Исследование свойств припаянного льда в бухте Новик города Владивостока



В статье приведены результаты полевых работ на припайном льду в бухте Новик города Владивостока. Исследования направлены на изучение физико-механические свойства морского льда. В процессе проведения работ выполнена оценка прочности, температуры, солёности, плотности льда и неоднородности распределения этих параметров по исследуемой площади ледяного покрова, проведен корреляционный анализ изменения физико-механических свойств льда по толщине, представлены результаты натурного исследования ледяного покрова в бухте Новик (г. Владивосток) и даны рекомендации по учёту пространственной неоднородности ледяного покрова.

Введение

На механические характеристики морского льда оказывают влияние следующие физические характеристики: температура льда, его соленость, структура, плотность. В работе приводится анализ натурных данных полевых исследований физико-механических характеристик припайного льда бухты Новик города Владивостока, проведенных в рамках Зимней школы 2023 года.

Целью работы является определение зависимостей между физико-механических характеристик ледяного покрова.

В работе дана оценка влияния физических параметров льда на его прочностные характеристики. Одним из факторов, определяющих значение расчетной прочности ледяных полей, является пространственная неоднородность распределения свойств льда. Неоднородность ледяного покрова — это особый фактор, учет которого при расчете проектных значений прочностных характеристик морского льда позволяет повышать точность определения ледовых нагрузок и воздействий [1].

Для учета неоднородности изменения свойств льда по площади были проведены исследования прочности льда, как в лабораторных условиях на механическом прессе, так и в полевых условиях экспресс методом, путем испытания льда жесткими сферами, свободно падающими на поверхность ледяного покрова (Drop Ball Test).

Полевые исследования

В рамках программы «Зимняя школа», проходящей в период с 23 февраля по 24 февраля 2023 года, были проведены полевые работы на острове Русский, бухте Новик залива Петра Великого (Рисунок 1). Метеорологические данные района в даты проведения исследования приведены в таблице (1). Для проведения натурного исследования, изучаемый район был ограничен полем 100х100 метров, которое в свою очередь включало два поля меньших размеров: 25х25 м и 6,25х6,25 м (Рисунок 2). В процессе проведения работ определялись прочность льда в заданных точках, солёность льда, температура образцов контролировались геометрические параметры образцов льда.

Рис. 1. Место проведения полевых исследований, бухта Новик (г. Владивосток)

Рис. 2. План исследуемого полигона

Таблица 1

Метеорологические условия на о. Русский, бухта Новик

23 февраля
Время суток	Атмосферные явления и температура, °C	Ощущается как, °C	Давление, мм рт. ст.	Скорость ветра, м/c	Влажность воздуха
Ночь	-3°C	-6°C	762	2,0(Ю)	81 %
Утро	-4°C	-7°C	761	1,6(С)	86 %
День	-1°C	-4°C	761	2,4(С)	59 %
Вечер	0°C	-3°C	760	2,1(СЗ)	64 %
24 февраля
Ночь	-3°C	-5°C	761	1,6(Ю)	82 %
Утро	-5°C	-12°C	761	7,6(С)	72 %
День	-4°C	-12°C	763	8,6(С)	39 %
Вечер	-4°C	-11°C	764	6,8(СЗ)	39 %

Полевые испытания

Прочность льда на одноосное сжатие

Для определения предела прочности льда на одноосное сжатие отбирались цилиндрические керны диаметром 90 мм. Отобранные керны маркировались, изолировались в специальные пакеты, укладывались в изотермические контейнеры и транспортировались на машине в лабораторию для проведения испытаний. Образец представляет собой цилиндр средней длиной 60 см и диаметром 88 мм.

Распиловка кернов выполнялась в морозильной камере с целью сохранения температуры льда. Керн распиливался на несколько частей: верхний образец (top) около 10 см для измерения солености, центральная часть керна длиной 25 см отбиралась в качестве испытательного образца для измерения прочности на одноосное сжатие и нижний образец (bottom) около 10 см для измерения солености.

Подготовленные образцы испытываются на электромеханическом прессе Shimadzu при разных скоростях нагружения: 0,1; 0,25; 0,5; 1 мм/с с контролем температуры льда. Для определения плотности льда центральной части образца измерялись его геометрические характеристики и выполнялось взвешивание на электронных весах.

Прочность льда на изгиб консольной балки на плаву

Для определения прочности ледяного покрова на изгиб были проведены испытания методом нагружения консольной балки на плаву. Бензопилой были выпилены три консольные балки размерами 3,6x1,2 м, которые нагружались ручным гидравлическим домкратом (рис. 3). Нагружение осуществлялось до появления трещины (рис. 4) в основании балки, фиксировались величины разрушающего давления, геометрические параметры трещины и перемещение нагруженного конца балки.

Рис. 3. Проведение испытаний на изгиб консольной балки на плаву	Рис. 4. Трещина, образовавшаяся в результате испытаний

Температура

Измерения температуры производились после отбора керна в нескольких точках, непосредственно после отбора образцов кернов. Для этого с помощью шуруповерта сверлились 12 отверстия для термопар. Регистрация температуры проводилась с помощью термометра Актаком АТТ-2006. Температуры образца на границе лёд-вода определялась в соответствии с СП 38.13330.2018 по формуле (1)

(1)

где — солёность воды, ‰, по результатам измерений соленость морской воды в бухте Новик (г. Владивосток) составила 26,2‰.

Солёность и плотность

Соленость льда определялась для образцов, выпиленных из верхней и нижней части керна высотой около 100–150 мм. Геометрические размеры и вес данных элементов фиксировались для дальнейшего расчета плотности льда.

Плотность в работе рассчитывается по формуле (2), используя измеренные параметры кернов:

(2)

где М — масса образца, г; h — высота керна, см; d — диаметр образца, см.

Подготовленные диски (верхний и нижний) размещаются в специальные емкости для таяния, при комнатной температуре (25°С), соленость в емкостях определялась с помощью рефрактометра.

Неоднородность морского ледяного покрова

Для определения неоднородности ледового покрова использовалась специальная установка, позволяющая производить зачистку верхнего слоя льда, имеющего неоднородную структуру и состоящего, как правило, из смерзшегося снега. Затем выемка зачищалась с помощью шпателя от шуги и подготавливалась для проведения Drop ball test (DBT далее). Жесткий (стальной) индентор в виде шара с известными характеристиками (масса и радиус) сбрасывлся на ледяной покров с известной высоты. Падение шара является свободным с отсутствием начальной скорости. В результате падения шара на ледяном покрове образуется отпечаток в виде сферической поверхности, объем которого зависит от энергии, затраченной на его образование. По размеру данного отпечатка производилась оценка прочностных характеристик ледяного поля.

Степень неоднородности ледяных полей описывается следующей функцией (3)

(3)

где — среднее значение прочности льда по заданному участку ледяного поля площадью S;

— максимальное значение прочности на том же участке площадью S.

Результаты полевых исследований

Основным анализируемым параметром является прочность морского льда на одноосное сжатие и его зависимость от физико-механических характеристик: температуры ядра, плотности и солености, а также от скорости нагружения и скорости деформации образца. Выдвигалась гипотеза о наличии корреляции между оцениваемыми параметрами. Всего было испытано 42 образца. Из них испытано 3 керна на скорости 0,1 мм/с, 3 керна на скорости 0,25 мм/с, 33 керна на скорости 0,5 мм/с, 3 керна на скорости 1 мм/с.

На рисунке 5 представлена столбчатая диаграмма прочности морского льда, на основании которой была построена зависимость прочности льда на одноосное сжатие от скорости нагружения (рис. 6).

Рис. 5. Столбчатая диаграмма испытаний прочности морского льда на одноосное сжатие

Рис. 6. Зависимость прочности льда на одноосное сжатие от скорости нагружения образца

Наибольшее значение прочности льда на одноосное сжатие достигалась при скорости нагружения равной 0,65 мм/с. Согласно проведенным испытания на одноосное сжатие при скорости 0,5 мм/с средняя прочность образцов, с учетом статистической обработки всех результатов, равна 5,96 МПа.

На рисунке 7 и 8 представлены графики изменения температуры и солености по толщине льда соответственно.

Рис. 7. График изменения температуры по толщине льда	Рис. 8. Изменение солености льда по толщине

Тенденция изменения температуры по толщине льда одинакова у всех образцов, где наблюдается минимальная температура льда на верхней части образца, а максимальная температура льда на нижней части образца. Наибольшая соленость наблюдается в нижних и верхних частях керна. Объясняется это неравномерным замерзанием льда и при температурных изменениях. Сравнивая результаты с раннее проведенными исследованиями, представленными на рисунке 9 [2], можно сделать вывод, что тренд изменения солености и температуры по толщине льда сохраняется.

Рис. 9. Изменение температуры и солености по толщине льда [3]

На рисунках 10 и 11 представлены графики зависимости плотности от солености льда для верхних и нижних образцов льда соответственно.

Рис. 10. Зависимость солености льда на его плотность для верхней части образцов	Рис. 11. Зависимость солености льда на его плотность для нижней части образцов

Следует отметить, что значение солености льда в верхних и нижних слоях превышает значение солености в средней части керна. Это связано с формированием структуры, когда лет нарастает в виде игл, направленных вниз, тем самым формируя столбчатую структуру, в которой образуются дренажные каналы для транзита рассола.

Неоднородность ледяного покрова характеризуется коэффициентом, рассчитанным по формуле (3), который варьировался от 0,6 до 0,75. Для поля 100х100 метров коэффициент неоднородности составляет — 0,7; для поля 25х25 метров — 0,67; для поля 6,25х6,25 метров — 0,69.

По результатам обработки натурных данных построены карты распределения прочности на одноосное сжатие, солености и плотности льда по площади ледяного покрова. Результаты испытаний обрабатывались с помощью программы Surfer 12.6.963. Карты исследуемых характеристик ледяного поля представлены на рисунках 12–15.

Рис. 12. Карта распределения прочности льда по площади

а) по испытанию «DBT» б) по испытаниям на одноосное сжатие

Рис. 13. Карта распределения плотности по площади

а) верхних образцов льда б) нижних образцов льда

Рис. 14. Карта распределения солёности по площади

а) в верхних образцов льда б) нижних образцов льда

Рис. 15. Карта распределения температуры

а) верхней части льда б) нижней части льда

Испытания на неоднородность ледяного поля показали, что распределения прочности по изучаемому месту имеет случайный характер, повышение прочности льда наблюдается вблизи у берега. Карты распределения по плотности показывают, что у берега плотность морского льда ниже и увеличивается линейно в направлении от берега. Большие показатели прочности льда наблюдаются в зоне низких температур верхней части ледяного покрова. Данные показатели обусловлены опреснением льда ближе к берегу из-за впадения в этом месте небольшого ручья в море.

Рекомендации по методике исследования

Для повышения достоверности результатов испытаний следует: увеличить выборку образцов, дополнительно отбирать полноразмерные керны для определения солёности ледового покрова, не допускать к отбору сломанные образцы при бурении или при транспортировке до лаборатории. Для уменьшения воздействия внешней среды на отобранные образцы необходимо: предварительно охладить термобоксы до температуры воздуха, ускорить транспортировку образцов с места отбора до лаборатории, рекомендуется также забор кернов ранним утром или в пасмурную погоду. Непосредственно в процессе подготовки образцов следует повысить точность распиловки кернов для уменьшения сколов и неровностей граней. Во время испытаний необходимо поддерживать пониженную температуру в лаборатории.

Литература:

1. А. Т. Беккер, А. Э. Фарафонов, Е. Е. Помников. Неоднородность ледяных полей // Вестник инженерной школы ДВФУ. 2017. № 3(32)
2. Калинин И. С., Уварова Т. Э., Зверев А. А. Исследование влияния температуры и солености льда на его изгибную прочность // Сборник научных статей по итогам VI международной научной конференции. — 2021. — С. 41–47.
3. Мельниченко Н. А., Тювеев А. В., Лазарюк А. Ю., Кустова Е. В., Харламов П. О. Микроструктура морского льда б. Новик по данным гидрологических измерений и результатов МРТ-исследования // Океанологические исследования. — 2021. — с. 43–47.
4. СП 38.13330.2018 Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). СНиП 2.06.04–82* (с Изменением N1). Введ. 2019–02–17. — М.: Стандартинофрм, 2019. — 122 с.