Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Неоднородное напряженное состояние морского льда

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Неоднородное напряженное состояние морского льда"

2 Зк № (Ад^^ьная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Государственный научный центр Российской федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт

(ГНЦ РФ ДАНИИ)

на правах рукописи

СУХОРУКОВ Константин Константинович

УДК 551326

НЕОДНОРОДНОЕ НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МОРСКОГО ЛЬДА

Специальность 11.00.08- Океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской федерации Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте (ГНЦ РФ ДАНИИ)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, проф. Р.В.Гольдштейн доктор геолого-минералогических наук,

чл.-корр. РАЕН Ю.Г.Киселев

доктор физико-математических наук Л.А.Тимохов

Ведущая организация: Российский гидрометеорологический институт

Защита состоится 10 декабря 1998 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.024.04.01 по присуждению ученой степени доктора наук при Государственном научном центре Российской федерации Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте. Адрес института: 199397, Санкт-Петербург, ул. Беринга, д. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ААНИИ.

Автореферат разослан "с" " //¿¿-ч-иХ. 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

В.П.Карклин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЕ-.»

Актуальность. Современный этап развития мировсн н отечественной экономики неразрывно связан с усилением деятельности человека в арктических и антарктических районах. В сг.язн с з) им гозросли потребности в более полном понимании механически^' процессов, происходящих в морском jIeдянoм покрове при его деформировании и разрушении. Приоритетными остаются направления исследований по физике и механике морского льда, направленные, в первую очередь, на решение практических задан, способствующих освоению природных ресурсов труднодоступных полярных областей земного шара (раф^'огка методов контроля и пропоза динамических процессов во льду, решение технических задач по обеспечении) нужд судоходства ч кшерзгчтчмх акваториях и защите гидротехнических сооружений от возденет аил льда).

Актуальность таких исследований отражена за последние 10 лет в заданиях на научно-исследовательские разработки ;ю ведомственным программам и планам НИОКР Росгидромета, Государственно!"; научно-технической профамме "Комплексные исследования океанов и морей Арктики и Антарктики", Научно-технической программе "Исследование природных условий полярных областей" и Плану фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ ГНЦ РФ ААНИИ.

Целыо работы является установление закономерностей формирования напряженного состояния морского льда с учетом неоднородпостей 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. Ддя реализации этой цели были сформулированы и решены следующие задачи: « проведение лабораторных и полунатурных исследований, а также комплексных систематических инструментальных наблюдений за напряженно-деформироваиным состоянием морского льда на разномасштабных полигонах;

• получение статистически значимых оценок характеристик пространственно-временной структуры внутренних напряжений в дрейфующих морских ле . .чых полях и их связи со структурой деформируемого ледяного покрова;

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

• <» выявление основных пространственных структур полей термических

напряжений в морском льде, а также разработка определяющих моделей, связывающих напряжения с колебаниями температуры во льду и . ее скор 1СТ1.ю;

• 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.

Методы исследования базировались на фундаментальных представлениях физики и механики льда, динамики неупругих сред и механики разрушения. Глазное .внимание было уделено экспериментальным методам изучения влияния гетерогенности морского льда па его напряженно-деформированное состояние и объяснению физики процесса разрушения ледяного покрова как многоуровневой системы взаимно согласованных областей деформации различного масштаба.

Научная новизна работы состоит в качественно новом подходе к изучению механических процессов в морском льде, базирующемся на представлении ледяного покрова как гетерогенной структурно-неоднородной среды. В рамках таких представлений впервые рассмотрены особенности пространственной и временной структур полей внутренних ледовых напряжений применительно к различным масштабам внешних цоздействий и структурных несднородностей льда.

Предметом заишты являются: » Физическая модель пространственной структуры полей внутренних напряжений морского льда в форме дискретного ряда характерных микро и мезомасштабов.

« Макроскопическая модель релаксации ' внутренних напряжений, \станавлииающая пространственно-временную связь диссипативных

процессов в морском ледяном покрове.

• Термомеханическая модель состояния морского льда, уч-.пькиющая локальные и мезомасштабные неоднородности его строения п 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 разруикчпп;.

Достоверность основных научных положений и рег/мч/гатов проведенных исследований обеспечивается корректной постановкой экспериментальных и теоретических задач, использованием современных средств измерений и магемагнческих- методов обработки информации, а также сопоставлением полученных данных с известными экспериментальными и справочными материалами.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследований могут найти применение в теоретических (выбор определяющих реологических моделей) и практических (выбор оптимальных пространственно-временных масштабов наблюдения) задачах динамики ледяного покрова, а также дня инженерных целей при оценке предельных ледовых нагрузок на морские гидротехнические сооружения, в частности, в разработке методов контроля и управления напряженным состоянием морского ледяного покрова с учетом конкретных масштабов рассмотрения. Эти методы могут быть использованы в оперативной практике в организациях Росгидромета (Гидрометеоцентр; СевероЗападное, Северное, Сахалинское управлении по гидрометеорологии: Арктический и антарктический НИИ), организациях МО, проектных организациях Министерства газовой и нефтяной промышленности России (Арктикморнефтегазразведка, СахНИПИморнефть, ВНИПИморнефтегаз), а также на контрактной основе международными нефтяными компаниями EXXON, АМОСО, S TATOIL. -

Аппробацня работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях физико-технической секции Ученого совета ААНИИ (1995, 1996. 1997); на совещании рабочей группы "1се Station Weddell-!" (Хельсинки-Хельсингфорс, 1993); на международной конференции "Освоение шельфа арктических морей" (Санкт-Петербург, RAO-93, 2 доклада, RAO-95, RAO-97); на международной конференции "Морские месторождения нефти и газа в России" (Санкт-Петербург, 1994); на международной конференции "International Association for Hydraulic •Research" (Тронхейм, 1AHR-94, 3 доклада); на международной

конференции "Port and Océan Engineering under Arctic Condition" (Мурманск. POAC-95); на международной конференции "International SocL.y of Offshore and Polar Engineers" (Гаага, ISOPE-95; Лос-Анжелес, ISOPb-96, 2 доклада); на международной научно-технической конференции "Современные методы и средства океанологических исследований" * (Москва, МСОИ-98); на международной конференции "Internationa! Shipbuilding Conference" (Санкт-Петербург, ISC-98).

В полном объеме диссертация докладывалась на расширенном заседании физико-технической секции с участием членов секции океанологии и ледоведения Ученого совета ААНИИ (1998).

Публикации. Материалы диссертации последовательно изложены в цикле научных статей в ведущих отечественных (Доклады Академии наук, Известия АН. Физика атмосферы и океана, Метеорология и гидрология) и зарубежных изданиях (всего научных работ - 52, из которых 29 подготовлены в соавторстве и 23 единолично).

Личный склад в работы, выполненные в соавторстве, состоял в участии на всех этапах исследования: постановке задач, разработке методов экспериментальных исследований и алгоритмов обработки первичной информации, проведении экспериментов, анализе результатов обработки, их обобщении, написании текста. Из работ, выполненных в соавторстве, в диссертацию включены только те результаты, которые получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Вся совокупность полученного материала, по-зозможности, систематизирована с единых методологических и структурных позиций. Ввиду проведения большого количества разнообразных и разноплановых экспериментапьных 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 введения. Диссертация, в целом, представляет собой три взаимосогласованных смысловых блока: инструментальное обеспечение экспериментов, теоретико-экспериментальное исследование и практическая реализация научных результатов. Она состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 304 сг,х1!шц;1х, из которых 175 страниц основного текста, 120 с границ иллюс ¡раций и 9 страниц списка литературы (212 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ РАКОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулирозаны цель и задачи исследования, научная новизна, основные защищаемые положения, практическая ценность, а также дана краткая аннотация диссертации по главам.

Первая глава содержит краткую и обшую морфологическую характеристику полярных льдов в связи с их динамикой и является вводной к последующему основному материалу диссертации. В ней обсуждаются методопогические аспекты физики и механики структурно-неоднородного морского ледяного покрова. Наглядно проиллюстрировано, что наличие в реальном ледяном покрове структурных и физических неоднородностей приводит к образованию сложной иерархии структуры поля напряжений. Каждому уровню структурной и физической организации отвечает своя механика деформирования. Поэтому вопрос о причинах и условиях проявления неоднородного напряженно-деформированного состояния реального морского ледяного покрова неразрывно связан с его динамической структурой. Рассмотрение механических характеристик ледяного покрова должно осуществляться с учетом их статистических особенностей и масштабного порядка. Для выявления основных закономерностей деформирования и разрушения морского льда с учетом внутренней структуры ледовых напряжений, обусловленных разномасштабными неоднородностямн строения и реологических свойств ледяного покрова, необходимо опираться прежде всего на результаты комплексных систематических экспериментальных исследований.

Так как уровни движения льда разные, то и методы исследования должны отличаться между собой. В рамках данной работы экспериментальные исследования осуществлялись па основе комплексных систематических инструментальных наблюдений за напряженно-деформированным состоянием дрейфующего льда на разномасштабных микро и мезополигонах полигонах Арктики и Антарктики. Основные экспериментальные результаты получены на научно-исследовательском полигоне в районе архипел;:ы Северная Земля (стационар-полигон, 19811983г г.), 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.). Комплекс измеряемых характеристик включал: двумерное поле макродеформаций ледяного покрова и их скоростей;

главные компоненты двумерного поля внутренних напряжений в зависимости от масштаба рассмотрения; показатели разномасштабных неодмородиостей строения и физико-механических свойств льда ках материала и как геофизической среды; стандартные гидрометеопараметры в районе проведения исследований.

В настоящее время решены далеко не все вопросы, касающиеся инструментального оснащения 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 вторая глава диссертации. Необходимость детального изучения неоднородного механического поля в морском льде потребовала разработки направленного плоского датчика напряжений малых размеров, который внедряется в леновую толщу через скважину и замораживается в ней. За основу принята конструкция со стержневым упругим элементом и жесткими накладками. Датчик селективен к направлению приложения нагрузки, имеет линейную характеристику чувствительности и вырабатывает аналоговый электрический сигнал разбапансп мостовой тензометрической схемы, обеспечивающей также его температурную компенсацию. В режиме измерения аналогог-ые сигналы преобразуются в форму, удобную для аналого-цифрового преобразования, затем оцифровываются и после соответствующей математической обработки по заданному алгоритму размещаются в блоке памяти. Многоканальное преобразование и хранение информации, получаемой с первичных датчиков напряжений, осуществляется с помощью специально разработанного автономного программно-измерительного устройства на основе однокристальной э.в.м.

Моделируя работу датчика системой упругих последовательно-параллельных стержней, разработана приближенная теория взаимодействия плоского датчика с окружающим льдом. На основе модельных представлений оценена погрешность измерений в зависимости от свойств среды и геометрических характеристик датчика, а также рекомендованы пути ее уменьшения. Особо рассмотрены вопросы измерения двумерного г;сля напряжений. Реализованная точность измерений не хуже 10 % для •> мру то го поведения льда, 20 % - упругопластического и 30 % -пластического.

В третьей главе представлены результаты натурных исследований

напряженного состояния сплоченного ледяного покрога Арктики и Антарктики. Основная задача .исследований состояла в измерении ыавных компонентов нормальных внутренних напряжений на различных характерных неоднородностях морского льда. Использование большого количества датчиков позволяло изучать как дифференциальные, так и интегральные характеристики напряженного состояния. При исследовании микромасштабной неоднородности напряженного состояния особое внимание уделялось градиентным зонам с резким рашелом параметров и свойств льда: границы разрывов, неровности рельефа, нарушения гидростатического равновесия, различия в температуре.

Прежде всего на характер распределения внутренних напряжений с ледяном поле существенное влияние оказывают неравномерности распределения толщины льда. Путем обобщения экспериментальных данных установлено, что в случае плоского напряженного состояния чистого сжатия локальные напряжения в переходных зонах перепада толщин льда могут превышать средние величины а два раза. При развитии в этих областях продольного изгиба величины пульсаций напряжений на отдельных участках превышают средний уровень внешних сжимающих напряжений в 4-5 раз. Относительная локальная пространственная неоднородность напряженного состояния, выраженная модулем коэффициента вариации, достигает 400% и более.

В области неизостатического равновесия льдины зоны концентрации напряжений простираются на расстояния, равные примерно 7-ми толщинам льдэ, при этом величина локального напряжения может втрое превышать средний уровень. Температурный режим вносит определенный вклад в развитие напряженного состояния неоднородной льдины. Термонапряжения возникают преимущественно в пограничных зонах с максимальным горизонтальным градиентом температуры, а их уровень может быть соизмерим с уровнем напряжений чисто динамического происхождения.

В процессе фронтального взаимодействия даже слабонеоднородных ледяных полей их кромки испытывают сложное нагружение, связанное с развитием как горизонтальны':, так и вертикальных усилий. Усилия вдоль кромки ледяного поля распр лелены неравномерно, разброс их пиковых значений в направлении 1-раницы взаимодействия составляет для многолетнего льда более 20%.

Изменчивость вертикального профиля нормальных напряжений также существенна. Профили нормальных напряжений нелинейны по толщине. Нейтральная плоскость не всегда проходит посередине сечения, . ее положение случайным образом меняется примерно в пределах одной

четверти толщины льда. Можно утверждать, что основная работа по нагружению сечения льда совершается в верхней половине его толщины.

Исследования показали, что неоднородность напряженного состояния не ограничивается микромасштабом, соизмеримым с толщиной ледяного покрова и его локальными структурами, но также присуща мезомасштабным ледовым областям, соизмеримым с размерами отдельных ледяных полей. Установлено, что в пределах ледяного поля внутренние напряжения характеризуются большой изменчивостью, при этом они отличаются не только амплитудными значениями, но также фазой и знаком. Учитывая разномасштабный характер структурных особенностей и напряженного состояния морского льда, целесообразно рассмотрение общих закономерностей развития внутренних напряжений выполнить раздельно для двух пространственных областей - ближней и дальней зоны силового взаимодействия ледяного поля.

Ближняя зона взаимодействия. Результаты различных экспериментов с нагружением локальных объемов льда в натурных условиях обобщены на рис.1 в виде безразмерной кривой 1 распределения главных напряжений по дистанции /? ближней зоны. Анализ показывает, что неустановившееся пластическое течение локализуется преимущественно в ограниченной области, горизонтальный масштаб которой соизмерим с толщиной ледяного покрова А. Установлено, что существует подобие в развитии внутренних напряжений в нагружаемых участках ледяного покрова различной толщины. Это указывает на автомодельность процесса развития напряженного состояния в ближней зоне. Аналнз нестационарного режима ползучести льда позволил выявить явно нелинейный ход процесса переноса упругопластической энергии в области нафужения. На основании проведенных исследований определены следующие микросгруктурные области ближней зоны: 1.0 < Л/Л < 0.1 - область наибольших напряжений, П. о.1 < Л/Л <, 0.4 - область наибольшей пластичности,

0.4 < /?/А < 0.5 - область наибольшей диссипации энергии, 1 У. у?//, > 0.5- область упругого взаимодействия. Сказанное справедливо для условий плосконапряженного состояния льда при отсутствии изгибных деформаций. В том случае, когда край льдины испытывает продольный изгиб, область действия нормальных пенрял.епий в ближней зоне возрастает и для квазистатического режима нафужения зоьнсит б основном от толщины льда. В соответствии с кривой ?. рис. I Величина характерного пространственного масштаба унругонласмнеского продольного изгиба краевой области ледяного поля

составляет примерно семь толщин льда.

Дальняя зона взаимодействия. Эксперименты показали, что простирание полей внутренних напряжений при взаимодействии льдины на кромке не ограничивается ближней зоной. Интересно выяснить, насколько велика область дальнодействия, з которой напряжения весомы. Естественно, что в этом случае анализ неоднородного напряженного состояния будет зависеть от временной и пространственной детализации рассматриваемых процессов и должен выполняться на основе статистических методов. Так как механизм передачи внутренних напряжений зависит от сплоченности N льда, обработка результатов измерений проводилась отдельно цля сплошного ("базовые ледяные поля, N = 1) и дискретного (0.9 < Л' < 1) ледяного покрова.

Сплошное ледяное I. о л е. Для исследования статистической структуры поля внутренних напряжений привлечены результаты длительных (более двух месяцев) непрерывных измерений компонентов напряжений в различных фиксированных точках измерительных полигонов, оборудованных в пределах базовых ледяных полей. Пространственная дискретность измеряемых характеристик осуществлялась в двух уровнях: мезомасштабная структура напряженного состояния рассматривалась на основе осредненных оценок внутренних напряжений, взятых для локальных масштабов. Выбранный из условия максимальной пространственной связи между различными напряженными участками льдины временной масштаб осреднения составил 3-5 сут. Для выявления обобщенных зависимостей использовались наблюдения тех периодов, когда направление главных максимальных компонентов напряжений примерно совпадало с направлением измерительной линии.

Результаты обработки экспериментальных данных представлены кривой 5 рис. 1. Можно видеть, что внутренние напряжения не распространяются на всю льдину, а затухают по мере удаления от границы взаимодействия. Протяженность дальней зоны связана с толщиной льда и ке зависит от интенсивности иагружения. Максимальный пространственный масштаб распространения напряжений от границы взаимодействия составляет прч черно 400 толщин льда.

Несплошкой л е ; я н о й покров. Корректные измерения силы внутреннего взаимодействия дискретного льда возможны только при достаточно плотной упаковке льдин в массиве, когда обмен импульсом между ними происходит путем прямой передачи нормального давления. Этому требованию соответствует уровень сплоченности N > 0.9. Структура напряжений несплошного льда получена по данным экспериментальных наблюдений силового взаимодействия антарктического ледяного поля с

айсбергами. Измеряемые напряжения сопоставлялись с расстоянием до айсбергов, движение которых отвечало условиям мезомасштабного взаимодействия с постоянным уровнем разрушающих напряжений в зоне контакта. Результаты анализа представлены в безразмерном виде на рис.1 кривыми 3,4 и 5, иллюстрирующими характер затухания средних напряжений во льду разной сплоченности с увеличением расстояния от источника горизонтальной нагрузки. Отметим, что область распространения сжимающих напряжений увеличивается с возрастанием сплоченности и при N = 1 совпадает с протяженностью дальней зоны сплошного ледяного поля. Максимальный пространственный масштаб распространения напряжений от границы взаимодействия составляет примерно 300, 350 и 400 толщин льда соответственно для сплоченности // = 0,9; 0,95 и 1,0.

Представленные результаты раскрывают поведение ледяного покрова неоднородной структуры как упругопластической среды с параметрами, зависящими от масштаба и характеристик состояния. Обобщенные зависимости пространственного распределения главных напряжений аппроксимированы следующим образом:

о- = ам-ехр^-7.33-^, (1)

о = >ечр(- 0.37 (2)

а = ам • ехр| - 1.28 • 10"5 • —, (3)

■V

а - ам -ехр! - 1.82 -10 •тг|> (4)

/- 2.6

о" = ам -схр^- 2.62 -10

где выражения (1) и (2) характеризуют экспонеициапьный закон спадания напряжений е ближней зоне соответственно для условий чистого сжатия и продольного изгиба, а выражения (3) - (5), совпадающие по форме с гауссовым законом распределения, справедливы для дальней зоны взаимодействия соответственно сплошного ледяного поля (//=1) и ледяного покрова сплоченностью (Ы » 0.95) и (Ы. » 0.9).* Из анализа аппроксимированных зависимостей следует, что энергия, поступающая в неоднородную ледяную пластину от источника горизонтальной силы на кромке, не уходит на бесконечность, а распределяется по дискретному ряду характерных пространственных масштабов.

С целью более полного анализа механического состояния реального ледяного покрова данные о пространственной структуре необходимо дополнить исследованиями временных характеристик, раскрывающих эффекты релаксации внутренних напряжении на характерных неоднородностях ледовой среды. На сегодняшний день пет ни достаточно четких физических представлений о механизмах релаксации напряжений в ледяном покрове, ни однозначных количественных оценок времени и скорости их релаксации. Известные экспериментальные результаты либо характеризуют кратковременные эффекты сброса упруго-мгновенных напряжений, либо получены в условиях, не позволяющих однозначно ■связать время релаксации с масштабом пластически деформируемом ледовой области. В чет Бертой главе выносится на обсуждение иепвая попытка выявить релаксационные процессы внутренних напряжении применительно к условиям мсзомасштабного (характерный линейный масштаб - километры) ледового полигона. Термин "релаксация" понимается в широком смысле. Он характеризует собой любые процессы, ведущие к уменьшению внутренних напряжений во льду после снятия нагрузки. Разнообразие масштабных уровней деформируемых областей ледяного покрова предполагает существование различных механизмов релаксации, которые в конечном итоге определяют пластическую деформацию льда как системы. Ввиду сложности задачи изучение диссипативных процессов в морском ледяном покрове осуществлялось на основе экспериментальных исследований.

Лабораторные и полунатурные эксперименты показали, что оценка релаксационных характеристик льда не корректна без учета его характерных размеров. Установлено, что для локальных областей, соизмеримых с толщиной ледяного покрова, время релаксации внутренних напряжений г линейно зависит от характерного пространственного масштаба Я (г~/?).

Изучение релаксационных эффектов в естественных ледяных полях сопряжено с необходимостью осуществления комплексною контроля за напряженно-деформированным состоянием ледяного покрова в районе активных динамических провесов, сопровожчающихся образованием крупных разрывов льда. Лс оные условия, з которых выполнялись эксперимента, в полной мере удовлетворяли этому требованию. В качестве критерия оценки процесса релаксации внутренних напряжений морского льда использовалась величина "времени релаксации" г, которая определялась в режиме разгрузки ледяных полей в целом или их частей. Изменение локальных напряжений во времени при разгрузке оценивалось

для главных направлений, при этом в качестве характерного пространственного масштаба принималось расстояние от точки измерения до ,раницы разрыва льда. Отсчет величины г соответствовал моменту времени, характеризующего уменьшение сжимающих напряжений в "е" раз по сравнению с первоначальным уровнем.

В процессе наблюдений было установлено, что после снятия внешней нагрузки характер уменьшения локальных напряжений во времени в значительной степени зависит от расстояния до разгружающей трещины. Обобщенная по различным экспериментам масштабная зависимость постоянной времени релаксации представлена на рис.1 кривой 6. Из регрессии одних данных на другие получено эмпирическое выражение:

связывающее квадратической зависимостью характерное время релаксации т (в часах) напряженной мезомасштабной ледовой области с ее характерным линейным размером К (нормирование Л по толщине льда Л обосновано подобием во временном ходе релаксационных кривых, полученных на льдах разной толщины). Коэффициент пропорциональности К и 3 соответствует наиболее типичным условиям сплоченного морского льда зимой, однако, по-видимому, может изменяться в зависимости от состояния ледяного покрова и времени года.

Полученная оценка г может быть использована в качестве характеристической меры времени, разделяющей процессы упругого и вязкоплусгического поведения морского ледяного поля мезомасштабного уровня. Поскольку время релаксации проявляет масштабкую зависимость, с очевидностью можно ожидать, что переход ледяного поля в целом (дальняя зона характерного масштаба /?3р. * 400А) в состояние вязкопластического течения будет происходить за время, значительно превосходящее время развития течения льда в прикромочной области (ближняя зона льдины я I-1СА). Показано, что после разрушения ледяного поля фронт релаксации напряжений постепенно перемещается от зоны разгрузки к его центру с некоторой скоростью зависящей ог характерного зремени начального силового воздействия. При характерном периоде нагружения льдины более 1 суток скорость репаксации в дальней зоне силового взаимодействия может быть оценена по эмпирической формуле:

где размерность I] , в м'ч, а Л в метрах. Расчетные оценки У^

пэдтзерждены фактическим материалом.

В заключении данной главы отмечено, что процесс релаксации внутренних напряжений является существенно макроскопическим, проявляется на различном масштабном уровне и участвует в процессе формирования неоднородного напряженного состояния морского льда. Полученные эмпирические зависимости отражают связь временного и пространственного масштабов диссипативпых процессов напряженного ледяного покрова и могут найти применение в нестационарных задачах моделирования динамики льдов.

Поскольку термические напряжения прояелены в морском ледяном покрове также широко как и напряжения чисто динамического происхождения, изучению их нросгранственнс-временных особенностей целиком посвящена пятая глава. В ней представлен анализ и?всстных теоретических и экспериментальных исследований термических деформаций и напряжений ц естественных условиях ледяного покрова, который показал, что в настоящее время кет ясного представления с сущности, особенностях и закономерностях рассматриваемого явления, особенно для случая морского льда. Термические напряжения ледяного покрова определяются, в основном, условиями, ограничивающими его свободную деформацию. Ограничения возникают вследствие градиента температуры, анизотропии льда и влияния геометрической формы. При определенных строении, толщине, условиях теплообмена и реакциях на контуре ледяного поля характер его термической деформации также будет зависеть от амплитуды изменений температуры воздуха, скорости ее изменения в данный момент времени, продолжительности этого изменения и величины самих напряжений. Помимо этого в реальных временных масштабах температурных воздействий лед обнаруживает сложные механические зависимости, обусловленные проявлением ярко выраженных реологических свойств: ползучести и релаксации напряжений во времени. Наличие различных масштабов областей изменения физико-механических параметров ледяного покрова, а также совместное проявление различных видов ограничений (теплофизчческих, геометрических и др.) затрудняет изучение его поведения подт.'/ловой нагрузкой теоретическими методами, что, в свою очередь, при* о *.ит к необходимости преимущественного использования для этого натурных инструментальных наблюдений.

Лабораторные (с обжатыми стальной обоймой ледяными образцами) к полунатурные (в искусственных майнах, ограниченных в плане жестким стальным поясом) исследования показали, что напряжения реагируют не только на величину приращения температуры и ее скорости, но также :ущественно зависят от начальной (стартовой) температуры. С

повышением начальной температуры общее напряженное состояние возрастает. Для всех случаев механическая реакция на изменение температуры в центре ледовой области слабее, чем на периферии: различие по напряжениям между ними в среднем достигает 25 %. Выявлена различная временная реакция центральных и краевых термонапряженных областей при бифуркационном переходе ледяной пластины из одного устойчивого состояния в другое. Временное запаздывание между ними составляет примерно 1.5ч для характерного линейного масштаба ~7Ь. Эта оценка согласуется с представленными выше результатами исследований масштабных эффектов релаксационных свойств внутренних напряжений локальных объемов льда. По мере увеличения солености термические напряжения существенно уменьшаются. Полученные в условиях опытов термические усилия ото льда соленостью (0+3 )%о на жесткую вертикальную стенку составили в среднем 300 -г 400 кН/м, что соизмеримо с усилиями чисто динамического происхождения.

Количественная связь между механическими и термическими характерист иками установлена в опытах по искусственному экранированию ледяною покрова при различных схемах его теплового нагружения. Основное внимание уделялось изучению напряженного состояния в локальных пограничных зонах с резким разделом тепловых свойств. Изучение связи локальных процессов изменения температуры во льду и механических напряжений показало, что размеры областей концентрации термонапряжений совпадают с размерами тепловых неоднородностей и соизмеримы с толщиной льда. Эксперименты выявили сложную нелинейную зависимость между приращением напряжения Лег, горизонтальным температурным напором АТ и скоростью его изменения А'/', что свидетельствует о существенном влиянии упругопластических свойств льда на его термонапряженное состояние. В рамках теории упрочнения иредлох<ены определяющие соотношения, характеризующие реологическое термонапряженное состояние локальных областей морского льда как в условиях полного ограничения тепловой деформации (абсолютно твердые границы):

а=- 15.4.10'" •Д7-06-Д7-"5, (6)

гак и частичного (подвергающийся тепловому воздействию объем льда

находи I ся в массиве):

Ла - 7.2 - 10г' • АГ"° • Д7"'5. (7)

Наименование физических величин, входящих в эти выражения,

соответствует системе СИ. При 0<ЛГ<3 град. 0<д/-'2 град'ч соилсме расчетных данных с экспериментальными достигается с точностью то 20%.

Рассмотрена возможность использования реологического соотношения (7) для расчета внутренних напряжений с учетом мезомасштабных эффектов неоднородности тепловой структуры уора.ого льда. С этой целью проведены совместные натурные исслеломнпя термического режима и напряженною состояния смерзшихся дечяных полей разной толщины (Зм и 1.85м). За исследуемый период (б'»лее полумесяца) температура воздуха изменялась з широком лиана ;<»че величин: от -43°С до -8°С, при этом средние температуры, нзмере;-:р.е в поверхностных слоях (на 1лубине 0.?м ог дневной поверхности) еоее пг'.х льдин отличались друг от друга. Изменения температурного перепад.! ( 17',) между ними достигали в отдельные периоды 4 град. Двумерную с.т ¡¡. между ЛТ, ,Д7" и приращением напряжений /1а, измеренных и паковой льдине толщиной Зм, иллюстрирует рнс.2. Регрессионный анализ позволяет сделать вывод, что термоиапряженное состояние морского ледянок» поля хорошо описывается (полученным ранее для локальных масштабов! определяющим уравнением (7).

С учетом полученных определяющих соотношений (6) и (7) разработана прогностическая модель, основанная на представлении в . стационарном и одномерном приближении теплонереноса через ледяной покров различной толщины и позволяющая рассчитывать внутренние напряжения на границах термических неоднородностей льда по д. иным стандартных метеонаблюдений. Модельные расчеты, проведенные применительно к оценке контрастов механических напряжений ледяном покрове на границе заснеженного и не заснеженного участков, показали, что термические напряжения в этих условиях могут достигать значительных величин (до 0.3 МПа), а также существенно зависят от периода и продолжительности температурного воздействия. Анализ распределения максимальных усилий по спектру температурных воздействий позволил установить, что наибольшие термические нагрузки соответствуют наиболее характерному в природе суточному периоду колебаний температуры во'."; <а. Основные расчетные соотношения были проверены при натурных ¡ следованиях термонапряженного состояния неоднородного морского льда в условиях Арктики и Антарктики. Получено удовлетворительное согласие между выводами теории и экспериментальными результатами.

Чтобы оценить мезомасштабную структуру термонапряженного состояния морскою льда, измерение термических напряжений

осуществлялось в пределах отдельных ледяных полей с характерным линейным размером более 1км. Экспериментальные исследования охватывали периоды, когда чисто силовые процессы отсутствовали. Установлено, что амплитуда термических напряжений вблизи кромки льдины существенно превышает уровень напряжений, формирующихся в дальних областях: при расстояниях /? > 400Л напряжения уменьшаются почти в 5 раз и более. Одномерная структура безразмерных термических напряжений в пределах ледяного поля представлена на рис.3. Прямая регрессии позволяет установить эмпирическую зависимость, которая совпадает с выражением (3), характеризующем структуру внутренних напряжений в дальней зоне ледяного поля при чисто силовом воздействии. Подобный факт свидетельствует о единой природе пространственной структуры термических и механических напряжений в ледяном поле неоднородной структуры. Тщательный анализ связи между ними позволил установить, что за характерный синоптический период вклад термических напряжений в общий уровень напряженного состояния льдины составляет примерно 25 %. Корректность данного вывода проверена на конкретных натурных примерах.

Своеобразие развития термонапряженного состояния в неподвижном (припайном) ледяном покрове определяется, прежде всего, характером граничных условий на его контуре. Как правило, можно считать, что тепловому расширению припайного льда препятствуют абсолютно жесткие границы, которые сохраняются неизменными в течение длительного времени. Эти обстоятельства уменьшают степень неопределенности поведения неподвижного льда под тепловой нагрузкой, что позволяет формулировать задачу в более строгой постановке. Исследование роли термического фактора в формировании напряженного состояния неподвижного морского льда выполнено на основе рассмотрения пластического деформирования льда с помощью уравнения движеиия Навье-Стокеа. На примере анализа процессов теплового расширения ледяного языка Обской 1убы обоснована правомочность использования линейно-вязкой модели поведения припайного ледяного покрова для оценки его предельного термонапряженного состояния.

Выявленные пространственно-временные эффекты в поведении внутренних напряжений (как динамических, так и термических) позволяют корректно подойти к изучению макроскопической реологии морского льда к а основе использования устойчивых масштабных закономерностей в поведении последних. Связь эффективных внутренних напряжений и деформационных параметров ледяного покрова рассмотрена в шестой главе примеи итсльно к мезомасштабному уровню. Феноменологический

подход базируется на установленных ранее принципах выделения п морском ледяном поле разных по масштабу осреднения структурных уровней полей внутренних напряжений. В кач" ! исходных экспериментальных данных использован в основном мам л потуи'лпыи для условий ледяного покрова моря Уэдделла (российски-, мернканская экспедиция "Уэдделл-1"). Исследования выполнялись в феврале-мае !' (>2г. Сплоченность льда в этот период составляла 0.9 < А' < 1.0, а ею ере,шля толщина не превышала 1.5 м. Кинематика деформирования оненн.'.алаеь для ледовой облас и характерного линейного масштаба ~ l'J км с помощью лазерного дальномера. Эффективные напряжения раесппт>:в;»лг.сь ,:.;л макрообласти (базовая льдина эффективного радиуса - ¡км. располагавшаяся в центре деформационного полигона), соо;ветст дующей типичному пространственному размеру дальней зош i.

В период наблюдений (более двух с половиной месяцев) система главных осей деформации сохраняла устойчивое (с точноен.ю .г 12") положение в реальном пространстве координат. Процессы сплочении и разрежения льда на данном полигоне происходили преимущественно одновременно и с равной интенсивностью, что подтверждается практически линейной зависимостью между главными компонентами деформации (е, и е2). При примерно равных по величине и противоположных по знаку главных значений скоростей деформации (<?,,<?,) преимущественное развитие деформирования льда в районе исследований происходило по механизму чистого сдвига. Идя всего временного диапазона Д'*внаторные деформации более чем на порядок превышали уровень плоской деформации (£„,>>е)- Скорость

максимального сдвига £ также превосходила (в среднем почти в 5 раз) скорость дивергенции div(e)- Хорошая связь между всеми деформационными комг- »центами характеризует полигон как связную среду, в которой про аляется эффект Пуассона и, следовательно, нахождение эксперимент ¡льных соотношений между деформационными характеристиками и полег, внутренних-ледовых сил физически обосновано.

Для всего периода наблюдений главные эффективные напряжения (0*1,02) сжимающие, но н ходл.ся в противофазе: увел!$ение сжимающих усилий вдоль первой главкой оси сопровождается соответствующим ослаблением сжатия вдоль второй и наоборот. Средние сдвиговые напряжения (ги «0.05 МПа) в несколько раз превышали средний уровень

шаровых напряжений (¿т^«- 0.15 МПа). Гистограммы напряжений позволяют отметить отклонения от наложенного на них гауссова закона

распределения. Можно говорить о трехмодовой форме функции распределения. Каждая мода связана с определенным механизмом формирования напряжений в ледяном поле. Дополнительные, смежные с Цеп фа !м!ым, максимумы на гистограммах характеризуют два явно ш»ф?1-,кпых процесса: разрушение льда (верхний вероятный уровень •Напр),',, сний ) и релаксация напряжений (нижний уровень).

4 Сравнительный анализ показал, что морской лед не является упруго-■ лишенном средой по типу модели Гука. В зависимости от условий ¡Погружения он проявляет упругие, вязкие и пластические свойства. Основные' реологические характеристики морского льда выявлены на основе регрессионного анализа. На рис.4 обобщены все экспериментальные данные по выявлению связи между главными значениями эффективного напряжения а и мезомасштабной деформации е. В диапазоне величин деформаций 0 < с < 0.08 (характерный интервал изменений деформаций) соотношение между осредненными величинами а и е подчиняется линейному закону при условии постоянства скорости деформирования льда ё. С ростом ё угол наклона прямых к оси абсцисс увеличивается до тех пор, пока скорость деформации не превысит определенный пороговый уровень ё , Зависимость напряжений от скорости деформации

представлена на рпс.5 по данным прямого сопоставления измеренных напряжений и относительных перемещений льда на главных направлениях. Экспериментальные точки вблизи аппроксимирующей кривой 2 получены при среднем уровне деформации е ~ 0.04. На рис.5 видно, что в области очень малых скоростей деформации (¿< 2 10*4 1/ч) лед проявляет свойства линейно-вязкой жидкости. С расширением интервала величин ё график зависимости испытывает кривизну (нелинейная вязкость), которая достигает своего максимального значения при определенном уровне скорости деформации ё ~ 210'3 1/ч. С ростом скорости деформации (в

интервале 0 < с < с ) заданный уровень напряженного состояния

реализуется при меньших величинах деформации, т.е. наблюдается, так называемое, деформационное упрочнение льда. Повышение г в интервале значений ё > с не приводит к существенному изменению напряжений: а

асимптотически приближается к некоторому постоянному уровню, при котором реализуется чисто пластическое течение ледяного/юкрова вплоть до таких шачешш напряжения и скорости деформации, когда происходит

его разрушение.

Слраннчимся рассмофснием реологического поведения морского

льда в докритическом состоянии, когда ё < ё . Для этого диапазона

скоростей деформации двумерная связь а - ]'(ё) представлена на рис.6 всей совокупностью экспериментальных данных, отражающих взаимозависимый характер напряженно-деформированного состояния льда. На рисунке можно заметить, что ё растет быстрее первой степени ст. Прямая регрессии, подобранная с помощью метода наименьших квадратов,

устанавливает наилучшую линейную связь между а и л/с. В целом

выявленный характер реологической связи указывает, 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.

Окончательное определяющее уравнение получено в форме

нелинейной реологической модели тела Максвелла-

1.1.

+ — ст~, (3) Е ,и,

где /л - эмпирический коэффициент, играющий роль макроскопической

вязкости ледяного покрова и в общем случае зависящий от ледовой

структуры и масштаба рассмотрения. На основе этой модели выполнены

оценки макроскопических физико-механических параметров ледяного поля:

коэффициента сжатия ¿~ 0.8-1.0 Мпа и коэффициента вязкости ¡.I. Так как

скорость деформации связана с напряжением нелинейной зависимостью,

истинная эффективная вязкость льда ц не сохраняется постоянной, а

зависит от интенсивности кагружения В диапазоне величин

а

напряжений а - 0.01 н- 0.08 МПа эффективная вязкость морского льда

равна // = (0.65-г5) !0" Пас. В соответствии с уравнением (8) время

релаксации определяется модулем Е и коэффициентом вязкости и :

г_173 Е. Нетрудно показать, что при среднем уровне напряженного £

состояния (а-0.04 МПа) г = 69.4 ч. Выявленный период релаксации эффективных напряжений очень хорошо согласуется с данными прямых экспериментальных исследований времени релаксации напряжений в дальней зоне.

Реология морского льда меньшего масштабного уровня (характерный масштаб дальней зоны) рассмотрена на примере обобщенной модели Максвелла. В рамках модельных представлений получена следующая зависимости локальных напряжений ледяного ' поля от пространственной координаты (/?) и времени (/):

-(1:»!(| —г--) —

л Т , ¿' (д)

.т(/0) = ег„-е + п,<--т=--(е и -е1)'

Чи~т

где Т - характерное < время протекання процесса. Полуэмпирическая зависимость (9) позволяет провести не только качественный, но и количественный одномерный анализ нестационарного процесса формирования напряженного состояния ледяного поля под действием внешних сжимающих сил с' учетом влияния неоднородностей его структуры. Па основе сопоставительного анализа модельных и эмпирических зависимостей выявлены условия подобия механического состояния ледяных полей разных размеров. В частности, установлено, что два разномасштабных ледяных поля будут подобны по механическому состоянию, если они саги геометрически подобны, а квадраты скоростей деформирования обратно пропорциональны их размерам.

Полученные результаты можно рассматривать как необходимую основу для выполнения следующего этапа исследований, направленного на изучение реологических свойств морского льда в запредельных условиях. В связи с этим седьмая глава посвящена изучению разномасштабной связи напряженного состояния дрейфующего и припайного морского ледяного покрова с характером образующихся в нем структур разрушения. Так как основные нагрузки при взаимодействии ледяных полей воспринимаются их кромками, первоначальное внимание было уделено граничным (контактным) зонам. Исследования разрушающих напряжений в зоне контакта многолетних ледяных полей показали, что они имеют нерегулярный характер изменения во времени. Локализованные разрушения связаны с неоднородностями строения льда в зонах контакта и нерегулярностью формы граничных поверхностей. Регрессионные связи напряжений, измеренных вдоль границы взаимодейстзия, устанавливают, что пиковые напряжения отличаются большим разбросом . Этот разброс не сохраняется постоянным, а увеличивается с ростом уровня напряженного состояния. Характерный масштаб затухания предельных напряжений не превышает половины толщины льда, что согласуется с выявленным ранее масштабом ближней зоны. С целью получения точных количественных оценок при единственной форме разрушения рассмотрено предельное напряженное состояние льда под преобладающим влиянием механизма смятия. Предельные напряжения при смятии льда (т.е. при сжатии в стесненных условиях) изучались в маргинальных областях взаимодействующих многолетних ледяныл полей, а также в экспериментах

по нагружению кромки ледяного поля корпусом судна. Установлено, что пиковые предельные напряжения проявляются в широком диапазоне величин: от 0.4МПа до 1МПа. Эти величины характеризуют возможные пределы прочности льда на сжатие. С ростом пиковых напряжений их разброс возрастает. Выявленная неоднозначность в оценке пиковых напряжений делает сомнительной возможность определения прочностных характеристик льда на основе лишь среднего значения максимальных величин. Необходимо принимать во внимание также статистический разброс их пиковых значений, который составляет порядка 25%.

Предельные динамические процессы з неподвижном ледяном покрове (припае) изучены на примере силового взаимодействия сидящей на мели стамухи с окружающим льдом. Измерительный полигон был оборудован на базе одиночной стамухи Байдарацкой губы. Как правило вокруг стамухи существует неоднородная зона, состоящая из разномасштабных ледяных плит. Поэтому при колебаниях уровня моря система стамуха-припай-грунт испытывала сложное напряженно-деформированное состояние. Совместный анализ ледовых усилий, перемещений стамухи и колебаний уровня моря позволил выявить необратимые эффекты в поведении системы стамуха-грунт-лед. Установлено, что они обусловлены преимущественным влиянием вязкопластических свойств грунта. Разработана модель силового взаимодействия стамухи с припаем, позволяющая оценить ледозые усилия в контактной зоне. Особое внимание уделено рассмотрению вопроса об экзарации стамухой грунта под воздействием горизонтальных циклических ледовых усилий. На основе модельных представлений выявлены основные особенности воздействия ее на грунт с учетом возможности отрыва и всплытия. Результаты модельных расчетов, выполненные для условий мелководного шельфа Карского моря, показали, что они согласуются с данными натурных наблюдений.

Разрушение дрейфующего льда - сложный физический процесс, сопровождающийся постепенным переходом от механизма разрушения, определяемого тпряженным состоянием вдали от зоны разрыва, к механизму, определяемому местной интенсификацией напряжений вблизи трещины. Исходя из этих соображений использованы два подхода: глобальный, который оперирует интегральными для данной масштабной области характеристиками, и локальныV, учитывающий, главным образом, местные условия деформирования и разрушения льда. В рамках локального подхода экспериментально изучена физика макроразрушений различной природы. В приближении линейной механики разрушения оценена сопротивляемость морского ледяного поля развитию макротрещин сжатия.

Выявленный коэффициент торосостойкости учитывает сложную морфологию местного разрушения ледяного поля и примерно в три раза превышает коэффициент трещиностойкости льда, характеризующий процесс разрушения ледяной пластины по механизму нормального отрыва. Характер развития предельного глобального напряженного состояния существенно отличен От развития разрушающих напряжений в ближней зоне (по амплитуде и времени). Это связано с тем, что глобальные и номинальные напряжения связаны со структурными ледовыми элементами разного порядка и представляют собой напряжения различных рангов. В условиях критической (активной) динамики выявлена эмпирическая функция текучести, характеризующая макроскопические прочностные свойства морского ледяного поля.

Следует сказать, что в настоящее время нет полной ясности в определении прочности реальных ледяных полей. В общем случае она должна рассматриваться в совокупности с величиной нагрузки и скоростью ее нарастания, реологическими свойствами и структурными неоднородностями льда, а также масштабным эффектом. Обобщение современных данных различных отечественных и зарубежных авторов по оценке предельных ледовых нагрузок показало, что они характеризуют два уровня, различающиеся между собой на порядок. Двухуровневый характер распределения разрушающих нагрузок отражает в первом приближении количественную связь локальных и глобальных предельных напряжений, формирующихся соответственно в ближней и дальней зонах ледяного поля при разрушении. Отсюда следует, что критерии прочности морского льда, характеризующие разрушение ледяного покрова разного структурного уровня, также должны отличаться между собой (локальный и глобальный критерии). Чтобы вскрыть внутренний механизм разрушений неоднородного льда необходимо ввести в рассмотрение дополнительные параметры, учитывающие сложную реологию ледяного покрова как геофизического объекта.

В этой главе на основе модельных представлений показано, что при макроразрушениях исходное напряженное состояние неоднородной льдины будет меняться, переходя из одного устойчивого уровня (например, круг Мора большего радиуса) к другому (круг меньшего радиуса) и наоборот. Рассматривая различные ситуации смены напряженных состояний льда после разрушения, можно придти к заключению, что в запредельных условиях (при наличии разрывов) функция текучести должна также определяться параметром состояния, учитывающим внутренние силы как основу перестройки структур. Показано, что в качестве такого параметра целесообразно принять отношение шаровой части тензора напряжений к

девиаторной. Параметр, названный критерием поврежденности (у) льда и обладающий физическим смыслом обратной макроскопической вязкости, оказался очень чувствительным к перестройке напряженного состояния морского льда при разрушении. Это наглядно иллюстрирует рис.7, на котором можно проследить поведение функции / при разрушении ледяного поля (эффективного радиуса ~ 1км) в Антарктике. Эмпирические зависимости ^ = у(СТ ) на рис.7а отражают активную динамику ледовой

области за один месяц. Можно выделить детерминированную и случайную компоненты поведения функции у. Первая обязана устойчивому механическому состоянию льдины, при котором с повышением среднего уровня напряжений а параметр / плавно возрастает примерно от 0 до 1.

Появление разрывов переводит ледовую область к неравновесному состоянию: функция у испытывает возмущения, обусловленные внутренней перестройкой напряженного состояния вплоть до бифуркации, связанной с переиндексацией осей главных напряжений. Временная развертка функции у (рис.7Ь) воспроизводит конкретные события разрушения ледяного поля. Импульсы связаны с серией разрывов льдины, отличаются высокой добротностью и существенно превышают фоновый уровень.

Впервые установлено, что макроразрушение структуры ледяного поля приводит к бифуркационной перестройке его напряженного состояния, временной масштаб которой пропорционален масштабу области разрушения. По-видимому, стремление к смене напряженного состояния путем бифуркации есть одна из форм проявления внутренней неустойчивости ледовой среды при разрушении. Уместно поставить вопрос: в каких пределах существует масштабная зависимость .этого процесса или в какой степени функция у универсальна и автомодельна? Правомочность привлечения критерия у для оценки макроразрушенности ледяного покрова проверена на обширном экспериментальном материале в широком диапазоне масштабов разрушения льда: от 0.1км до 100км. Сравнительный анализ полученных данных показал, что для каждого из рассмотренных масштабных уровней структуры ледяного покрова (0.1км, 1км, 10км и 100км) процесс перестройки (эволюция) его напряженно-деформированного состояния после разрушения протекает подобным образом: путем бифуркации от одного устойчивого состояния раздробленности (поврежденности) льда к другому. Этот экспериментальный вывод свидетельствует в пользу существования масштабной инвариантности структурной неустойчивости ледяного покрова при разрушении. В этом смысле можно считать, что функция у

обладает масштабной автомодельностью.

В восьмой главе на основе новых данных о неоднородном напряженном состоянии морского льда разработаны новые методы контроля и управления напряженным состоянием ледяного покрова. Они являются логическим завершающим этапом диссертационной работы, раскрывающим некоторые возможные пути ее практического приложения.

Прежде всего это метод мониторинга напряженного состояния и повреждеиности ледяного покрова. Физические и методические основы метода разработаны на базе концепции неоднородного напряженного состояния морского льда. Для контроля напряженного состояния различного масштабного уровня предложена оптимальная схема расстановки датчиков в виде многоточечной макророзетки. Для реализации предлагаемого метода разработан аппаратный комплекс, физико-технические характеристики которого находятся на уровне мировых требований. Современное компактное исполнение устройства позволяет использовать его также в качестве удобного технического средства при проведении лабораторных, полунатурных и полевых исследований напряженного состояния льда. Благодаря встроенной системе алгоритмизации имеется возможность представлять исходные данные в понятиях механики разрушения, а также получать экспресс-информацию о состоянии макроразрушенности ледяного покрова соответствующего масштабного уровня.

Поскольку в настоящее время проявляется большой интерес к изучению процессов антропогенного воздействия на морской лед, в этой главе рассмотрены возможности применения активных и пассивных средств теплового воздействия на ледяной покров с целью изменения его прочностных характеристик на определенных участках акваторий. На основе экспериментальных исследований получены оценки эффективности воздействия на лед распределенных и сосредоточенных тепловых источников различной мощности. С учетом нелинейных эффектов процесса теплообмена выявлены оптимальные (с точки зрения максимального к.п.д.) термодинамические параметры водных потоков, воздействующих на ледяной покров и способствующих снижению его механической прочности.

С целью пассивного воздействия на морской лед разработан новый метод с использованием радиационно-конвективных экранов (РКЭ), существенно изменяющих локальный термический режим ледяного покрова и его напряженное состояние. Теоретические исследования, выполненные на основе стационарной и нестационарной моделей, показали достаточно высокую (свыше 30%) эффективность метода. Многочисленные экспериментальные исследования и натурные испытания макетного образца

подтвердили основные вызодь: теории. 3 частности, по результатам длительных испытании на льду Карского моря установлено, что механическая прочность на изгиб экранированного льда в 1.5-2 раза ниже неэкранированного. Спектр практического использования РКЭ очень широк: от защиты морских сооружений от воздействия льде, до поддержания стационарных полыней для обеспечения всплытия подводных объектов. Отдельные конкретные предложения защищены несколькими авторскими свидетельствами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований были получены следующие основные результаты:

° Разработан, изготовлен и испытан в экстремальных натурных условиях автономный программно-измерительный комплекс. » Проведено теоретико-экспериментальное исследование возможностей измерения одноосного и двухосного напряженных состояний морского льда с помощью плоских направленных датчиков напряжений, в Изучена изменчивость внутренних напряжений на наиболее распространенных локальных неоднороднсстях структуры и термического режима ледяного покрова.

« Исследована мезомасштабная неоднородность поля внутренних эффективных напряжений для различных условий сплоченности морского ледяного покрова.

• Рассмотрены общие закономерности формирования напряженного состояния льда для двух, пространственных областей - ближней и дальней зоны силового взаимодействия ледяного поля Показано, что напряженное состояние характеризуется иерархическим рядом типичных пространственных масштабов, отражающих особенности строения ледяного покрова, и может быть описано с помощью обобщенных параметров.

• Установлено, что характер напряженного состояния в ближней зоне силового взаимодействия определяется преимущественным типом деформирования прикромочной области. На основании проведенных исследований выделены граннць: характерных микроструктурных областей ближней зоны.

• Выявлен характер затухания эффективных напряжений в дальней зоне силового взаимодействия морского ледяного покрова. Получены эмпирические зависимости пространственного распределения внутренних

напряжений, инвариантные определенным масштабам и уровням сплоченности льда.

® Получены новые данные о релаксационных свойствах внутренних ледовых напряжениях. Установлено, что процесс релаксации внутренних напряжений является существенно макроскопическим, проявляется на различном масштабнйм уровне и участвует в процессе формирования неоднородного напряженного состояния морского льда. ® Выявлена пространственная (в локальном и мезо- масштабах) структура внутренних термических напряжений в морском ледяном поле. Предложена одномерная аппроксимация пространственного распределения термических' напряжений. Выполнена оценка пространственно-временной взаимосвязи термических и динамических напряжений при различных условиях их проявления в природе.

«> Разработаны основные определяющие модели, связывающие напряжения с изменениями температуры во льду и ее скоростью. Предложена прогностическая модель термонапряженного состояния дрейфующего морского льда. Проведено обоснование линейно-вязкой модели поведения припайного ледяного покрова для оценки предельного напряженного состояния при его термической деформации.

• Впервые осуществлены комплексные экспериментальные исследования динамического состояния морского льда, позволившие получить представление о связи эффективных напряжений с кинематическими параметрами ледяного покрова мезомасштабного уровня.

• 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 морского ледяного поля. Выявлены условия подобия механического состояния ледяных полей разных размеров.

• 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.

• 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 иа 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 сненка предельных ледовых нагрузок на основе двух подходов: локального и глобального.

• 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 мпештабу области разрушения. Выявлен чувствительный к бифуркациям параметр, обладающий физическим смыслом обратной макроскопической вязкости ледяного покрова и названный "критерием поврежденности" морского льда.

о Впервые выдвинут и обоснован принцип масштабной инвариантности эволюции напряженно-деформированного состояния морского ледяного покрова при разрушении. С этих позиций объяснен механизм формирования полигональной структуры морского ледяного покрова в зимнее время.

• 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.

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

:зо

Основное содержание диссертации отражено в следующих

работах:

1. 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 (соавторы Богородский В.В., Гаврило В.П.).

2. Исследование динамики образования морского льда гидроакустическим способом. - Труды ААНИИ, 1980, т.374, с.74-79 (соавтор Гаврило В.П.).

3. Способ защиты гидротехнических сооружений от давления льда. - Авт. Св. № 973699, 1982 (соавторы Гаврило В.П., Трипольников В.П., Федоров Б.А.).

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

5. Физические условия таяния ледяного покрова арктических морей с нижней поверхности. - Изв АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1983, юм 19, № 8, с. 885-887 (соавтор Богородский В.В.).

6. Физические условия теплового разрушения морского ледяного покрова с нижней поверхности. - Метеорология и гидрология, 1983, № 7, с. 67-73 (соавтор Богородский В.В.).

7. Термический режим морского ледяного покрова в условиях искусственного изменения радиационного баланса его верхней поверхности.'- Метеорология и гидрология, 1984, № 5, с. 64-71 (соавтор Богородский В.В.).

8. Лабораторные исследования таяния льда при вынужденной конвекции. -Метеорология и гидрология, 1986, № 2, с. 107-109 (соавтор Богородский В.В.).

9. Физические условия разрушения 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.

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

11. Экранирование ледяного покрова как способ борьбы с ледовыми затруднениями. - Труды ААНИИ, 1991, т.421, с.59-64 (соавторы Гаврило В.П., Лебедев Г.А.).

12. Experimental studies of thermal stresses in the ice. - Int. J. of Offshore and

Pol. Eng., 1993, Vol 3J»4,p 324-328 (соавтор Смирнов B.H.).

13. Scale effects in distribution of the ice floe internal stresses. - Proc. 12 th. IAHR Int. Symp. on Ice Trondheini, Norway, 1994, Vol 1, p.447-453.

14. In sity investigations of the shore-ice -grounded hummock interaction. - Proc. 12th. IAHR Int. Symp. on Ice Troridheim, Norway, 1994, Vol I, p. 442,-446 (соавтор Смирнов B.H.).

15. Quasi-static thermal stresses in the sea ice. - Proc. 12th. IAHR Int. Symp.on Ice, Trondheim, Norway, 1994, Vo! 1, p. 411-415 (соавтор Смирнов B.H.).

16. Натурные исследования процессов взаимодействия морских льдов с дном и сооружениями. - Тезисы докладов международной конференции "Морские месторождения нефти и газа в России"', Санкт-Петербург,

1994, с.35. (соавторы: Коростелев В.Г., Никитин В.А., Смирнов В.Н.).

17. Квазистатические взаимодействия в системе стамуха мрунт -припай и условия всплытия стамух в весенний период. - Метеорология и гидрология, 1994. № 9, с.73-85.

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

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

20. Напряженное состояние морского льда в ближней зоне силового взаимодействия. - Метеорология и гидрология, 1995, № 1, с. 70-78 (соавтор Никитин В.А.).

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

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

23. Изменчивость внутренних напряжений на характерных локальных неоднородностях ледяного покрова. - Метеорология и гидрология,

1995, № 10, с.63-76.

24. The structure of internal stresses in the uncompleted ice cover. - Proc 5th Int Offshore and Polar Eng Conf, Hague, Netherlands, 1995, Vol 2, p 393397.

25. 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.

26. Dynamic processes in sea ice and ice load assecment. - Transactions Second Int. Conf. Of Russian Arciic Offshore (RAO-95), St. Peterburg, 1995, p.261-266 (соавторы Афанасьев В.П., Никитин В.А., Смирнов В.Н.).

27. Структура внутренних напряжений в дрейфующих ледяных полях Арктики и Антарктики. - Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, 1996, т. 32, № 2, с. 240-248.

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

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

30. 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.

31. 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.

32. Method of slowing of ice cover growth. - Proc 6th Int Offshore and Polar Eng Conf, Los Angeles, USA, 1996, Vol 2, p. 240-245 (соавторы Гаврило В.П., Ковалев C.M., Лебедев Г.А.).

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

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

35. Физические основы воздействия на морской лед с помощью радиационно-конвективных экранов. - Метеорология и гидрология,

1997, № 10, с. 107-119 (соавторы Гаврило В.П., Лебедев Г.А.).

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

37. Комплексная модель динамического и квазистатического взаимодействия торосистого ледяного образования с морским дном. -Тезисы докладов международной конференции "Освоение шельфа Арктических морей России", Санкт-Петербург, Россия, 1997, с.228-229.

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

39. Автономное программно-измерительное устройство для контроля напряженного состояния морского льда. - Изв. РАН. Приборы и техника эксперимента, 1998, №4, с. 140-144 (соавтор Мисюченко И.Л.).

40. Прочность морских ледяных полей и ледовые нагрузки. - Метеорология и гидрология, 1998, №12, с.78-85 (соавтор Никитин В.А.).

41.0 нелинейном воздействии затопленных подогретых струй на морской лед. - Доклады АН, 1998, в печати (соавторы Гаврило В.П., Лебедев Г.А., Черепанов Н.В.).

42. Масштабная инвариантность эволюции напряженно-деформированного состояния морского льда при разрушении. - Доклады АН, 1998, в печати.

43. Макроскопическое напряженно-деформированное состояние морского ледяного покрова. - Доклады АН, 1998, в печати (соавтор Колесов С.А.).

44. Autonomous programed measuring device for controlling the stressed siate of sea ice. - Instruments and Experimental Techniques, 1998, Vol. 41, № 4, pp. 574-578 (соавтор Мис.оченко И.Л.).,

о/о

0.75 -

0.25 -

R/Mi

Рис.1. Внутренние напряжения в зоне взаимодействия ледяных полей Арктики и Антарктики. 1 - 5 - безразмерные главные напряжения сг/<?м; 6 -

время релаксации напряжений г в дальней зоне; 1,2 - ближняя зона ледяного поля для условий чистого сжатия и продольного изгиба соответственно; 3,4,5 - дальняя зона ледяного покрова сплоченностью 0.9 £ N < 0.95, 0.9 й N < \ и N = 1 соответственно; - пространственный масштаб; 1-М1=11;2-М)= 10Ь;3-6-М; = 500Ь.

ЛСУ, Мпа

ДО, Мпа

Рис.2. Регрессионная связь термических напряжений (Дет), температурного перепада (дГ,) и его скорости (ДГ,). а) до-=Ь) дст = /(ДГ,05).

Ig

ч

0 , - - - ж - 2 j

-05 □ п -3 :

-1 □ чЛ ж

-15 - Nv ж □ :

-2 - ж ж :

■ 25 -

-5 2 2

О 05 1Д 15 20 10 -Б1/11

Рис.3. Пространственное распределение безразмерных термонапряжений в нелинейном масштабе координат. 1 - прямая регрессии; 2,3 - наблюдения в спектральном окне соответственно (48-120)ч и (6-120)ч.

СУ.Мпа

0.1

0 0 Л 25 OJOS 0 075 ОД €

Рис.4.'Эффективное напряжение а в зависимости от деформации льда е при различных скоростях ее изменения ё.

1 - é=5 10"3 1/ч; 2 - 1010° 1/ч; 3 - 1.25 10"3 1/ч; 4 - 0.410"3 1/ч; 5 - 0.25Ю-3 1/ч; 6 - 0.110° 1/ч; 7 -0.035103 1/ч; 8 -0.0110-3 1/ч.

Рис.5. Эффективное напряжение а в зависимости от скорости деформации льда ё при различных величинах деформации е. I - е = 0.08; 2 - 0.04; 3 -0.02.

О, Мгга

11

6 1

-4

-0.04 0 0.04 0.08 0.12 бср.мПа

Ъ' 11

6

1

-4

2178 2378 2578 2778 г.ч

Рнс.7. Поведение безразмерного параметра поврежденности у при макроразрушении ледяного поля в Антарктике.

а) двумерная диаграмма у - /(а )! Ь) временная зависимость параметра у.