506 极地研究第 28 卷势 [6], 接近融点时的冰单轴压缩强度最低通过对渤海海冰的单轴压缩研究表明, 海冰单轴压缩强度与其温度呈幂函数关系 [7] 纯冰密度为 917kg m -3, 冰密度作为表征冰致密层度的一个参数, 密度偏低时表明内部疏松多孔, 其强度也会偏低对南极海冰的单轴压缩试

Size: px

Start display at page:

Download "506 极地研究第 28 卷势 [6], 接近融点时的冰单轴压缩强度最低通过对渤海海冰的单轴压缩研究表明, 海冰单轴压缩强度与其温度呈幂函数关系 [7] 纯冰密度为 917kg m -3, 冰密度作为表征冰致密层度的一个参数, 密度偏低时表明内部疏松多孔, 其强度也会偏低对南极海冰的单轴压缩试"

淦洪
7 years ago
Views:

1 第 28 卷第 4 期极地研究 Vol.28,No 年 12 月 CHINESEJOURNALOFPOLARRESEARCH December2016 毀櫑毀毀研究论文櫑櫑櫑櫑櫑櫑櫑櫑櫑毀夏季南极固定冰单轴压缩强度及试样破碎规律研究 1 韩红卫 2 雷瑞波 2 李丙瑞 1 程鹏 1 李志军 ( 1 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室, 辽宁大连 ; 2 中国极地研究中心, 上海 ) 提要 2012 年 11 月 2013 年 4 月中国第 29 次南极科学考察期间, 针对南极夏季固定冰单轴压缩性质开展了研究使用冰芯钻直接在平整冰层钻取力学试样, 取样冰厚为 149cm, 其中颗粒冰柱状冰和片状冰分别占采样冰芯总长度的 15.4% 72.5% 和 12.1%; 单轴压缩试样只采用柱状冰部分, 加工好的力学冰样尺寸为直径 9cm, 长度为 18cm; 共设置 5 个试验温度 ( 和 -10 ), 加载应变速率在 s -1 利用统计方法分析试验结果, 建立了南极夏季海冰单轴压缩强度与孔隙率和应变速率的关系式, 以及综合考虑应变速率和温度影响下的单轴压缩强度定量表达式 ; 同时, 基于分形理论对单轴压缩试样破碎块分布规律进行了分析, 结果显示碎块长度分形维数随着温度和应变速率的降低有增大趋势在特别低应变速率下海冰试样整体发生蠕变时, 无法采用分形方法讨论海冰内部破碎程度关键词南极海冰力学单轴压缩强度破碎特征 doi: /j.jdyj 引言随着各国南极考察活动的增加南极旅游和渔业资源 ( 磷虾 ) 捕捞的增多, 船舶在南极冰区的活动增多然而, 不同于北极海冰的持续衰减, 南极海冰呈现缓慢增长趋势 [1 2], 这无疑增加了船舶在南极冰区航行的安全风险例如,2014 年雪龙船为救援在南极联邦湾被海冰围困的俄罗斯绍卡利斯基院士号时, 也遭海冰围困 [3 4], 两艘船都受到海冰的威胁固定冰的力学性质是极区近岸海洋工程设计的重要参数 ; 另外, 在南极破冰船对科考站补给时一般需要破碎近岸固定冰, 船舶破冰行驶时, 船舶与海冰的相互作用是一个复杂的过程, 海冰一般发生压缩破坏弯曲破坏和剪切破坏, 而固定冰力学性质是对海冰船舶相互作用研究的基础 Timco 和 Weeks [5] 综述了 2010 年以前对海冰的物理力学性质做的诸多研究, 对以往的研究结果给出了总结和分析, 发现影响海冰单轴压缩性质的因素众多, 其中包括冰自身性质 ( 温度盐度密度, 冰类型晶体大小和方向等 ) 和加载条件 ( 加载速率约束条件加载方向试样尺寸试验机刚度和试样制备技术等 ) 海冰作为一种复合材料, 由纯冰晶卤水泡气泡和固体盐颗粒组成在不同环境下, 受成冰气象条件影响, 海冰内部结构存在差异, 内部结构的不同又会在其力学性质中表现出来海冰随着温度的升高, 其单轴压缩强度有降低趋 [ 收稿日期 ] 2015 年 7 月收到来稿,2015 年 9 月收到修改稿 [ 基金项目 ] 国家海洋局海洋公益性行业科研专项 ( ) 国家海洋局南北极环境综合考察与评估专项 (CHINARE ) 和国家工信部高技术船舶科研计划项目 ( 工信部联装 [2013]417 号工信部联装 [2013]412) 资助 [ 作者简介 ] 韩红卫, 男,1984 年生博士研究生, 主要从事冰物理和力学性质的试验研究 E mail:hhw777@sina.com [ 通讯作者 ] 李志军,E mail: lizhijun@dlut.edu.cn

2 506 极地研究第 28 卷势 [6], 接近融点时的冰单轴压缩强度最低通过对渤海海冰的单轴压缩研究表明, 海冰单轴压缩强度与其温度呈幂函数关系 [7] 纯冰密度为 917kg m -3, 冰密度作为表征冰致密层度的一个参数, 密度偏低时表明内部疏松多孔, 其强度也会偏低对南极海冰的单轴压缩试验结果显示, 海冰单轴压缩强度与密度呈线性关系 [8], 密度越大其单轴压缩强度越高冰内气泡是冰承载力的薄弱部分, 属于内部缺陷对渤海海冰的单轴压缩研究显示, 海冰温度和冰内气泡含量影响峰值单轴压缩强度 [9], 一般而言, 随着冰内气泡含量的增加, 压缩强度有明显的降低 [10],Timco 和 Frederking [11] 的研究结果表明, 当水平试样气泡含量 >27%, 垂直试样气泡含量 >20% 时, 单轴压缩强度几近消失另外, 气泡含量间接影响海冰韧脆转变行为, 当气泡含量 >7% 时海冰脆性破坏行为不会发生 [10] 单一参数难以表征海冰的内部缺陷, 基于海冰盐度密度和温度发展而来的海冰孔隙率经验公式可以较好的评估海冰内部缺陷 Cox 和 Weeks [12] 给出了区间内的海冰孔隙率计算公式,Lepp ranta 和 Manninen [13] 在此基础又发展了 -2 0 海冰孔隙率计算公式单轴压缩试验中, 通过测量海冰单轴压缩试样的盐度密度和温度, 计算得到对应孔隙率, 建立了海冰单轴压缩强度与孔隙率的关系 [10 11,14] 加载条件对海冰单轴压缩性质的影响属于外部因素首先是加载速率的影响, 海冰的单轴压缩性质与加载速率有关, 在低加载速率下呈现韧性性质, 在高加载速率下呈现脆性性质 [15], 随着加载速率的变化存在韧脆转变, 一般在韧脆转变区域达到极大压缩强度冰压缩脆性断裂是基于翼裂纹扩展模型 [16], 在高加载速率下的脆性破坏开始于主裂缝的产生和滑移, 随着翼裂纹扩展和连接在一起, 试件失效发生破坏, 破裂断面与轴线大致成 45 [17] ; 低加载速率下, 翼裂纹的扩展受到限制, 随着荷载的增大产生新的裂纹, 试样表现为韧性破坏行为 [18] 在低应变速率下, 单轴压缩强度随着应变速率的增大而增大 [19] ; 当应变速率 >10-3 s -1 发生韧脆转变, 单轴压缩强度对应变速率敏感性降低 [20] 我国极地科考主要以破冰船为补给和试验平台 2012 年 11 月 2013 年 4 月中国第 29 次南极科学考察期间, 利用雪龙船上的大连理工大学可移动式低温实验室对南极夏季平整海冰的物理性质和海冰单轴压缩性质进行了准原位观测, 并重点分析孔隙率温度和应变速率对海冰单轴压缩强度的影响同时, 基于分形理论对单轴压缩试样破碎块分布规律进行了分析, 揭示海冰单轴压缩强度及破碎特征对温度和加载应变速率的响应 1 试样及内部组构试样于 2012 年 12 月 14 日取自南极中山站附近的固定冰 (76.11 S,69.32 W) 取样冰厚为 149cm, 是该海区平整冰代表性冰厚 [21] 采用冰芯钻钻取冰芯的方法, 共获得 42 根直径为 9cm 力学试样冰芯取样时使用铂电阻温度测量仪 (PT3002, 精度为 ±0.1 ) 现场测量冰芯温度 ; 测量温度后的冰芯分段装入盐度样品瓶带回考察船上的实验室, 然后用重量体积法 ( 用游标卡尺测量样品尺寸, 精度为 0.1g 的电子天平测量样品质量 ), 从而计算得到其密度 ; 样品融化后使用盐度仪 (SYA2 2, 精度为 ) 测量冰芯盐度钻取的冰芯试样转运到雪龙船上的大连理工大学可移动式低温实验室内低温储存 (-15 ) 力学试样加工前需要观测海冰内部结构, 具体方法是选取上下通长的完整冰芯, 分段标记深度位置制作晶体切片, 具体的晶体切片方法可参考文献 [22 23] 海冰的温度盐度和密度垂向廓线如图 1 所示可以看出夏季融化期的海冰温度一般高于 -2 ; 海冰表层温度受气温影响较大, 实测的 -1.2 与气温 -1.6 接近 ; 在 10 70cm 深度区间, 海冰温度随着深度增加逐渐降低 ;70cm 以下深度区间, 海冰温度维持在在 0 30cm 深度区间的海冰盐度和密度偏低, 这与上层海冰融化快导致冰层疏松, 盐分随融水下渗有关受卤水通道贯通和卤水下渗影响, 底层海冰盐度最大 (8.05 PSU) 根据冰芯的晶体结构照片可以判断采集点海冰为一年冰如图 2 所示, 在 3 23cm 深度区间为颗粒冰 ;23 131cm 深度区间为柱状冰 ; cm 深度区间为片状冰颗粒冰柱状冰和片状冰分别占采样冰芯总长度的 15.4% 72.5% 和 12.1%

3 第４期韩红卫等夏季南极固定冰单轴压缩强度及试样破碎规律研究５０７２试验方法和结果根据晶体结构分析结果和冰芯实际情况上层颗粒冰疏松易碎取样时颗粒冰断裂后长度无法满足单个力学试样长度另外片状冰长度也无法满足单个力学试样长度确定冰样加工方案为只采用柱状冰部分切除两端的颗粒冰和片状冰加工好的力学冰样尺寸为直径９ｍ长度为８ｍ试样共设置５个试验温度２４８和０试验前的低温恒温箱内储存超力学冰样放入精度为０过２４以保证力学冰样内外都达到试验温度试０覆盖了冰的韧性验加载应变速率在图力学试样取样时海冰温度盐度密度孔隙率垂向廓线ＦＶｐｄｙｄｙｄｐｙ破坏韧脆过渡和脆性破坏区域极大压缩强度一般发生在韧脆转变区域该加载区间具有工程合理性详细的试样方案见表试验采用能力为００ｋＮ压力试验机配备量程为００ｋＮ力学传感器ＰＰＭ２２ＬＳ２生产商中南大学电子设备厂测量试验压力值使用高精度微型激光传感器ＬＴＣ２０２０ＳＡ生产商ＭＴＩＩｍＩ测量冰样形变以２００Ｈｚ采样频率采集试验加载过程中的压力和变形并由力学试样发生破坏时的最大压力确定单轴压缩强度 σ 试样的应变 ε和应变速率 ε由形变和形变速率确定 σ ＰｍｘＡ２ ε ε 式中Ｐｍｘ为力学试样破坏时受到的最大压力Ａ为受力圆形截面面积为沿受力方向的形变为沿图２冰芯切片图片图中数值为距冰表面距离Ｆ２ＳｑｖｐｐｄｄｐｚｄＶｄｍｐｄ受力方向的形变速率为受力方向的试样长度图以０为例给出了不同应变速率下的应应变特征曲线力表试验方案ＴｂＴｘｐｍｍ参数ＡＢＣＤＥ试验温度０８４２应变速率７００７２００９００４２０２２９２０试样个数２２９５０

4 508 极地研究第 28 卷强度的影响条件下, 得到的海冰单轴压缩强度与孔隙率 (ν) 关系如图 4 所示, 得到的指数函数拟合关系见公式 (4): σ c = e 槡 ν (4) 其中,R 2 =0.4618,RMSE= 图 3 应力应变特征曲线 (-10 ) Fig.3.Stres straincurvesatatemperatureof-10 andatdif ferentstrainrates 海冰的孔隙率为卤水泡和空气泡体积比之和, 直接测量孔隙率很难实现, 这里利用基于海冰盐度密度和温度发展而来的经验公式确定海冰孔隙率 [12] 计算海冰力学试样孔隙率使用的温度为试验温度, 海冰密度同样使用重量体积法在力学试验前获得, 海冰盐度为力学试验后收集较大破碎块融化后测得 3 结果与讨论试验中只涉及单一位置点的柱状冰, 可以认为其冰类型及晶体大小和方向具有一致性这里重点探讨温度孔隙率和加载应变速率对海冰单轴压缩强度的影响机制和规律 3.1 孔隙率和应变速率对单轴压缩强度的影响一些学者也会给出单轴压缩强度与温度或密度的单变量关系趋势例如, 单轴压缩强度与温度的绝对值一般符合对数函数关系 [24] ; 对北极夏季海冰单轴压缩强度研究显示, 当密度小于 860kg m -3 时, 单轴压缩强度随着密度的增加呈幂函数增长趋势 [25] 也有以卤水体积 ( 与温度和盐度有关 ) 作为指标评价海冰单轴压缩强度 [7], 但这种方法更适合高纬度低温且冰内气泡较少的海冰而海冰的孔隙率是卤水泡和空气泡体积比之和, 是与温度盐度和密度有关的一个重要参数, 以孔隙率作为评价海冰单轴压缩强度的指标可以综合兼顾温度盐度和密度的影响在以往的研究中海冰孔隙率已经作为一个综合参数谈论其对海冰单轴压缩强度的影响 [9,11,24] 在不考虑加载速率等其他因素对海冰单轴压缩图 4 海冰单轴压缩强度与孔隙率的关系 Fig.4.Relationshipbetweenuniaxialcompresivestrengthofsea iceandporosity 相较于温度 ( 单因子 ) 和卤水体积 ( 温盐两因子 ), 用孔隙率 ( 温盐密三因子 ) 评价海冰单轴压缩强度有一定的优势, 但在加载条件 ( 应变速率 ) 这一隐含因子影响下其结果还是比较分散故基于孔隙率和应变速率的海冰单轴压缩强度计算模式得到认可,Timco 和 Frederking [11] 发展了在应变速率区间 s -1 的颗粒冰和柱状冰不同加载方向单轴压缩强度计算公式, 公式 (5) (7) 分别适用于水平加载柱状冰垂直加载柱状冰和颗粒冰, 式中孔隙率单位为, 单轴压缩强度单位为 MPa 为 σ c =37(ε) 0.22 [1-( ν 270 )0.5 ] (5) σ c =160(ε) 0.22 [1-( ν 200 )0.5 ] (6) σ c =49(ε) 0.22 [1-( ν 280 )0.5 ] (7) Kovacs [14] 建议的海冰单轴压缩强度计算公式 σ c =2700 (ε)1 3 (8) ν 式中, 孔隙率单位为, 单轴压缩强度单位为 MPa, 适用的应变速率为 s -1 [24] 李志军等给出宽应变速率范围内孔隙率对单轴压缩强度的定量描述公式 : σ c =A (ε) B (1+ν) C (9) 式中, 孔隙率单位为, 单轴压缩强度单位为 MPa,

5 第 4 期韩红卫等 : 夏季南极固定冰单轴压缩强度及试样破碎规律研究 509 适用的应变速率为 s -1, 其中系数 A,B, C 详见文献 [24] 我们根据不同应变速率下的单轴压缩强度和依据温度盐度及密度计算得到的孔隙率, 拟合得到南极夏季固定冰单轴压缩强度计算公式 : σ c =20.8(ε) (ν) (R 2 =0.4546,RMSE =0.1594) (10) 式中, 孔隙率单位为, 适用的应变速率为 s -1, 单轴压缩强度单位为 MPa 综合考虑加载条件和海冰内部缺陷的单轴压缩强度经验公式引入孔隙率参数具有真实物理意义海冰作为黏弹性材料对加载速率敏感, 海冰在外力加载的过程是冰裂隙扩展及内部缺陷相互贯通的过程公式 (10) 通过引入孔隙率参数间接量化海冰内部缺陷在弱化海冰单轴压缩强度中起贡献, 对评估南极夏季固定冰单轴压缩强度具有指导意义 3.2 温度和应变速率对单轴压缩强度的影响以孔隙率和应变速率为自变量给出的海冰单轴压缩强度计算公式也各有优缺点首先, 海冰的孔隙率难以直接测量, 需要通过海冰的温度密度和盐度间接确定孔隙率另外, 就是计算公式有一定的限制条件, 如 Timco 和 Frederking [11] 发展的计算公式 (5) (7), 其适用的孔隙率存在上限, 以公式 (5) 为例, 当孔隙率 270, 公式就无法计算, 但事实上孔隙率 270 的海冰其压缩强度依然存在 Kovacs [14] [24] 李志军等和本文给出的基于孔隙率和应变速率下的海冰单轴压缩强度计算公式 (8) (10) 虽然解决了海冰大孔隙率的限制, 但是难以保证所有地区海冰计算系数相统一我们希望直接建立海冰单轴压缩强度与温度和应变速率的关系来回避孔隙率过大无法准确估计的限制首先, 海冰作为一种黏弹性材料, 其单轴压缩性质对应变速率非常敏感以往的研究表明, 海冰单轴压缩性质随着加载速率 ( 应变速率 ) 的变化存在韧脆转变, 在高应变速率下呈现脆性断裂破坏性质, 低应变速率下以韧性破坏为主, 而在韧脆转变区间单轴压缩强度达到极大值 [9,25] 图 5 给出了各试验温度下单轴压缩强度随应变速率的变化规律以 -2 试验组为例, 当应变速率 < s -1 时, 单轴压缩以韧性破坏为主 ; 当应变速率 > s -1 时, 单轴压缩以脆性破坏为主 ; 在韧脆转变区间单轴压缩强度达到极大值其次, 海冰也是一种温度敏感性材料, 温度变化对其单轴压缩性质的影响尤其重要依据图 5 可知单轴压缩强度随着温度的降低有增大趋势以往研究在单独考虑温度因子对海冰单轴压缩强度的影响时, 给出了温度与峰值单轴压缩强度的拟合公式 [24] 海冰峰值单轴压缩强度发生在韧脆转变区, 但是在不同温度下韧脆转变区对应的应变速率不同, 所以在研究海冰峰值单轴压缩强度对温度和应变速率敏感性时需要综合考虑分析图 6 给出了 5 个试验温度 ( 和 -10 ) 下的压缩强度分布规律, 拟合公式见公式 (11): σ c =0.18[(lgε)+4.47] 3 +[(lgε)+4.47] 2 (0.17θ-1.06)+1.31[(lgε)+4.47] -0.45θ+2.77 (11) 其中,R 2 =0.6963,RMSE=1.069, 应变速率范围 s -1, 温度范围为图 5 海冰单轴压缩强度与应变速率的关系 Fig.5.Relationshipbetweenuniaxialcompresivestrengthofseaiceandstrainrate

6 极地研究５０第２８卷体发生蠕变其失效时一般无碎块剥落此时无法采用分形方法讨论海冰内部破碎程度图７为试验９００４条件下试温度为应变速率为样破碎块分布状况当用ＮＬｑｍｘＬｑ绘图时图形分布的拟合直线的斜率即为分形维数分别给出了试验温度下三种不同应变速率分别对应脆性破坏区图８韧脆转变破坏区图８ｂ和韧性破坏区图８试样按破碎长度和数量关系８９２和确定的分形维数其分形维数分别为２０４可以看出碎块长度分形维数随着应变速率的降低有增大趋势这是因为随着应变速率的降低图温度与应变速率共同作用下的海冰单轴压缩强度分布ＦＵｘｖｄｄ试样破碎块度的分形研究冰试样内的应力传播相对充分使得内部裂缝发育成熟应变速率越低加载时间越长其应力响应和损伤的积累过程以及裂缝自协调进行得越充分试样破坏时形成的碎块也会增多碎块尺寸连续性更海冰作为一种脆性材料在单轴压缩下的宏观好故碎块分布的分形维数会受应变速率的影响破碎过程是其内部缺陷裂纹气泡卤水泡扩展海冰温度变化可以改变其孔隙率间接影响其和贯通的结果外力作用下细观损伤发展到宏观破内部缺陷一般通过研究包含温度变量参数揭示海碎的过程是能量耗散过程由于试验中很难实现对冰单轴压缩强度变化规律此处通过统计不同试验海冰内部破坏过程的观测在此采用分形方法对单温度下的海冰宏观破碎块分形维数从物理意义上轴压缩破坏后的碎块开展研究讨论海冰在外力作理解温度对海冰破碎难易程度的影响由于在同一用下的破碎程度试验温度下应变速率影响海冰破碎块分形维数在冰试样单轴压缩破坏破碎时其碎块形状具有做同一温度下海冰破碎块分形维数分析时采用包自相似性碎块尺度分布具有幂律特性符合统计含不同应变速率下的试验组综合统计得到的结果意义上的分形其碎块分布同样可以采用自相似分认为是该温度下的海冰破碎块分形维数以此消除形维数方法分析分形维数大的试件其破碎程度应变速率的影响图９给出了４个试验温度４高碎块数量多碎块体积小分形维数小的试件８和０按破碎长度和数量关系确定的破碎程度低碎块数量少碎块体积大根据所测分形维数可以看出随着温度的降低有增大趋碎块三个尺寸长度宽度厚度换算成正方体的势从分形维数的物理意义而言其值越高说明等效边长Ｌｑ按下式计算分维值２ＬｑＤＮＮ０Ｌｑｍｘ海冰破碎越复杂或破碎越难这与海冰单轴压缩强２度随着温度的降低而增加具有相同的意义式中Ｎ为特征长度Ｌｑ的破碎块体数目Ｎ０是具有最大特征长度Ｌｑｍｘ的块体数Ｄ即为破碎块度分布分形维数海冰的单轴压缩试样的破碎与加载速率有关在高加载速率下试样发生脆性破坏脆性破坏开始于主裂缝结束于翼裂纹扩展和连接破裂断面与加载轴线大致成４５试样破碎后碎块较少在低加载速率下翼裂纹的扩展受到限制随着荷载的增大产生新的裂纹试样发生韧性破坏相对脆性破坏其破碎块较多在更低的加载速率下试样整图７冰试样破坏后碎块分布状况Ｆ７Ｆｐｍｘｖ

7 第４期韩红卫等夏季南极固定冰单轴压缩强度及试样破碎规律研究５图８按破碎长度和数量关系确定分形维数Ｆ８Ｆｄｍｄｂｄｐｂｗｍｄｑｙ图９不同试验温度下按破碎长度和数量关系确定的分形维数Ｆ９Ｆｄｍｄｂｄｐｂｗｍｄｑｙｄ子评价海冰单轴压缩强度表达式但是在忽略加４结论载应变速率的响应下其结果还是比较分散故进一步分析综合考虑孔隙率和应变速率的双因子影响下对南极中山站附近夏季平整冰层海冰单轴压缩的单轴压缩强度变化规律由于海冰孔隙率相对难性质和破碎分布开展了系统试验研究海冰类型为测量通过直接建立温度和加载速率双因子影响下热力学生长的柱状冰影响海冰单轴压缩强度的很的海冰单轴压缩强度表达式便于确定极地平整海多主要考察了温度加载速率和孔隙率对单轴压冰单轴压缩强度应用分形理论对单轴压缩试件破缩强度的影响规律建立了用孔隙率温盐密三因坏后碎块的分布规律进行了研究碎块等效破碎长

8 512 极地研究第 28 卷度分形维数作为度量冰试样单轴压缩破坏特征的一个指标, 结果显示碎块长度分形维数随着温度的降低以及应变速率的降低有增大趋势因为随着应变速率降低, 试样内的应力响应和损伤的自协调进行得越充分, 试样破坏时形成的碎块尺寸连续性更好, 数量也会增多, 从而引起分形维数的变化 ; 但是当应变速率特别低时, 海冰试样整体发生蠕变, 其失效时一般无碎块剥落, 此时无法采用分形方法讨论海冰内部破碎程度碎块长度分形维数与加载方式海冰内部结构及海冰温度等密切相关, 是这些因素的综合反映, 从分形维数的物理意义分析, 其值越高, 表明其越复杂或破碎越难致谢感谢第 29 次南极科学考察大洋队队友帮助完成力学试样采集工作, 感谢雪龙船全体船员的支持, 使我们顺利完成船上力学试验部分参考文献 1 SimmondsI.ComparingandcontrastingthebehaviourofArcticandAntarcticseaiceoverthe35yearperiod [J].AnnalsofGlaciology, 2015,56(69): GooseH,ZunzV.DecadaltrendsintheAntarcticseaiceextentultimatelycontroledbyice oceanfeedback[j].thecryosphere,2014,8(2): WangZM,TurnerJ,SunB,etal.Cyclone inducedrapidcreationofextremeantarcticseaiceconditions[j].scientificreports,2014,4: 张林, 李春花, 柴先明, 等.2014 年初雪龙船在南极被海冰围困期间海洋气象环境分析 [J]. 极地研究,2014,26(4): TimcoGW,WeeksW F.Areviewoftheengineeringpropertiesofseaice[J].ColdRegionsScienceandTechnology,2010,60(2): PetrovicJJ.Reviewmechanicalpropertiesoficeandsnow[J].JournalofMaterialsScience,2003,38(1): 王安良, 许宁, 季顺迎. 渤海沿岸海冰单轴压缩强度的基本特性分析 [J]. 海洋工程,2014,32(4): UrabeN,InoueM.MechanicalpropertiesofAntarcticseaice[J].JournalofOfshoreMechanicsandArcticEngineering,1988,110(4): LiZJ,ZhangLM,LuP,etal.ExperimentalstudyontheefectofporosityontheuniaxialcompresivestrengthofseaiceinBohaiSea[J].Sci encechinatechnologicalsciences,2011,54(9): MosletPO.Fieldtestingofuniaxialcompresionstrengthofcolumnarseaice[J].ColdRegionsScienceandTechnology,2007,48(1): TimcoGW,FrederkingRM W.Compresivestrengthofseaicesheets[J].ColdRegionsScienceandTechnology,1990,17(3): CoxGFN,WeeksW F.Equationsfordeterminingthegasandbrinevolumesinsea icesamples[j].journalofglaciology,1983,29(102): Lepp rantam,manninent.thebrineandgascontentofseaicewithatentiontolowsalinitiesandhightemperatures[r].internalrep88 2.Hel sinki:finnishinstituteformarineresearch, KovacsA.SeaIce:PartI.Estimatingtheful scaletensile,flexural,andcompresivestrengthoffirst yearice[r].crrelreport96 11.Cold RegionsResearchandEngineeringLaboratory,USArmyCorpsofEngineers, SchulsonEM.Thestructureandmechanicalbehaviorofice[J].JOM,1999,51(2): NixonW A.Wingcrackmodelsofthebritlecompresivefailureofice[J].ColdRegionsScienceandTechnology,1996,24(1): RistM A,MurelSAF.Icetriaxialdeformationandfracture[J].JournalofGlaciology,1994,40(135): RenshawCE,SchulsonEM.Universalbehaviourincompresivefailureofbritlematerials[J].Nature,2001,412(6850): WangYS.Arate dependentstres strainrelationshipforseaice[j].journalofenergyresourcestechnology,1983,105(1): SodhiDS,TakeuchiT,NakazawaN,etal.Medium scaleindentationtestsonseaiceatvariousspeeds[j].coldregionsscienceandtechnology, 1998,28(3): LeiRB,LiZJ,ZhangZH,etal.SummerfasticeevolutionofZhongshanStation,Antarctica[J].ChineseJournalofPolarScience,2008,19 (1): 王国志, 黄文峰, 李志军, 等. 大庆红旗泡水库冰内部组构观测方法 [J]. 黑龙江水专学报,2009,36(4): 李志军, 贾青, 黄文峰, 等. 水库淡水冰的晶体和气泡及密度特征分析 [J]. 水利学报,2009,40(11): 李志军, 张丽敏, 卢鹏, 等. 渤海海冰孔隙率对单轴压缩强度影响的实验研究 [J]. 中国科学 : 技术科学,2011,41(10): HanHW,LiZJ,HuangW F,etal.TheuniaxialcompresivestrengthoftheArcticsummerseaice[J].ActaOceanologicaSinica,2015,34 (1): 谢和平, 高峰, 周宏伟, 等. 岩石断裂和破碎的分形研究 [J]. 防灾减灾工程学报,2003,23(4):1 9.

9 第 4 期韩红卫等 : 夏季南极固定冰单轴压缩强度及试样破碎规律研究 513 STUDYONTHEUNIAXIALCOMPRESSIVESTRENGTHANDCRUSHING REGULATIONOFTHELANDFASTANTARCTICSEAICEIN AUSTRALSUMMER HanHongwei 1,LeiRuibo 2,LiBingrui 2,ChengPeng 1,LiZhijun 1 ( 1 StateKeyLaboratoryofCoastalandOfshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China; 2 PolarResearchInstituteofChina,Shanghai200136,China) Abstract ThispaperpresentstheuniaxialcompresivepropertiesoflandfastAntarcticseaiceinaustralsummer.The seaicesampleswerecolectedduringthe29thchinesenationalantarcticresearchexpeditionundertakenbetween November2012andApril2013.SpecimensformechanicaltestingweresampledusingaKovacsdrilfrom149cm thickice.theseaicecomprisedgranularice(15.4%),columnarice(72.5%),andplateletice(12.1%).for themechanicaltests,specimens9cmindiameterincrossectionand18cminlengthwerecutfromthecolumnar icelayerandthentestedunderdiferenttemperatures(-2,-4,-6,-8,and-10 C)andstrainratesranging from10-6 to10-2 s -1.Basedontheexperimentaldata,theuniaxialcompresivestrengthoftheseaicewasde scribedasafunctionofporosity,andaquantitativeexpresionoftheuniaxialcompresivestrength,whichcompre hensivelyconsiderstheinfluencesofstrainrateandtemperature,wasestablished.moreover,thedistributionof fragmentsfromtheuniaxialcompresionspecimenswasanalyzedbasedonfractaltheory.theresultsshowedthe fractaldimensionofthefragmentlengthincreasedsteadilyasthetemperatureandstrainratedecreased.however, thefractalmethodcouldnotbeusedtodiscusthebreakingdegreeoficewhencreep fatigueoccuredatlowstrain rates. Keywords Antarctic,seaice,mechanics,uniaxialcompresivestrength,crushingregulation

2 年!"#$! %&' "#($(# )! " # + #$ +,--+(+ %&./&- 0$ "(1#+$($ ($ $$ % ((!"!"#1 $ 1# +( !( ( +$$(+$1#1 $ %&1& "# %& ( %&21&3 $ #( +$$( " # ( $ ( #

2 年!#$! %&' #($(# )*! # + #$ +,--+(+ %&./&- 0$ (*1#+$($ (*$ $$ % ((!!#1 $ *1# +( *!( ( +$$(+$1#1 $ %&1& # %& ( %&21&3 * $ #( +$$( # ( $ ( # 第 E; 卷第 E 期 E& 年月 C(>@>@CF@AGCH I7E;7E (,+7E& +,- &7&;E%