Способ определения прочности льда

 

Использование: в гидротехническом строительстве, а именно в экспериментальных исследованиях воздействия льда на опоры гидротехнических сооружений. Сущность изобретения: в качестве образца используют реальные торосы, севшие на мель, выявляют участок тороса, не имеющий контакта с дном моря, в пределах этого участка формируют вертикальное сечение ослабления путем бурения ряда скважин на всю высоту тороса, определяют его площадь и объем тороса, отделяемый этим сечением. Для формирования внешней нагружающей силы используют природные изменения уровня моря. Нагружающую внешнюю силу определяют как разницу между весом части откалываемого объема тороса при условии его свободного дрейфа и весом этого же объема в стационарном состоянии при положении уровня моря в момент откалывания в точке посадки на мель. Способ позволяет существенно повысить точность определения интегральной прочности торосов и соответственно ледовых нагрузок на ледостойкие сооружения для освоения континентального шельфа северных морей. Ледовая нагрузка является определяющей для гидротехнических сооружений шельфа северных морей, и ее уточнение может дать экономический эффект порядка 20 - 30% стоимости этих сооружений. 3 ил.

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к экспериментальным исследованиям воздействия льда на опоры гидротехнических сооружений.

Известен стандартный способ определения прочностных параметров, включающий отбор стандартных образцов, их подготовку и испытание на прессе (Бутягин И.П. Прочность льда и ледяного покрова. Новосибирск: Наука, 1966, с. 55-58).

Для получения прочностных параметров стандартным способом, т.е. испытанием образцов, чтобы исключить граничное влияние обломков льда, слагающих торос, пришлось бы готовить образцы значительных размеров (порядка 20 м), что в современных условиях нереально.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения прочности льда, включающий фиксацию исследуемого образца, нагружение образца внешней силой до разрушения и последующее расчетное определение отношения нагружающей внешней силы и размеров образца.

Указанный способ предусматривает отбор проб, изготовление из них стандартных образцов и их последующее испытание.

Недостаток этого технического решения определяется тем, что торос фактически представляет собой конгломерат смерзшихся кусков льда, отличающихся по своему составу и прочностным характеристикам, что не позволяет по результатам испытаний отдельных образцов иметь достаточно достоверное представление о прочностных характеристиках тороса, о которых можно судить, только используя показатели интегральной прочности торосов.

Предлагаемый способ определения прочности льда обеспечивает возможность получения интегральной прочности торосов, что позволяет существенно повысить точность определения ледовых нагрузок на ледостойкие сооружения для освоения континентального шельфа северных морей.

Ледовая нагрузка является определяющей для гидротехнических сооружений шельфа северных морей и ее уточнение может дать экономический эффект порядка 20-30% стоимости (стоимость одного ледостойкого сооружения составляет порядка 200 млн. долларов).

Получение интегральной прочности торосов достигается тем, что в известном способе определения прочности льда, включающем фиксацию исследуемого образца, определение его размеров, нагружение образца внешней силой до разрушения и последующее расчетное определение отношения нагружающей внешней силы и размеров образца, согласно изобретению в качестве образца используют реальные торосы, севшие на мель, при этом выявляют участок тороса, не имеющий контакта с дном моря, после чего в пределах этого участка формируют вертикальное сечение ослабления путем бурения ряда скважин на всю высоту тороса, определяют его площадь и объем тороса, отделяемый этим сечением, причем для формирования внешней нагружающей силы используют природные изменения уровня моря, при этом величину внешней нагружающей силы оценивают как разницу между весом надводной части откалываемого объема тороса при условии свободного его дрейфа и весом этого же объема в стационарном состоянии при положении уровня моря в момент откалывания в точке посадки на мель.

Сопоставительный анализ с известными аналогами и прототипом показывает, что заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Приведенные в отличительной части формулы изобретения признаки решают следующие функциональные задачи. "В качестве образца используют реальные торосы" это обеспечивает повышение достоверных характеристик интегральной прочности тороса, поскольку эксперименты проводятся непосредственно на объектах (торосах), участвующих в формировании ледовых нагрузок на гидротехнические сооружения, а не на образцах, отобранных из торосов (в этом случае не учитываются масштабный фактор и особенности торосов, как "конгломерата" разнопрочных кусков льда, смерзшихся друг с другом) или искусственно изготовленных (в этом случае не учитывается как масштабный фактор из-за трудности формирования "образца" объемом в сотни и тысячи кубических метров, так и сложности обеспечения подобия процессов "роста" тороса процессам, происходящим в естественных условиях). Кроме того, использование обычной методики испытаний невозможно из-за того, что испытательное оборудование для образцов таких размеров отсутствует. Признаки ". севший на мель.", ". при этом выявляют участок тороса, не имеющий контакта с дном моря." направлены на обеспечение возможности использования изменения уровня моря для формирования внешней нагружающей силы и выявление участка тороса, испытывающего при изменениях уровня моря соответствующее изменение нагруженности. ". формируют сечение ослабления" этот признак обеспечивает локальное снижение прочности испытуемого образца. Признак "в пределах этого участка" (т.е. участка тороса, не имеющего контакта с дном моря) обеспечивает размещение зоны локального снижения прочности образца в зоне, в которой изменения уровня моря приводят к изменению нагруженности участка. Признак, определяющий ориентацию сечения ослабления, как ". вертикальное." обеспечивает размещение сечения "разлома тороса" вдоль направления действия разрушающего усилия, где его действие максимально. Признак ". путем бурения ряда скважин на всю высоту тороса" раскрывает прием выполнения плоскости ослабления, кроме того, обеспечивает возможность точного определения площади сечения тороса в плоскости ослабления (путем непосредственного замера длины этих скважин). Признак ". для формирования внешней нагружающей силы используют природные изменения уровня моря" обеспечивает возможность создания нагружающего усилия, уровень которого "достаточен" для выявления прочностных характеристик "образца" столь большого объема, как торос. Признак ". величину внешней нагружающей силы оценивают как разницу между весом надводной части откалываемого объема тороса при условии свободного его дрейфа и весом этого же объема в стационарном состоянии при положении уровня моря в момент откалывания в точке посадки на мель" раскрывает приемы, дающие возможность определения величины нагружающей внешней силы.

В основу заявленного способа положены следующие положения: киль и парус дрейфующего тороса (соответственно его подводная и надводная части) находятся в равновесии, и изменения уровня моря в этом случае не сказываются на его напряженном состоянии.

Однако, после посадки на дно у тороса, ставшего стамухой, появляется точка (или участок опирания). Теперь при понижении уровня моря появляется нагрузка, которая приводит к разлому стамухи на части. Источником этой нагрузки является неуравновешенность киля и паруса вследствие уменьшения объема первого и увеличения объема последнего.

Способ основан на определении геометрических размеров (объемов) надводной и подводной частей стамухи соответственно в ее равновесном и стационарном состояниях, последующем расчетном определении значений нагружающей внешней силы с учетом объемного веса льда, слагающего торос, и напряжения по схеме консольной балки. При этом в расчетах не учитываются дополнительные нагрузки от припая, волнения, сейсмического воздействия и т.д. Кроме того, предполагается, что форма и объем подводной части стамух за период определения их прочности остаются неизменными.

На фиг. 1 показан торос, севший на мель; на фиг. 2 то же, вид в плане; на фиг. 3 показана расчетная схема.

Способ осуществляется в следующем порядке.

Выявляют, например, путем регулярного обследования прибрежной зоны торос 1, севший на мель. После этого, высадившись на этот торос, производят работы по выявлению участков 2 тороса, не имеющих контакта с дном моря. Для этого, например, бурят сеть разведочных скважин 3 по площади тороса 1 с фиксацией длины пробуренных скважин. При обнаружении такого участка 2 у края тороса (т. е. участка, консольно нависающего над дном моря) и выявлении его очертаний осуществляют формирование вертикального сечения ослабления 4, позволяющего отсечь часть нависающего участка тороса, для чего бурят прямолинейный ряд скважин 5 на всю толщину тороса 1 в пределах указанного участка 2. Одновременно проводят работы по определению размеров и формы части участка 2, ограниченной сечением ослабления 4. Очертания надводной части 6 тороса 1 (паруса) определяют путем его геодезической съемки, фиксируя высотные отметки точек на поверхности тороса. Очертания подводной части 7 тороса 1 получают расчетным путем, зная высотные отметки точек на надводной части тороса 1 и длину разведочных скважин.

При наличии геофизической аппаратуры, позволяющей без бурения скважин получать сведения о профиле подводной части 7 тороса 1 и выявить участки, не имеющие контакта тороса с дном, операции по бурению сети разведочных скважин не будут необходимы. Нагружающая внешняя сила Р определяется как разница веса паруса (надводной части) откалываемой части тороса 1 при условии его свободного дрейфа, т.е. в состоянии равновесия h_nmin, и веса при стационарном состоянии тороса (при уровне моря в момент откалывания части тороса по сечению ослабления).

Нагружающая сила является следствием увеличения массы надводной части 6 тороса 1 по сравнению с массой его подводной части при изменении уровня моря и определяется из выражения P S˙ρ˙h_л˙ К_з, (1) где S площадь откалываемого объема стамухи на уровне поверхности моря в плане; ρ- объемный вес льда; h_л h_no h_nmin толщина льда, принимаемая в расчет; К_з коэффициент заполнения осушающейся части тороса.

Высоту паруса в равновесном состоянии h_nmin определяют, зная (по результатам бурения разведочных скважин) высоту тороса и зная глубины в точке посадки тороса на мель с учетом данных о колебаниях уровня моря в период посадки тороса на мель.

Высоту паруса тороса при отрыве его части по сечению ослабления h_no определяют, зная высоту тороса и глубину моря в точке его посадки на мель в момент откалывания. Этот момент фиксируют в процессе регулярных визуальных обследований тороса или посредством датчиков, например акустических, размещаемых на торосе и фиксирующих момент отрыва. Исследуют характер разрушения. В случае появления трещины отрыва (раскрытия сечения ослабления) определяют изгибную интегральную прочность тороса (с учетом расчетной схемы, показанной на фиг. 3) по формуле σ , (2) где Р равнодействующая нагружающей силы; r расстояние от точки приложения силы до сечения ослабления; W момент сопротивления сечения ослабления тороса.

В случае сдвига по сечению ослабления определяется интегральная прочность тороса на сдвиг по формуле τ , (3) где F площадь сечения ослабления.

Таким образом, при расчете используют методы сопротивления материалов, применяемые для расчетов консольных балок.

П р и м е р. В марте 1990 года выполнены исследования стамухи, расположенной в 2 км от берега на шельфе о. Сахалин. Сложена она из блоков однолетнего льда толщиной до 1,5 м, пространство между блоками заполнено мелкобитым серо-белым льдом.

По данным натурных исследований коэффициент заполнения стамух К_з на северном шельфе о. Сахалин лежит в пределах 0,5-0,65. В расчетах принят К_з 0,55. Посадка тороса на дно произошла на изобате 12 м. Участок тороса (стамухи), не имеющий контакта с дном, выявлен путем бурения сети разведочных скважин по площади стамухи. Площадь этого участка порядка 450 м².

Бурением прямолинейного ряда ослабляющих скважин диаметром 120 мм через 1-1,2 м (длина ряда порядка 25 м) "отсекают" участок стамухи площадью S 355,72 м². Для этого участка параметр r 6,99 м (расстояние от ослабляющего сечения до точки приложения силы). Среднее значение высоты тороса (по данным замеров длины скважин) составило 13,1 м. При этом момент инерции сечения ослабления I 363,68 м, расстояние от нейтральной оси до принятого верха тороса 5,3 м, площадь сечения F 344,4 м². Объемный вес льда принят равным 0,9 т/м³. Высота паруса тороса в равновесном состоянии составила (по данным инструментальных замеров с учетом глубины моря в точке посадки, во время посадки на мель) 2,18 м. Высота паруса тороса в стационарном состоянии в момент разлома составила 6,08 м (глубина моря равнялась 7,02 м).

Из этого получают, что при расчете нагрузки необходимо брать толщину слоя льда h_л 6,08-2,18 3,9 (м)
Нагружающая сила Р определена по формуле (1)
Р 355,72 х 0,9 х 3,9 х 0,55 686,7 т
Изгибная интегральная прочность тороса определена по формуле (2)
σ 7,0 т/м²
Интегральная прочность тороса на сдвиг по формуле (3) равняется
τ 2,0 т/м²

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ЛЬДА, включающий фиксацию исследуемого образца, определение его размеров, нагружение образца внешней силой до разрушения и последующее расчетное определение отношения нагружающей силы и размеров образца, отличающийся тем, что в качестве образца используют торос, севший на мель, при этом выявляют участок тороса, не имеющий контакта с дном моря, после чего в пределах этого участка формируют вертикальное сечение ослабления путем бурения ряда скважин на всю высоту тороса, определяют площадь этого сечения и объем тороса, не имеющий контакта с дном моря, отделяемый этим сечением, после чего определяют величины надводного объема откалываемой части тороса соответственно во время процесса откалывания и после него при условии свободного дрейфа этой части, по разнице которых с учетом объемного веса льда определяют величину внешней нагружающей силы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3