陳曉東 崔海鑫 王安良 季順迎,2)

?(大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116024)

?(中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200011)

??(國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

引言

對(duì)于寒區(qū)的船舶與海洋結(jié)構(gòu),冰載荷是主要設(shè)計(jì)參數(shù)[1].海冰在與斜體結(jié)構(gòu)相互作用時(shí),以彎曲破壞為主.海冰的拉伸強(qiáng)度決定了海冰的破碎尺寸以及結(jié)構(gòu)冰力周期等特征[2-3].對(duì)于直立結(jié)構(gòu)與海冰的相互作用,海冰可表現(xiàn)出彎曲與劈裂等多種破壞模式.海冰的拉伸強(qiáng)度是決定破壞模式的重要因素并因此影響了載荷形式[4-5].一般來(lái)說(shuō),單軸拉伸試驗(yàn)是獲取材料拉伸強(qiáng)度的最直接手段.但由于海冰材料本身的脆性特點(diǎn),在進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)中破壞處容易發(fā)生在試樣夾持部位而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗.為提高試驗(yàn)的成功率,需將拉伸試樣打磨成中間截面較小的“啞鈴”狀以使試樣由中部發(fā)生破壞[6-8].在該過(guò)程中,試樣的加工制備需要大量時(shí)間而嚴(yán)重影響了試驗(yàn)效率,因此也并不適用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境[9].

為提高試驗(yàn)效率,相關(guān)學(xué)者通過(guò)對(duì)試驗(yàn)方法的改進(jìn)來(lái)獲取脆性材料的拉伸強(qiáng)度,主要包括三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、懸臂梁試驗(yàn)與巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)等[10-12].在海冰的壓縮試驗(yàn)中,雖然加載端受到壓縮作用,但試樣中部可產(chǎn)生明顯的拉伸變形[13-15].由于脆性材料本身的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其壓縮強(qiáng)度,因此可通過(guò)改變?cè)嚇拥膸缀涡螤钍蛊湓趬嚎s過(guò)程中以拉伸形式發(fā)生破壞,從而得到其拉伸強(qiáng)度[16-17].在巖石力學(xué)中,通過(guò)對(duì)圓盤(pán)形狀的試樣施加對(duì)稱的軸向壓縮載荷,使其中心部位形成強(qiáng)烈的拉伸應(yīng)力并最終劈裂破壞并以此計(jì)算其拉伸強(qiáng)度,該試驗(yàn)又可稱為巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)[18-20].在該方法中,切割打磨試樣等繁瑣步驟得到了簡(jiǎn)化,與單軸拉伸試驗(yàn)相比測(cè)試效率得到了明顯提高.同時(shí),試驗(yàn)結(jié)果表明巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)可同時(shí)獲得材料的拉伸與壓縮彈性模量[21-22].在對(duì)凍土的力學(xué)性質(zhì)研究中,該方法同樣得到了合理的結(jié)果[21,23-24].Kovacs 與Kalafut 最早將該方法應(yīng)用在海冰的拉伸強(qiáng)度測(cè)試中.由于試驗(yàn)中所采用的液壓裝置無(wú)法控制以獲得準(zhǔn)確的加載速率,海冰在加載過(guò)程中的變形改變了載荷狀態(tài)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成了較大的影響[25-26].為解決該問(wèn)題,Rocco 等[18]和Yu等[27]通過(guò)對(duì)解析解的改進(jìn)得到了均布載荷作用下的拉伸強(qiáng)度求解方式.在實(shí)際試驗(yàn)中,將圓盤(pán)試樣的兩端切割成平面則可得到均布載荷的加載狀態(tài),從而避免冰的變形對(duì)拉伸強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果的影響[28-30].采用巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)方法,將大幅度提高海冰材料拉伸強(qiáng)度的測(cè)試效率.目前,仍未有采用巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)對(duì)海冰拉伸強(qiáng)度開(kāi)展相對(duì)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究.

為此,本文以渤海遼東灣沿岸的粒狀冰為試驗(yàn)對(duì)象,采用巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)對(duì)粒狀冰的拉伸強(qiáng)度開(kāi)展了系統(tǒng)的研究.通過(guò)試樣破壞過(guò)程中的裂紋形式以及最大屈服力特點(diǎn),分析了該方法對(duì)于獲取海冰拉伸強(qiáng)度的可行性與有效性.此外,試驗(yàn)進(jìn)一步研究了試樣厚度、溫度以及加載速率等條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響.

1 巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)方法與原理

1.1 試驗(yàn)儀器及步驟

典型的巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)中,實(shí)際上對(duì)試樣所施加的是軸向壓縮力,因此本文采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)作為加載系統(tǒng)提供單軸壓縮載荷.通過(guò)試驗(yàn)機(jī)加載臺(tái)面的軸向移動(dòng),對(duì)試驗(yàn)試樣形成穩(wěn)定的加載速率.其中試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)剛度約為海冰試樣的50 倍以上,因此在加載過(guò)程中由于系統(tǒng)剛度所引起的變形誤差可忽略不計(jì).

在試驗(yàn)過(guò)程中,首先對(duì)海冰進(jìn)行采樣并加工成為圓盤(pán)形狀; 其次,將圓盤(pán)放置于加載臺(tái)(如圖1 所示) 并通過(guò)橫梁的勻速運(yùn)動(dòng)施加載荷; 最后,在圓盤(pán)試樣達(dá)到失效強(qiáng)度并發(fā)生破壞后停止試驗(yàn).加載過(guò)程中,通過(guò)力傳感器與位移傳感器以200 Hz 的采樣頻率記錄加載力與橫梁位移.在每組試驗(yàn)完成后及時(shí)測(cè)量每個(gè)試樣的溫度;同時(shí),將試樣的一部分封存融化,采用電導(dǎo)計(jì)對(duì)鹽度進(jìn)行測(cè)量;試樣另一部分采用浮力法對(duì)其密度進(jìn)行測(cè)量[31].

圖1 巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup of the Brazilian tests

試驗(yàn)采用了0.04 mm/s 與0.1 mm/s 兩種加載速率與?4.5?C,?10?C,?18?C,?30?C 四種溫度以及三種不同的試樣厚度.加載臺(tái)表面采用較為光滑的不銹鋼材料,但在加載過(guò)程中并未有試樣發(fā)生滑動(dòng)偏移,這說(shuō)明摩擦力對(duì)加載過(guò)程的影響并不顯著.

1.2 海冰試樣及其物理性質(zhì)

本文所采用的海冰試樣采集于渤海遼東灣鲅魚(yú)圈海域.采集試樣過(guò)程中所測(cè)量的海水鹽度為33.4‰～33.6‰.該海域的潮汐為典型的半日潮,海冰在潮汐作用下發(fā)生漂移并相互擠壓重疊,如圖2(a)、圖2(b)所示.圖中能夠清晰看出海冰相互擠壓后形成的“指狀”尼羅冰.在采樣過(guò)程中可觀測(cè)到浮冰下部堆積著大量的絮狀碎冰,是在浮冰相互剪切過(guò)程中所形成.當(dāng)海冰運(yùn)動(dòng)停止后,絮狀碎冰再次凍結(jié)則形成顆粒結(jié)構(gòu)的海冰,如圖2(c)所示.試樣所采用的圓盤(pán)直徑為110±3 mm,對(duì)圓盤(pán)試樣冰晶進(jìn)行觀測(cè)則如圖2(d)所示.

圖2 海冰試樣采集及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Collection and texture of the ice sample

圖2 海冰試樣采集及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)(續(xù))Fig.2 Collection and texture of the ice sample(continued)

本次試驗(yàn)共計(jì)完成40 組,其中海冰的鹽度與密度分別為6.7±3.1‰與849±52 kg/m3.根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程所記錄的試樣鹽度、溫度與密度數(shù)據(jù),采用Cole 與Weeks 的方法進(jìn)一步對(duì)海冰的孔隙率與鹵水體積進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果列于表1 中[32].其中鹵水體積主要分布在10‰～30‰,而總體孔隙率分布則較為分散.鹵水體積與孔隙率分布特征的差異也說(shuō)明了試樣中空氣含量分布相對(duì)離散.

表1 粒狀冰試樣中的鹵水體積及孔隙率分布[32]Table 1 The distribution of brine volume and total porosity of granular sea ice[32]

1.3 海冰試樣的應(yīng)力狀態(tài)及拉伸強(qiáng)度計(jì)算方法

巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)的主要優(yōu)勢(shì)是通過(guò)施加平行于圓盤(pán)截面的壓力來(lái)測(cè)量并計(jì)算其拉伸強(qiáng)度.因此試樣內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)以及拉伸強(qiáng)度的計(jì)算則成為試驗(yàn)的主要理論基礎(chǔ).由于圓盤(pán)的厚度遠(yuǎn)小于直徑,若考慮加載過(guò)程中加載面與圓盤(pán)之間的接觸狀態(tài),則可將圓盤(pán)的應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)化為準(zhǔn)二維問(wèn)題.此時(shí),接觸部位的線載荷則可視為點(diǎn)載荷P,如圖3 所示.

圖3 對(duì)稱點(diǎn)載荷作用下圓盤(pán)內(nèi)部的應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution within a disc under symmetrical point load

對(duì)于各向同性材料在對(duì)稱集中載荷作用下的應(yīng)力分布狀態(tài)已由Muskhelishvili(1955)給出.圓盤(pán)內(nèi)坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)的應(yīng)力狀態(tài)極坐標(biāo)表達(dá)式為[22]

式中,σx與σy分別為所選點(diǎn)S在x與y方向上的正應(yīng)力;r1與r2為該點(diǎn)到載荷施加處A與B的距離;θ1與θ2為連接線與y方向的夾角;P為點(diǎn)載荷;D為圓盤(pán)直徑;L為圓盤(pán)厚度.

當(dāng)所選點(diǎn)S位于y軸即x=0 時(shí),則式(1) 與式(2)寫(xiě)為

基于式(3),通常認(rèn)為試樣發(fā)生破壞時(shí)所達(dá)到的拉伸強(qiáng)度為

式中,Pmax為最大加載力;σb為拉伸強(qiáng)度.

由式(1)～式(5)可得到對(duì)稱點(diǎn)載荷下,材料破壞時(shí)的拉伸強(qiáng)度.然而,海冰在加載過(guò)程中的變形影響了加載狀態(tài).此時(shí)仍采用基于點(diǎn)載荷的理論解則會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差.為此,Rocco 等[18]在考慮變形后,引入了修正系數(shù)β 對(duì)式(5)進(jìn)行了改進(jìn)

式中,w為圓盤(pán)變形后加載處的寬度,如圖4 所示.

圖4 加載面與試樣接觸處的形變量Fig.4 The deformation of ice-platen contact area

若假設(shè)試樣在加載過(guò)程中的變形集中在試樣與加載面接觸處,則可認(rèn)為試樣變形與加載面的位移相關(guān).對(duì)于加載速率恒定時(shí),則w為

式中,rf為破壞發(fā)生時(shí)試樣中心到加載面的距離.

2 巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)結(jié)果與分析

為研究巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)獲取海冰拉伸強(qiáng)度的有效性,試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)圓盤(pán)的最終破壞形式進(jìn)行了記錄.同時(shí),研究了圓盤(pán)厚度、試樣溫度、加載速率等因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響.

2.1 巴西盤(pán)破壞形式

在每組試驗(yàn)完成后,試樣的最終破壞形式如圖5所示.雖然試驗(yàn)中改變了試樣的厚度、溫度與加載速率等條件,但總體上試樣的破壞模式較為統(tǒng)一.由于試驗(yàn)過(guò)程中的裂紋發(fā)展速度較快,并未觀察到裂紋的產(chǎn)生位置及擴(kuò)展過(guò)程.但綜合試樣最終的裂紋形狀與理論模型中圓盤(pán)試樣內(nèi)部的應(yīng)力分布特征,可推斷試樣在中心位置達(dá)到拉伸強(qiáng)度后發(fā)生破壞.該理論公式已廣泛應(yīng)用于混凝土與巖石等材料的拉伸強(qiáng)度測(cè)試中,因此也適用于海冰這種脆性材料.部分裂紋并未完全沿軸線發(fā)展,如圖5 中的No.4 和No.20等幾個(gè)試樣.這主要由于海冰內(nèi)部的空氣或鹵水體積等初始缺陷在裂紋發(fā)展過(guò)程中改變了其路徑.在No.25 試樣中能夠觀察到試樣左側(cè)具有明顯的鹵水通道,但該缺陷并未影響裂紋的發(fā)展路徑.

圖5 巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)試樣的最終破壞形式Fig.5 The failure mode of sample from the Brazilian tests

根據(jù)式(1)與式(2)中的應(yīng)力狀態(tài)可知,在加載過(guò)程中圓盤(pán)y軸軸線上產(chǎn)生最大拉伸應(yīng)力并沿水平方向逐漸降低.在高應(yīng)力區(qū)域即靠近試樣中軸線部位,鹵水體積或氣泡等原始缺陷會(huì)對(duì)裂紋發(fā)展路徑產(chǎn)生一定的影響.在遠(yuǎn)離中軸線高應(yīng)力區(qū)的位置,即使有明顯的初始缺陷也并不會(huì)對(duì)裂紋發(fā)展路徑產(chǎn)生影響.

從破壞模式來(lái)看,試樣均在達(dá)到拉伸強(qiáng)度后發(fā)生破壞.這說(shuō)明通過(guò)巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)?zāi)軌蛴行y(cè)量海冰的拉伸強(qiáng)度.但由于海冰內(nèi)部的天然缺陷,在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)對(duì)裂紋路徑產(chǎn)生一定的影響并使試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的離散性.在后面將結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)分析這種離散特征.

2.2 試樣厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

在拉伸強(qiáng)度的理論計(jì)算中,為簡(jiǎn)化求解過(guò)程而采用了準(zhǔn)二維理論模型.但在實(shí)際上圓盤(pán)試樣是具有一定厚度的三維結(jié)構(gòu),厚度的增大將帶來(lái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差.為此,本文分別采用了3 種不同試樣厚度,并分析厚度與直徑比(L/D)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響.

圖6 試樣厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響Fig.6 The influence of sample thickness on the result

圖6(a) 給出了不同L/D下的加載力時(shí)程曲線.從圖中能夠看出,隨著試樣厚度即L/D的增大破壞時(shí)的最大載荷明顯提高.同時(shí),時(shí)程曲線的斜率卻隨著厚度的增大逐漸升高.在1.3 節(jié)所推導(dǎo)的理論解中,將試樣的應(yīng)力狀態(tài)假設(shè)為二維問(wèn)題,在計(jì)算過(guò)程中需要進(jìn)一步得到加載力的線載荷.圖6(b)給出了不同L/D下的線載荷時(shí)程曲線.從圖中能夠看出,L/D對(duì)線載荷的最大值影響并不顯著.這說(shuō)明,在本文試驗(yàn)中所采用的3 種不同L/D下,圓盤(pán)厚度所引起的拉伸強(qiáng)度計(jì)算誤差相對(duì)較小.但值得注意的是,雖然L/D對(duì)最大加載力的影響較小,但卻改變加載力/線載荷時(shí)程曲線的斜率.巴西盤(pán)試驗(yàn)中試樣主要承受壓縮作用,斜率的改變說(shuō)明試樣厚度實(shí)際上影響了圓盤(pán)的名義彈性模量.

2.3 加載速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖7(a)給出了不同加載速率下的加載力時(shí)程曲線.從時(shí)程曲線中能夠看出,在兩種加載速率下的最大加載力變化并不顯著.但在高加載速率下,加載力的上升速度較快.若進(jìn)一步考慮試樣在y軸方向的變形量即橫梁的位移,則加載力與橫梁在y軸上位移關(guān)系如圖7(b)所示.從圖7(b)中來(lái)看,兩組曲線的總體趨勢(shì)基本一致,在破壞前的最大加載力略有不同,這主要是由海冰本身內(nèi)部缺陷的離散性所導(dǎo)致.

圖7 加載速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響Fig.7 The influence of loading speed on the results

圖7 加載速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響(續(xù))Fig.7 The influence of loading speed on the results(continued)

2.4 試樣溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

海冰內(nèi)部的鹵水體積隨著海冰溫度不斷發(fā)生變化并對(duì)海冰拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響.本文所采用的海冰試樣通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集所得,試樣生長(zhǎng)過(guò)程中的溫度環(huán)境一致.在海冰生成后,環(huán)境溫度的改變?nèi)詴?huì)對(duì)其力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響,因此在試驗(yàn)中采用4 種不同的環(huán)境溫度對(duì)海冰試樣開(kāi)展了巴西盤(pán)試驗(yàn).

圖8(a)給出了不同溫度下的加載力時(shí)程曲線.從試驗(yàn)結(jié)果能夠看出,加載力峰值隨著溫度的降低逐漸升高.隨著溫度降低,海冰內(nèi)部的鹵水逐漸凍結(jié)為固態(tài)冰晶,從而提高了拉伸強(qiáng)度.同時(shí),溫度的升高也改變了試樣的名義彈性模量,增大了試驗(yàn)過(guò)程中的變形量.這也說(shuō)明,海冰在加載過(guò)程中存在著明顯的變形,并影響了拉伸強(qiáng)度的計(jì)算.

采用式(7)對(duì)拉伸強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算,則得到拉伸強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢(shì),如圖8(b)所示.圖中分別給出了兩種加載速率下拉伸強(qiáng)度隨溫度變化的試驗(yàn)結(jié)果,并對(duì)兩組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了曲線擬合.總體來(lái)看,拉伸強(qiáng)度與試樣溫度間呈線性遞減關(guān)系.在改變加載速率以后,試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)以及擬合曲線相一致,這也說(shuō)明了本文所采用的兩種加載速率對(duì)拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果影響較小.此外,數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布表現(xiàn)出明顯的離散性,這與2.1 節(jié)破壞模式中所分析的機(jī)理相一致.

圖8 試樣溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響Fig.8 The influence of sample temperature on the results

2.5 試樣孔隙率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

海冰的拉伸強(qiáng)度受溫度、鹽度與密度等多種因素共同影響,但最直接的影響因素應(yīng)為海冰孔隙率.孔隙率表示海冰內(nèi)部的液態(tài)鹽水與空氣所占比例,同時(shí)也反映出海冰內(nèi)部固態(tài)冰晶的比例.在海冰拉伸破壞過(guò)程中,主要由固態(tài)冰晶來(lái)承載拉伸應(yīng)力,因此,孔隙率是決定海冰拉伸強(qiáng)度的直接因素.

根據(jù)1.2 節(jié)所測(cè)得的數(shù)據(jù),得到了拉伸強(qiáng)度隨孔隙率的變化,如圖9 所示.為分析巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)在獲取海冰拉伸強(qiáng)度的有效性,將本文測(cè)試結(jié)果與單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.由于目前國(guó)內(nèi)外尚未有對(duì)粒狀海冰拉伸強(qiáng)度開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究,因此僅給出柱狀冰拉伸強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.圖9中分別給出了相關(guān)文獻(xiàn)中單軸拉伸試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果以及Timco 與Weeks[1]所總結(jié)的拉伸強(qiáng)度?孔隙率關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)曲線.其中黑色實(shí)線為加載力垂直于柱狀冰晶時(shí)所得到的拉伸強(qiáng)度,藍(lán)色虛線表示加載力平行于冰晶方向時(shí)的拉伸強(qiáng)度.

圖9 拉伸強(qiáng)度隨孔隙率的變化規(guī)律[1,8,33-34]Fig.9 The relationship between tensile strength and total porosity[1,8,33-34]

總體來(lái)看,粒狀冰的拉伸強(qiáng)度隨孔隙率的增大而降低.其中拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布表現(xiàn)出明顯的離散性,該特點(diǎn)與2.1 節(jié)破壞過(guò)程分析結(jié)果相一致.由拉伸強(qiáng)度與孔隙率之間的變化趨勢(shì)能夠看出,巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)所得到的結(jié)果與單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果相一致.這說(shuō)明本方法所得到的結(jié)果能夠有效反映海冰拉伸強(qiáng)度的變化特征.

若對(duì)比本文所得到的拉伸強(qiáng)度與單軸拉伸試驗(yàn)的測(cè)試值,則本文所得到的結(jié)果明顯偏高.雖然本文所采用的試樣為粒狀冰,但參考Timco 與Weeks[1]對(duì)單軸壓縮強(qiáng)度特點(diǎn)的分析,粒狀冰的強(qiáng)度通常介于柱狀冰的水平加載方向與豎直加載方向之間.也就是說(shuō),粒狀冰的拉伸強(qiáng)度應(yīng)低于柱狀冰豎直方向的拉伸強(qiáng)度,即圖9 中的藍(lán)色虛線.但本文所得到數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯高于該曲線,這說(shuō)明巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)所得到拉伸強(qiáng)度要高于海冰的真實(shí)拉伸強(qiáng)度即采用單軸拉伸試驗(yàn)所測(cè)得的結(jié)果.這里的偏差主要來(lái)自于巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)中對(duì)拉伸強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程的簡(jiǎn)化.在理論推導(dǎo)中,假設(shè)試樣在加載過(guò)程中的變形全部產(chǎn)生在試樣與加載面接觸處,而實(shí)際過(guò)程中的變形應(yīng)分布于整個(gè)試樣.同時(shí),在試樣發(fā)生變形后認(rèn)為點(diǎn)載荷轉(zhuǎn)變?yōu)榫驾d荷.而實(shí)際加載中由于試樣在水平方向上的變形,加載面處于更為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài).因此,為得到更為準(zhǔn)確的拉伸強(qiáng)度,還需對(duì)巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)中理論計(jì)算進(jìn)一步改進(jìn).

2.6 試驗(yàn)結(jié)果的誤差分析

對(duì)于巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果的誤差一部分來(lái)自于加載系統(tǒng),另一部分來(lái)自于試樣的加工精度與材料的非均勻性.本文所采用的加載系統(tǒng)剛度比圓盤(pán)試樣剛度高約兩個(gè)量級(jí),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響可忽略不計(jì).由于本文所采用的圓盤(pán)試樣直徑遠(yuǎn)大于厚度,因此圓盤(pán)不同表面之間的垂直度將影響試樣內(nèi)部的應(yīng)力分布并及破壞強(qiáng)度.同時(shí),因?yàn)槔碚摻馐墙⒃谠嚇訛槔硐雸A形的基礎(chǔ)上,所以試樣的圓度也會(huì)增大拉伸強(qiáng)度結(jié)果的誤差.此外,海冰內(nèi)部空氣與鹵水等成分所形成的天然缺陷在試樣受力過(guò)程中更易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象,使試樣發(fā)生破壞從而降低了所得到的強(qiáng)度.

2.7 試驗(yàn)結(jié)果的有效性分析

為分析試驗(yàn)結(jié)果的有效性,將采用相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果與本文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.考慮本文所采用的試樣采集地點(diǎn)為渤海灣,應(yīng)與渤海海冰相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.但目前尚未有系統(tǒng)的工作對(duì)渤海海冰的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試.鑒于海冰的彎曲試驗(yàn)結(jié)果與拉伸試驗(yàn)結(jié)果有較高的相關(guān)性,可與彎曲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析.渤海海冰的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果顯示,海冰彎曲強(qiáng)度隨鹵水體積的增大呈減小趨勢(shì),這與本文結(jié)果的參數(shù)統(tǒng)一表征是相一致的[35-36].

將試驗(yàn)結(jié)果與渤海海冰相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果及國(guó)外海冰單軸拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知,在本文所采用的試驗(yàn)系統(tǒng)與計(jì)算方法下所得到結(jié)果具有很好的有效性與可靠性.在渤海海冰工程設(shè)計(jì)及數(shù)值模型的參數(shù)選取可參考本文的測(cè)試結(jié)果,即當(dāng)海冰孔隙率在10‰與75‰之間時(shí),其拉伸強(qiáng)度的范圍為1.0 MPa 至2.8 MPa[37-38].

3 結(jié)論

為研究巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)在對(duì)海冰拉伸強(qiáng)度測(cè)試的有效性與準(zhǔn)確性,本文對(duì)渤海遼東灣沿岸粒狀冰開(kāi)展了系統(tǒng)的巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)研究.試驗(yàn)中研究了試樣厚度、加載速率以及試樣溫度等條件對(duì)拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的影響.同時(shí),在拉伸強(qiáng)度的計(jì)算公式中考慮了圓盤(pán)在加載過(guò)程中的變形量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響并進(jìn)行了相應(yīng)的修正.結(jié)果表明:海冰在巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)中最終以拉伸形式發(fā)生破壞,由此可知該試驗(yàn)?zāi)軌蛴行Х从澈１睦鞆?qiáng)度; 在本文所采用的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),試樣厚度?直徑比與加載速率對(duì)拉伸強(qiáng)度的計(jì)算影響較小; 粒狀冰的單軸拉伸強(qiáng)度隨鹵水體積的增大而減小; 巴西盤(pán)劈裂試驗(yàn)所測(cè)得的海冰拉伸強(qiáng)度為1.0～2.8 MPa.