

94.Партон В.З. Механика разрушения. От теории к практике. М.: Наука, 1990, 240 с.

95.Песчанский И.С. Ледоведение и ледотехника. Л.: Морской транспорт, 1963, 343с.

96.Плювинаж Г. Механика упруго-пластического разрушения. М.: Мир, 1993, 448с.

97.Поляков И.В., Кулаков И.Ю., Колесов С.А. и др. Термодинамическая модель океана со льдом: описание и эксперименты. - Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 1998, т.34, № 1, с. 51-58.

98.Покровский Г.И. Под льдами Арктики. - Знание-сила, 1955, № 8, с. 10-13.

99.Проскуряков Б. В. Статическое давление льда на сооружение. - Труды ГГИ, вып.4(58), 1948, с.175-183.

ЮО.Проскуряков Б. В., Берденников В. П. Схема расчета подвижек и давления ледяного покрова больших водоемов на примере оз. Байкал. - Труды ГГИ, 1968, вып. 159, с.3-14.

101.Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979, 744 с.

102.Раннелс JI.K. Явление диффузии и релаксации во льду. - В кн.: Физика льда: Обзор докладов межд. симп., Мюнхен, 9-14 сент. 1968г., с. 124-127.

ЮЗ.Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974, 211с.

104.Родионов В Н. Очерк геомеханики. М.: Науч. Мир, 1996, 64с.

Ю5.Романов A.A. Льды Южного океана и условия судоходства. Л.: Гидрометеоиздат, 1984, 89с.

106.Савельев Б.А. Строение, состав и свойства ледяного покрова морских и пресных водоемов. Изд. МГУ, 1963, 541с.

107.Савин Г.Н. Механика деформируемых тел. - Киев, Наукова Думка, 1979, 466 с.

108.Савин Г.Н. Концентрация напряжений около отверстий. ГИТТЛ, 1951, 496с.

109.Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. М.: Наука, 1987, 100с.

1 Ю.Смирнов В.Н. Динамические процессы в морских льдах. СПб.: Гидрометеоиздат, 1996, 162с.

Ш.Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Приборы для изучения деформаций и напряжений в ледяных полях. - Труды ААНИИ, 1983, т. 379, с. 92-96.

112.СНиП 2.06.04-82. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения. М.: Стройиздат, 1996, 39с.

113.Соболев Г. А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993, 313с.

114.Сухоруков К.К. Исследование естественного таяния снизу ледяного покрова в Арктике. -Труды ААНИИ, 1984, т.386, с.97-100.

115.Сухоруков К.К. Физические условия таяния ледяного покрова мелководного арктического шельфа. - В сб. Электрофизические и физико-механические свойства льда. Под ред. Богородского В.В., Гаврило В.П. - Л: Гидрометеоиздат, 1989, с.214-222.

Пб.Сухоруков К.К. Экспериментальное исследование термонапряженного состояния льда. -Труды ААНИИ, 1991, т.421, с.50-58.

117.Сухоруков К.К. Квазистатические взаимодействия в системе стамуха -грунт -припай и условия всплытия стамух в весенний период. - Метеорология и гидрология, 1994, № 9, с.73-85.

118.Сухоруков К.К. Напряженное состояние морского льда при локальном изменении его термического режима. - Метеорология и гидрология, 1994, № 10, с.42-55.

119.Сухоруков К.К. Внутренние напряжения на типичных неоднородностях морского льда. - Тр. Межд. Конференции РОАС-95, 1995, т. 2, с. 128-139.

120.Сухоруков К.К. Мелкомасштабная структура внутренних напряжений сплоченного ледяного покрова. - Метеорология и гидрология, 1995, № 8, с. 63-74.

121.Сухоруков К.К. Масштабные эффекты напряженного состояния сплоченного ледяного покрова Арктики и Антарктики. - Доклады АН, 1995, т. 344, № 1, с. 115-118.

122.Сухоруков К.К. Изменчивость внутренних напряжений на характерных локальных неоднородностях ледяного покрова. - Метеорология и гидрология, 1995, № 10, с.63-76.

123.Сухоруков К.К. Структура внутренних напряжений в дрейфующих ледяных полях Арктики и Антарктики. - Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 1996, т. 32, № 2, с. 240248.

124.Сухоруков К.К. Пространственно-временные особенности релаксационных свойств внутренних напряжений морского ледяного покрова. - Метеорология и гидрология, 1996, № 11, с.78-88.

125.Сухорукое К.К. О механизме формирования напряженного состояния морского льда при макроразрывах. - Доклады АН, 1996, т. 350, № 2, с. 253-255.

126.Сухоруков К.К. Напряженно-деформированное состояние сплоченного ледяного покрова при взаимодействии с айсбергом. - В сб. Айсберги мирового океана. Под ред. Попова И.К., Воеводина В.А. - СПб: Гидрометеоиздат, 1996, с. 104-111.

127.Сухоруков К.К. Особенности напряженного состояния морского льда при разрушении. -Метеорология гидрология, 1997, № 3, с.78-90.

128.Сухоруков К.К. Возможные термические подвижки и давление льда в Обской губе. -Метеорология и гидрология, 1997, № 5, с.66-70.

129.Сухоруков К.К. Пространственно-временные особенности напряженного состояния морского льда. - В кн. Морской лед. Под ред. Фролова И.Е., Таврило В.П. - СПб: Гидрометеоиздат, 1997, с. 214-221.

130.Сухоруков К.К. Физико-технические и методические основы измерения напряженного состояния морского льда. - Метеорология и гидрология, 1998, № 2, с.85-102.

131.Сухоруков К.К. Масштабная инвариантность эволюции напряженно-деформированного состояния морского льда при разрушении. - Доклады АН, 1999, в печати.

132.Сухоруков К.К. Мезомасштабные реологические свойства морского ледяного покрова. -Метеорология и гидрология, 1998, в печати.

133.Сухоруков К.К. Исследование процессов теплового воздействия на ледяной покров Арктического бассейна. - Автореферат диссертации на соискание уч. ст. канд. физ.-мат. наук, 1981, 18с.

134.Тарасов Б.Г. и др. Физический контроль массивов горных пород. М.: Недра, 1994, 240с.

135.Тимохов JI.A. Строение и структура морского ледяного покрова. - В кн. Вертикальная структура и динамика подледного слоя океана. JI.: Гидрометеоиздат, 1989, 5-13с.

136.Тимохов JI.A., Хейсин Д.Е. Динамика морских льдов. JI.: Гидрометеоиздат, 1987, 272 с.

137.Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979, 270с.

138.Трусков П. А., Поломошнов А.М. Выбор нормативных параметров физико-механических свойств морского льда. - В сб. Обустройство морских месторождений нефти и газа. Рига: Изд-во ВНИИМОРГЕО, 1990, с.85-91.

139.Уикс У.Ф., Ассур А. Разрушение озерного и морского льда. - В кн. Либовиц Г. Разрушение. Том 7. Разрушение неметаллов и композитных материалов. - М.: Изд-во "Мир", 1975, 764 с.

140.Фридкин Р.З., Мазурин О.В. Алгоритм расчета с учетом теплопередачи излучением температурного поля в стеклянной пластине при ее нагреве или охлаждении. - Физика и химия стекла, 1979, Том 5, № 6, с.733-736.

141.Хейсин Д.Е. К выбору соотношения между деформациями и напряжениями в дрейфующем ледяном покрове. - Труды ААНИИ, 1979, т.357, с.63-71.

142.Черепанов Н.В., Федотов В.И., Тышко К.П. Кристаллическое строение морского льда. -В кн. Морской лед. Под ред. Фролова И.Е., Гаврило В.П. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1997, с.36-67.

143.Черепанов Г.П. Механика разрушения горных пород. М.: Недра, 1987, 308с.

144.Ackley S.F., Weeks W.F. Sea ice properties and processes proceedings of the W.F.Weeks sea ice Symposium. Monograph 90-1. CREEL. February, 1990.

145.Aphanasev V.P., Nikitin V.A., Smirnov V.N., Sukhorukov K.K. Dynamic processes in sea ice and ice load assesment. - Transactions Second Int. Conf. Of Russian Arctic Offshore (RAO-95), St. Peterburg, 1995, p.261-266.

146.Bercha F.G., Dange J.V., Rokne J.G. Probabilistic ice-structure interaction theory. - In Proc. IAHR Symp., Sweden, 1978.

147.Blanchet D., Kivisild H.R., Grinstead J. Eguations for local ice energy dissipations during ship ramming. - Cold Régions Science and Technology, 1990, 18, p. 101-115.

148.Blanchet D. Ice design criteria for wide arctic structures. - 3th Can. Geotechnical Colloguim, Can. Geotechnical Journal, 1990, Vol 27, № 6, December.

149.Chen A.C.T. Ice pressure sensor inclusion factors. - ASME Journal of Energy Resources Technology, 1981, Vol. 103, p.82-86.

150.Chen A.C.T., J.S.Templeton. Field in ice pressure sensor response tests. - ASME J. of Energy Resoursces Technology, 1983, Vol 105, p.6-11.

151.Coon M.D., Maykut G.A., Pritchard R.S., Rothrock D.A., Thorndike A.S. Modeling the pack ice as an elastic-plastic material. AIDJEX bull., 1974, Vol. 24, p. 1-105.

152.Coon M.D., Lau P.A., Bailey S.H., Taylor B.J. Observations of the floe stress in the eastern arctic. - Proc. offshore mechanics and arctic eng. conf., 1989, Vol. 1, p. 44-53.

153.Cox G.F.N., Johnson J.B. Stress measurements in ice. - U.S.Army Cold Regions Research and Engeneering Laboratory, Research Report 83-23, 1983, 31 p.

154.Cox G.F.N. Evaluation of a biaxial ice stress sensor. - IAHR Ice Symposium, Hamburg, 1984, Vol 2, p.340-361.

155.Cox G.F.N. A preliminary investigation of thermal ice pressures. - Cold Regions Science and Technology, 1984, Vol 9, p.221-229.

156.Croasdale K.R. et al. A pilot experiment to measure arctic pack-ice driving forces. - Proc 9th Int Conf on Port and Ocean Eng. under Arctic Conditions, POAC, 1987, Alaska, Vol 1.

157.Croasdale K.R. et al. Limit force leads and mea-surements of park ice driving forces in the Beafort sea. - Alaska OCS Region Sea Ice Forces and Mechanics, Conf. Proc., 1988, p.5-11.

158.Crosdale K.R. and Fredercing R. Field technignes for ice force measurements. - IAHR Ice Symp., Jowa City,Jowa, 1986, Vol 3, p.443-482.

159.Daoud N. and Lee F.C. Ice induced dinamyc loads on offshore structures . Proc.5th Int. Offshores Mechanics and Arctic Engineering Simposium, Tokyo, 1986, Vol 4, p. 212-218.

160.Eranti E., Lee G.C. Cold region structural engineering. Helsinki, 1986, 398 p.

161.Erlingsson B. Two-dimensional deformation patterns in sea ice. - J. of Glaciology, 1988, Vol 34, № 118, p.301-308.

162.Evans R.J., Untersteiner N. Thermal crackes in floating ice sheets. - J. of Geophysical Research, 1971, Vol 76, № 3, p.694-703.

163.Frederking et al. Ice interaction with Adams island. - Proc. 7th Int. Symp. On Ice, Hamburg, 1984, Vol.3, pp. 187-201.

164.Frederking R. et al. Ice pressure and behavious of Adams island winter 1983-84. - Can. J. of Civ. Eng., 1986, Vol 13, № 2, p. 140-149.

165.Frederking R.M.W. Ice action on nanisivere wharf, Strathcona Sound, N.W.T., Winter 197879. - Can. j. of Civ. Eng., 1980, Vol 7, № 3, September, p.558-563.

166.Frederking R.M.W. A tubular transducer for in-sity stress measurements in ice. Centre for Cold Ocean Resources Engineering. 1980, C-CORE Report 80-21, p. 165-192.

167.Gavrilo V.P.,Kovalev S.M.,Lebedev G.A.,Sukhorukov K.K. Method of slowing of ice cover -growth. - Proc 6th Int Offshore and Polar Eng Conf, Los Angeles, USA, 1996, Vol 2, p. 240245.

168.Gow J., Tucker W.R. Sea ice in the polar regions. - Polar Oceanography, Part A, Phusical Science, 1990, p.47-122.

169.Gordon F.N.Cox. A preliminary investigation of thermal ice pressures.- Cold Regions Science and Thechnology, 1984, 9, p.221-229.

170.Graham B.W., Chabot L.G., Pilkington G.R. Ice load sensors for offshore arctic structures. -WT Symposium, 1983, Vol 4, № 38, p.547-562.

171.Hallam S.D., Jones N. and Howard M.W. The effect of subsurfase irregulaties on the strenght of multiyear ice. Proc. OffShore Mechanics and Arctic Eng. Conf., Houston, 1987, Vol 4, p. 235-238.

172.Harder M. Dynamik, Rauigkeit und Alter des Meereises in der Arktis - Untersuchungen mit einem grossskaligen modell. Berichte zur Polarforschung, 1996, № 203, 127 p.

173.Hibler W.D. A dynamic-thermodynamic sea ice model. - J. Phys. Ocean, 1979, vol. 9, p. 815846.

174.Hibler W.D., Weeks W.F., Ackley S., Kovacs A. and Campbell W.J. Mesoscale strain measurements of the Beaufort sea pack ice. - Aidjex Bulletin, 1973, № 21, pp. 79-114.

175.Jefferies M.G.and Wright W.H. Dinamic response of of "Molikpaq" to ice structure interaction. - Proc.of the 7th Int. Offshore Mechanics and Arctic Engineering Conference, Houston, TX, 1988, Vol 4, p.201-220.

176.Jordaan I. J., Singh S.K. Compressive ice failure: cristal zones of high pressure. - IAHR, 1994, Vol 1, p.505-514.

177.Johnson J.B. and Cox G.F.N. The OSI ice stress sensor. Centre for Cold Ocean Resources Engineering. 1980, C-CORE Report 80-21, p. 193-207.

178.Kerr A.D. Bearing capacity of floating ice plates subjected to static or quasi-static loads. - J.

y&uai \ji \j vv hi, i w /, t ui x, / \j.

179.Kingston M.R., Spenser A.J.M. General yield conditions in plane deformations of glanular media. - J. Mech. Phys. Solids, 1970, Vol 18, p.233-243.

180.Lau A.K., Knoke G.S. Arctic ice measuremens. - Proc. of OCEANS, 1991, p.22-27.

181.Metge M., Strilchuk A. and Trofimenkoff P. On recording stresses in ice . - IAHR, Proc. 3th Int. Symp. on Ice Problems, 1975, p. 459-463.

182.Metge M., Pilkington G.R., Strandberg A.G. et al. A new sensor for measuring ice forces on structures: laboratory tests and field experience. - VVT Symposium, 1983, Vol 4, № 38, p.790-801.

183.Nelson R.D. Internal stress measurements in ice sheets using embedded load cells. - Proc. 3th Int. Conf. on Port and Engineering under Arctic Conditions, POAC, 1975, Vol 1, p. 361-374.

184.Nelson R.D., Tauriaanen M., Borghorst J. Techniques for measuring stress in sea ice. University of Alaska. Alaska Sea Grant Report 77-1, 1977, 65p.

185.Nikitin V.A., Kolesov S.A. Stresses and forces under ice compacting. - Int. J. of Offshore and Polar Engineering, vol.3, № 2, 1993, p. 139-142.

186.Niemelehto J.J., Nordlund O.P. In ice field mearements for an ice load estimation. - VTT Symposium 71, Polartech 86, 1986, Vol 2, p.762-778.

187.Noponen J., Maattanen,M. Thermal ice load against isolated structures. Pros, of 12th IAHR Int. Symp. on Ice, Norway, Trondheim, 1994, Vol 1, p.392-400.

188.Nye J.F. A coordinate system for two-dimentional stress and strane-rate its application to the deformation of sea ice. - "Aidjex Bulletin", 1976, № 33, p.131-143.

189.Parmerter R., Coon M. Model of pressure ridge formation in sea ice.- Geophys. Res., 1972, Vol 77, № 33, p.6565-6575.

190.Peyton H.R. Ice and marine structure. - Ocean Industry, Pt 1-3, 1968, Vol 3, № 12.

191.Pilkington G.R., Blanchet D., Metge M. Full scale measurements of ice forses on an arctical iseland. - Proc. of the 7th Int. Conf. on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, Helsinki, Finland, 1983, Vol 4, p.818-834.

192.Rothrock D.A. The energetics of plastic deformation in pack ice. - Aidjex Bulletin, 1974, № 27, p.63-83.

193.Sackinger W.H. and Nelson R.D. Experimental measurements of sea ice failure stresses near grounded structures. - Final Report NOAA Contract No.03-05-022-55, 1978,Task7, p.85 .

194.Sackinger W.M. and Nelson R.D. Ice stresses near grounded structures. - Proc 5th Int Conf POAC-79, Trondheim, 1979, Vol 1, p 57-72.

195.Sanderson T.J.O. A pressure-area curve for ice. - In Proc. 8th Int. Symp. On Ice, 1986.

196.Shkhinek K., et al. Comparison of the russian and foreign codes and methods for global load estimaions. - Proc. of the 13th Int. Conf. on Offshore Mechanics and Arctic Engineering. (OMAE), 1994, Vol. 4, p.75-82.

197.Smirnov V.N., Sukhorukov K.K. Experimental studies of thermal stresses in the ice. - Int. J. of Offshore and Pol. Eng., 1993, Vol 3, № 4, p 324-328.

198.Smirnov V.N., Sukhorukov K.K. Quasi-static thermal stresses in the sea ice. - Proc. 12th. IAHR Int. Symp.on Ice,Trondheim, Norway, 1994, Vol 1, p. 411-415.

199.Sukhorukov K.K. Stresses in ice floes at dinamic ice interaction. - In Report "Dynamics of Ice Interacting with Offshore Structures" (Order DTJ 013487), that prepared for Statoil by the Arctic and Antarctic Research Institute, St.Petersburg, 1994.

200.Sukhorukov K.K. A mobility of consolidated part of stamukha relative to ground and conditions of its rize to the surface. - In Report "Study of Extreme Ice Features in the Kara Sea", that prepared for AMOCO Eurasia Petroleum Company (AEPC) by the Arctic and Antarctic Research Institute, St.Petersburg, 1993.

201.Sukhorukov K.K. The peculiarities of the ice stress state. - In Report, that prepared for AMOCO Eurasia Petroleum Company (AEPC) by the Arctic and Antarctic Research Institute, St.Petersburg, 1996.

oao qiiwir'.nivf^./ t^ c/-»o 1 1 n nf +v\o ipo -pi o -m-f-ii-r-nal pfriiccoc _ t5t*r\r* tvl

IJUR.11U1 I4IVU V -LV.XV. J^/dlV VXXWtD ill UldU 1UUUUU wx lilv lW xiv/v Aiitvi nCLi 5ti A a v/v. A 111.

IAHR Int. Symp. on Ice Trondheim, Norway, 1994, Vol 1, p.447-453.

203.Sukhorukov K.K., Smirnov V.N. In sity investigations of the shore-ice -grounded hummock interaction. - Proc. 12th. IAHR Int. Symp. on Ice Trondheim, Norway, 1994, Vol 1, p. 442-446.

204.Sukhorukov K.K. The structure of internal stresses in the uncompacted ice cover. - Proc 5th Int Offshore and Polar Eng Conf, Hague, Netherlands, 1995, Vol 2, p 393-397.

205.Sukhorukov K.K. Internal stresses at tipical local ingomogeneities of sea ice cover. - Proc 13th Int Conf on Port and Ocean Eng under Arctic Condition, Murmansk, Russia, 1995, Vol 2, p 128-139.

206.Sukhorukov K.K. Experimental investigations of sea ice internal stresses relaxation properties. -Proc 6th Int Offshore and Polar Eng Conf, Los Angeles, USA, 1996, Vol 2, p.354-360.

207.Takenchi T. and Shapiro L.H. The Deformation of floating ice sheets of variable thickness under in plane compressive loading. - Proc. Offshore Mechanics and Arctic Eng.Conf., 1989, Vol 3, p. 385-405.

208.Templeton J.S. Measurement of sea ice pressures. - POAC, 1979, Vol 1, p.73-87.

209.Templeton J.S. Analisis for an embedded ice pressure sensor. - ASME J. of Energy Resoursces Technology, 1981, Vol 103, p. 87-95.

210.Tucker III W.B. and Perovich D.K. Stress measurements in drifting pack ice.-J. Cold Regions Science and Technolodgy, 1992, Vol 20, № 2, pp 119-139.

21 I.Wang Y.S., Ralston T.D. Elastic-plastic stress and strain distribution in an ice sheet moving against a circular structure. - VTT Symposium 28, 1983, Vol 2, p.940-951.

212.Wright B.D. and Timco G.W. A Reviev of ice forces and failure modes on the Molikpag. -Proc. 12th IAHR, 1994, Vol 2, p. 816-825.