冰对水工结构物作用力的物理模义拟——Ⅱ.DUT-1模型冰物理和力学性能.doc

冰对水工结构物作用力的物理模拟.DUT-1模型冰物理和力学性能第2卷第2期2011年5月黑龙江大学工程JournalofEngineeringofHeilongjiangUniversityV0l_2.No.2May,2011冰对水工结构物作用力的物理模拟一II.DUT一1模型冰物理和力学性能李志军,贾青(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116024;2.黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080)摘要:介绍DuT一1模型冰的物理指标(密度),力学指标(弯曲强度,弹性模量,压缩强度,摩擦系数)的试验方法和主要特征.特别给出控制模型冰物理和力学参数的水泥含量和养生时间的试验规律和统计关系.通过试验结果也证实在模型冰密度和弯曲强度,弹性模量和压缩强度之问存在内在联系,这些联系也存在良好的试验统计关系.关键词:水利工程;结构物;冰;物理模拟中图分类号:P731.15;TV321文献标志码:A文章编号:2095008X(2011)02000107PhysicalsimulationoficeforcesonhydraulicstructuresII.DUT一1ModelIcephysicalandmechanicalpropertiesLIZhi-jun,JIAQing,.(1.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China;2.CollegeofWaterConservancyandElectricPower,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)Abstract:TheexperimentalmethodsandmainfeaturesofDUT-1ModelIcephysicalparameter(density)andmechanicalparameters(flexuralstrength,elsticmodulus,compressivestrength,frictioncoefficients)areintroduced.Especially,theexperimentalbehaviorandstatisticalrelationsofmodelicephyscialandmechanicalprameterswithconcretcontentsandcuringtimesaregiven.Fromtheresultsoftheseriestests,theinternallinksbetweenmodeliceflexuralstrength,elsticmodulus,compressivestrengthandwetteddensityarefoundandthebestexperimentalrelationsarestatisticized.Keywords:hydraulicengineering;structures;ice;physicalsimulation0引言冰对水工结构物和安全运行管理的物理模拟在中国淡水冰领域和海冰领域均有开展.最先报道水库和河冰冰凌物理模拟的来自水利电力部东北勘测设计院和水电部天津勘测设计研究院.等单位;在海冰方面的成果主要来自天津大学.和大连理工收稿日期:201lO11O基金项目:国家自然科学基金委创新研究群体科学基金(509210O1)和面上基金(51079021)作者简介:李志军(1960一),男,河北崇礼人,教授,博士研究生导师,博士,研究方向:冰物理和力学,冰工程,冰区环境保护,Emaillizhijundlut.edu.cn.黑龙江大学工程第2卷大学4.在这些冰物理模拟试验研究中,只有大连理工大学使用了具有自主知识产权的新型模拟材料E引.该材料是在总结国际各种模型冰优缺点基础上【6,以渤海辽东湾海冰物理和力学性质为基础发展的新型复合材料,属于非冻结模型冰l_5.针对该功能材料开展了系列模型冰的理想物理和力学性质测试,并寻求该模型冰物理和力学性质的控制因子【8,以便调整模型冰参数,实现对各种天然冰的模拟.发展该模型冰还考虑符合无毒,无害,无腐蚀,可回收原则的环保要求,最终确定了DUTl模型冰制备技术.该模型冰的主要成分是聚丙稀料,水泥和水,三者混合搅拌并抹成平整薄板.制备过程是将聚丙稀料和水泥混合均匀,加入适量的水搅拌.由于模型冰密度小于水,所以对搅拌有特殊要求.混合后的材料放人设计深度的模具内压实并抹平,养生成产品,产品周期7d.它属于粒状结构,其骨架材料为圆球形,胶结材料仅仅在骨架材料的结合部位存在,保留了骨架之间的部分孑L隙,这些孔隙可以相互贯通.模型冰浸水后,整体结构不发生变化,孔隙之间被水充填,胶结剂的强度迅速降低并趋于稳定lg.DUT一1模型冰的性能指标主要指物理性质一密度和力学性质一弯曲强度,弹性模量,压缩强度和摩擦系数.本文分析这些试验指标同模型冰材料和外界受力的关系,模型冰力学性质同物理性质之间的关系以及控制模型冰性能指标的因子,试验统计关系式.1DUT一1模型冰的密度DUT一1模型冰内存在与空气直接贯通的微孑L隙.为了消除毛细孔隙对湿密度测试的影响,采用原位浮力法,这与现场天然冰和冻结模型冰密度测量原理相同1.图1是一组DUTl模型冰试样不同浸水时间后的湿密度.由图1可见,模型冰在浸水后的0.5h内迅速吸水.1h后趋于稳定,并且在9h时仍保持稳定状态.图l中测试的数据为同一配方4次不同时间制备的模型冰.由于当时夯实工艺上的差异,虽然不同批次的密度有差异,但均落人渤海天然冰密度的变化范围.卜800l冰层:750?2冰层黯:600550浸水时J/h图1DuT一1模型冰平均密度随浸水时间的变化Fig.1DensityvariationwithwettedtimeinDUTlModelIce2DUT一1模型冰的力学性质2.1弯曲强度弯曲强度采用原位悬臂梁法.悬臂梁长为(4.07.5)h,宽为(1.752.10)h,其中h为模型冰厚度.试验时,6至10根悬臂梁为一组,在同一压头运动速度下进行.悬臂梁加载方式分向下加载破坏(表面拉伸)和向上加载破坏(底面拉伸),一般进行35个不同压头运动速度的实验.用4次不同日期加工的同一种配方的200余试样的弯曲强度试验检验DUTl模型冰的各向同性以及应力速率效应和湿密度对弯曲强度的影响.同天然冰和冻结模型冰类似,DUTl模型冰的弯曲强度也依赖于弯曲应力速率,即弯曲强度随应力速率增加首先增加,到达某一弯曲应力速率时弯曲强度对应着最大值,而后弯曲强度随应力速率增加而减小.峰值弯曲强度发生在6065kPa/s,对应的压头运动速度为2.46mm/s;对应的弯曲破坏时间是0.500.76S,它与冻结细粒酒精模型冰的弯曲破坏时间范围一致_l¨,具体结果见图2.DUT一1模型冰不像天然冰那样具有明显的温度和结构差异,属于各向同性材料.判断模型冰冰层各向同性的宏观依据是消除浮力效应后,悬臂梁下弯和上弯弯曲强度基本一致l】.这一点同样从图2的向上弯曲和向下弯曲的数据点中体现出来,它反映DUTl模型冰属于各向同性,同冻结细粒酒精模型冰的性能一致l1.第2期李志军,等.冰对水工结构物作用力的物理模拟一II.DUT一1模型冰物理和力学性能歪骚租髫JJu载速率/kPaS图2弯曲强度与弯曲应力速率的关系Fig.2Relationofflexuralstrengthwithstressrate不同浸水时间试样的弯曲强度实验结果表明:DUT一1模型冰浸水1h后,性质处于稳定并且在此后的4h无变化.这一特点充分保证了冰物理模拟试验所需时间.2.2弹性模量实验采用弹性薄板挠曲法测试DUTl模型冰冰排的弹性模量.实测时,对同一冰排的3个不同部位用3种不同质量的砝码进行.天然冰是一种粘弹性复合材料,它只有名义上的弹性模量.所以只有在严格的实验条件下,才可能表现出弹性,测得弹性模量.对于冻结模型冰,无论是什么添加剂,其绝大部分溶液是水,蠕变也是不可回避的现象,如细粒酒精模型冰2262mm的冰排,当砝码质量>500g就发生蠕变现象l_l.DUT一1模型冰是一种非冻结合成材料,从物质结构上讲不具备发生蠕变的条件.实测DUTl模型冰的厚度只有l2cm,所以砝码一般质量最大为200g,个别采用到500g.定量分析每条试验位移历时曲线,DUTl模型冰不存在蠕变.DUT一1模型冰的弹性模量作为力学参数必定与其对应的物理参数有关.冻结模型冰的控制物理指标为冰内未冻结液体,DUT一1模型冰的控制物理指标为吸水率或与之密切相关的湿密度.图3给出模型冰吸水率与弹性模量的实验关系【g引.虽然图中因实测精度存在数据分散现象,但整体趋势符合物理意义.在湿密度为880920kg/m.,吸水率为3555,对应着模型冰骨料的毛细吸附作用,模型冰的弹性模量随吸附水量的增加而增加.但当吸水率再增加时,模型冰内存在重力水,这时其对应的弹性模量趋于下降.兰咖蠹图3弹性模量与吸水率的关系Fig.3Relationofelasticmoduluswithwatercontent2.3压缩强度DUT一1模型冰的压缩强度也是物理模拟实验需要的参数之一.在3批物理模拟实验中,以同一速度进行了102件试样实验.为了获得变形速度的影响,在另一速度下进行6件试样的压缩实验.同时进行弯曲强度实验.每组实验使用46个试样.利用试验数据分析压缩强度同弯曲强度以及压缩强度与弯曲强度比同弯曲强度之间的关系.图4和图5分别给出这些关系的散点图.图中反映出两种强度值之间的对应关系,特别是图5说明弯曲强度越大,压缩强度与弯曲强度比越低,最小值约为2.这比细粒酒精模型冰的情况略好,但弯曲强度>30kPa的情况还不清楚.压缩强度与弯曲强度比偏小是粒状模型冰的共同特点,对DUT一1模型冰而言也不例外.,黧婚图4压缩强度I司弯曲强度的实验关系Fig.4Experimentalrelationshipofcompressivestrengthwithflexuralstrength2.4摩擦系数实验对模型冰自身之间和模型冰与水工物理模拟实验常用的铝板,刷漆(INATA一160)木板,有机玻璃板之间的摩擦进行了考察.用34个上覆质量,3个速度分别进行35次往复运动,测出摩擦力过程.取动摩擦力区段的平均值与接触面黑龙江大学工程第2卷髫篓蓄图5压缩强度/弯曲强度比同弯曲强度的实验关系Fig.5Experimentalrelationshipoftheratioofcompressivestrengthandflexuralstrengthwithflexuralstrength上的正压力计算动摩擦系数.图6是模型冰粗糙面之间的摩擦力同正压力的试验关系,它给出模型冰碎块间的内摩擦角和内聚力,并表明这些值同运动速度无关.统计结果获得DUT一1模型冰碎块间的内聚力为414Pa,内摩擦角为24.26.DUT一1模型冰碎块的摩擦系数与正压应力呈递减关系.此外,由于碎块的剪切力与加载速率有关,所以摩擦系数对运动速度有依赖性,表现为递减关系.这同细粒酒精模型冰一模型冰之间摩擦系数随速度增加而减小的关系一致1引.统计结果表明DUT一1模型冰一模型冰之间的平均摩擦系数为0.49,比塑料微珠模型冰的动摩擦系数0.53略低l】,与报道的天然冰碎块之间的摩擦系数0.50接近l7.Z蜒世图6DUT一1模型冰摩擦力同正压应力的关系Fig.6RelationshipoffrictionforcewithnormalstressforD1JT一1ModelIce模型冰与其它几种材料的摩擦系数也表现为随着正压应力和速度的增加呈衰减趋势.这种趋势同辽东湾天然冰与钢板,刷漆钢板,木板,刷漆木板,混凝土板之间的摩擦系数规律一致.DUT一1模型冰不属于温度敏感型材料,所以发生的现象与环境温度无关.它同材料之间的摩擦系数随正压应力,相对运动速度的衰减关系不及天然冰明显.统计表明,DUT1模型冰同以下材料之间的平均摩擦系数分别是:铝一0.37;刷漆木板一0.57;有机玻璃一0.38.这比天然冰在低速度下与钢板的0.36,与刷漆木板的0.26偏高.3DUT一1模型冰的力学性质控制指标不同水泥含量在不同养生期的模型冰物理和力学实验研究结果归纳为表l.由于模型实验使用的冰排只能在室内条件养生,所以实验所有小试件都在室内条件养生.每一水泥含量的配方中,粗细骨料的比值保持不变,因此模型冰混合材料的级配基本一致,水泥的密度直接影响模型冰的密度.表1中的湿密度反映出当水泥含量>15,相应的模型冰密度比天然冰过高,不能被接受_8J.表1模型冰物理和力学指标随水泥含量和养生时间的变化Table1Variationofmodelicephysicalandmechanicalprameterswithconcretcontentsandcuringtimes第2期李志军,等.冰对水工结构物作用力的物理模拟一II.DUTl模型冰物理和力学性能?5?在分析水泥含量对密度和力学指标效应时,水泥含量为1015.在实验养生时间范围内,相同养生环境下,模型冰的密度表现为随水泥含量的增加而明显增加.对每一水泥含量,湿密度随养生时间增加而增加到一峰值,然后下降,这种关系用曲面拟合最佳,见图7.它表明选择湿密度既可根据水泥含量也可根据养生时间来进行.虽然湿密度在冰对结构物作用力模拟中不起决定性作用,但选择合理的湿密度对冰水力学模拟和确定其它模型冰力学指标范围是有益的.对表1数据进行多元多项式拟合,得到最佳湿密度拟合多项式为:二=(z+删+CLU+dw.+et+/+.(1)式中a,b,c,d,e,.厂,g是拟合系数;砌是水泥含量,为1015;t是养生时间,h,在65240h.随着水泥含量由干重量的10增加到15,任意养生时间的模型冰弯曲强度,弹性模量,压缩强度明显s,hil.同一水泥含量下的系列实验结果反映养生时间对模型冰弯曲强度,弹性模量,压缩强度的效应与对密度的效应相同.这归结于弯曲强度,弹性模量,压缩强度取决于水泥的胶结能力,该能力可以通过湿密度表征.结果还表明同水泥含量相比,养生时间对弯曲强度,弹性模量,压缩强度有显着的影响.这说明可以首先利用养生条件控制设想的弯曲强度,弹性模量,压缩强度.同理,对表1的实验数据进行多元多项式拟合,得到弯曲强度,弹性模量,压缩强度相同形式的统计式.具体系数和相关系数汇总于表2.O92埝一图7水泥含量和养生时间对湿密度的效应Fig.7Effectsofconcretamountandcuringtimeonthewetteddensity表2多项式拟合系数和相关系数汇总表Table2Statisticalcoefficientsandcorrelationcoefficientinthebestfittedform系数湿密度弯曲强度弹性模量压缩强度"1.23l336342.4099679.8469b一0.08988988.630991132.167959C7.2842×1037.401815一l0.12799118.40×i050.22l3890.282708l9.88×1050.1530273.407450,2.36×105l_O7×1000.0l1306gl_l4×1O一1.76×103.8×10相关系数0.97170.98240.9934弹性模量和弯曲强度比是模型冰质量的一个重要指标.天然冰的比值约为6000,但多数模型冰的这个比值较小.该比值越小,模型冰弯曲破坏现象越差.为保证模拟天然冰现象,要求该比值>20002.用表1数据计算该比值,得到模型冰的弹性模量和弯曲强度比为20003400.它反映模型冰的质量良好并且适合进行冰以弯曲方式破坏的物理模拟试验.实验还获得模型冰力学参数同湿密度的关系.这些结果同天然冰和冻结模型冰物理参数控制其力学参数的结论一致l7.由此建立了DUTl非冻结合成模型冰湿密度同弯曲强度的统计关系(图8),以及湿密度同单轴压缩强度和弹性模量的统计关系.这些统计关系分别由式(2),式(3)和式(4)给出.它们说明水泥含量越高,模型冰的密度越高,其强度也越高.,一317.12r一0.937(2)E=592.23p.r一0.920(3)哂图8弯曲强度和湿密度的实验关系Fig.8Experimentalrelationshipofflexuralstrengthwithwetteddensity1.4,<263889沁9弘娼oL)C一I.一莓静?6?黑龙江大学工程第2卷O'C一322.26p.?r一0.945式中是模型冰的弯曲强度;E是弹性模量;是压缩强度;是模型冰的密度.4结论(4)o'cDUT一1模型冰从结构上讲,它属于粒状多孔复合材料.其特点同冻结粒状冰相似,通过调整胶结材料的比例和配方,实现对模型冰物理和力学性能的控制.现已具备的基本特征参数为:1)DUTl模型冰浸水1h后,密度值趋于稳定,湿密度范围为876926kg/m.;向上和向下弯曲强度结果表明该模型冰具有各向同性;实测弯曲强度为2070kPa;浸水1h后,性质处于稳定并且可以持续4h;弹性模量与弯曲强度之比为20003400.模型冰的力学指标受水泥含量,养生时间控制,它们也与模型冰的湿密度具有良好的统计关系.2)碎冰块的内聚力为414Pa,内摩擦角为24.26.模型冰与模型冰的摩擦系数为0.49,与铝板的平均摩擦系数为0.37;与刷漆木板的摩擦系数为0.,7;与有机玻璃板的摩擦系数为0.38.DUT一1模型冰能够开展冰与斜面结构,冰与波浪,冰堆积,冰脊和冰塞物理模拟实验,但未来还需要开展性能改进工作:1)同冻结粒状模型冰类似,该模型冰的压缩强度与弯曲强度的比值略>1,小于天然冰的比值23.因此在物理模拟试验中不得不根据研究对象决定采用哪个力学指标做标准.2)与各种模型冰相似,其脆性表现不足.虽然DUTl模型冰具有压缩强度随应变速率的变化关系,但利用其研究结构物变形响应问题存在缺陷.参考文献:1陈储军.白山水电站导流底孔排冰的试验研究J.泥沙研究,1983,(3):4252.2白世录,张力忠,于荣海.试论冰水力学模型的相似律J.泥沙研究,1997,(3):6671.3史庆增,徐继祖,宋安.海冰作用力的模拟实验J.海洋工程,1991,9(1):1622.4沈照伟,王永学,李志军,等.非冻结合成模型冰与直桩作用的物理模拟技术EJ.中国海洋平台,2000,15(4):172O.5李志军,王永学,李广伟,等.一种非冻结合成模型冰的制备P_.中国专利:00104621.7,20031224.6李志军,董吉武.冰对水工结构物作用力的物理模拟I.模型冰分类和发展J.黑龙江大学工程,2Ol1,2(1):1-4.7ZufeltJE,EttemaR.ModelIcePropertiesR.CRRELReport96一l.ColdRegionsResearchandEngineeringLaboratory,Hanover,USA,1996.8I.iZ,WangY,WangX,eta1.EffectofCementContentandCuringPeriodonPropertiesofDUT-1SyntheticModelIceJ.JournalofOffshoreMechanicsandArcticEngineering,2003,125(4):288292.9LiZ,G,ShenZ,eta1.PhysicalPropertiesandElasticModulusofDUT-lModelIceJ.JournalofHydrodynamics,Ser.B,2003,l5(5):98102.1OLiZandRiskaK.IndexforEstimatingPhysicalandMechanicalParametersofModelIceJ.JournalofColdRegionsEngineering,2002,16(2):7282.11SchwartzJ,FrederkingR,GavrilloV,eta1.StandardizedTestingMethodsforMeasuringMechanicalPropertiesofIceJ.ColdRegionsScienceandTechnology,1981,4(3):245253.12LiZ,WangY,IiG.OntheFlexuralStrengthof13DUT1SyntheticModelIcerJ.ColdRegionsScienceandTechnology,2002,35(2):6772.JalonenR,IlvesI.ExperiencewithaChemicaldopedFineGrainedModelIcec/Proceedingsofthe10thIAHRIceSymposium,Espoo,Finland:InternationalAssociationforHydraulicResearch,1990:2,63965】.114IiZ,RiskaK.PreliminaryStudyofPhysicalandMechanicalPropertiesofModelIcerR.M212,HelsinkiUniversityofTechnology,Espoo,Finland,1996.15李志军,王永学,李广伟.DUT一1合成模型冰的弯曲强度和弹性模量实验分析J.水科学进展,2002,13(3):292297.E16TuhkuriJ,LensuM.IceTankTestsonRaftingofaBrokenIceFieldrR.M-218,HelsinkiUniversityofTechnology,Espoo,Finland,1997.17ZufeltJE,FiskenMJ.MeasuringtheFrictionalPropertiesofParticulateModelIcec/Proceedingsofthe14thIAHRIceSymposium,Potsdam,USA:InternationalAssociationforHydraulicResearch,1999:2,737738.第2期李志军,等.冰对水工结构物作用力的物理模拟-II.DUT一1模型冰物理和力学性能18JonesSJ,TimcoGW,FrederkingRMW.ACurrentViewofIceModellingEc/Proceedingsofthe22ndAmericanTowingTankConference,St.John'S,Canada:NationalResearchCouncilCanada,1989,11412O.E19李志军,孟广琳,隋吉学,等.海冰与材料表面摩擦系数的动能分析EJ.海洋工程,1990,8(1):6975.E2oSchwartzJ.NewDevelopmentsinModelingIceProblemsEc3/Proceedingsofthe4thInternationalConferenceonPortandOceanEngineeringunderArcticConditions,St.John'S,Canada:MemorialUniversitvofNewfoundland,1977:4561.21ColeDM.OntheRelationshipBetweenthePhysicalandMechanicalPropertiesofSeaIceC/Proceedingsofthe13thIAHRIceSymposium,Beijing,China:InternationalAssociationforHydraulicResearch,1996:3,913930.陈守煜教授可变模糊集理论与模型及其应用出版大连理工大学水文水资源和水利水电工程专业博士研究生导师,水利工程学科博士后科研流动站导师陈守煜教授的新作可变模糊集理论与模型及其应用,不久前由大连理工大学出版社出版.早在上世纪8O年代之前,陈守煜教授在水利水能计算学科的理论与应用等方面就有所建树.1980年发表的"水库调洪数值解法及其程序",与国际上同类成果发表时间相比早了10年.广泛应用于水库防洪调度生产实践,取得了显着的防洪效益.1996年光明日报曾以"陈守煜一科研成果获防洪减灾效益4.7亿元"为题作了报道.1987年和1990年,陈守煜教授根据水文水资源学科中诸多概念及现象中存在的模糊性,创建了模糊水文水资源学的科学命题.之后构建了模糊水文水资源学的数学基础.2005年创建了可变模糊集理论的科学命题.陈守煜教授的这本新作,是对以往研究成果的梳理,总结和发展,内容分4个部分:(1)可变模糊集的唯物辩证法哲学基础与基本理论;(2)以可变模糊集理论为基础的质变与量变定理及其应用;(3)以可变模糊集为基础的模糊水文水资源学;(4)可变模糊集理论,模型与方法在水利水电工程,造船工程,材料工程,化学工程等系统中的应用.第一部分明确提出了动态模糊集概念,是对静态模糊集概念的重要突破;第二部分首次用严密的数学定理表达了唯物辩证法三大规律之一的质量互变规律,是对哲学思维的数学化与数学思维的辩证化研究的重要突破,具有重大的理论与实际意义.据检索,该书是目前国内外关于可变模糊集理论研究的第一本专着.陈守煜教授长期致力于水文水资源系统模糊集分析,工程模糊集理论与应用的研究,是我国模糊水文水资源学,工程可变模糊集理论的创始人和开拓者.陈守煜教授1952年8月毕业于上海交通大学土木工程系,19551957年在华东水利学院(现河海大学)水文系研究生班深造,在大连理工大学任教近60年.他参与培养本科生数千人,指导培养硕士,博士研究生和博士后50多人(其中7人被评为博士生导师);在国内外核心期刊上发表论文400多篇,许多论文被SCI,EI与美国数学评论等收录,出版专着l0本(其中1本与他人合着),代表性专着系统模糊集决策理论与应用,工程模糊集理论与应用已被引用达1200多次;获国家级,省部级自然科学奖,科技进步奖,科技专着图书奖等18项,教育,科研硕果磊磊,成绩斐然.然而,八十高龄的陈守煜教授没有止步,他在这本新作卷首诗中写道:莫道七十古来稀,而今八十不算奇,耕耘九十桃李满,常乐百岁又迎春.壮心不已的赤子之情跃然纸上.陈守煜教授这本新作的出版,必将极大地推动我国模糊水文水资源学以及工程可变模糊集理论的建设和发展.该书可供从事水文水资源以及水利水电工程,造船工程,材料工程,化学工程等专业和教学,科研与生产部门科技人员应用与参考,也可作为高等学校有关专业研究生的教材与参考书.(季山)