Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор методов определения ледовых нагрузок на ГТС и определение прочности морского льда 11
1.1. Методы определения ледовых нагрузок 11
1.2. Физико-механические свойства морского льда 16
1.3. Назначение расчетных характеристик прочности льда для определения ледовых нагрузок 45
1.4. Выводы 49
ГЛАВА 2. Неоднородность ледяных полей 50
2.1. Постановка задачи 50
2.2. Проблемы определения прочностных свойств морского льда с учетом неоднородности ледяного покрова 62
2.3 Выводы 66
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования неоднородности ледяных полей 67
3.1. Методика экспериментальных исследований 67
3.2. Методика обработки результатов 80
3.3. Анализ результатов 97
3.4. Исследование пространственной неоднородности ледяного покрова по результатам испытаний других авторов 100
3.5. Выводы 106
ГЛАВА 4. Рекомендации по определению расчетных значений прочностных характеристик ледяных полей с учетом пространственно-временной изменчивости 107
4.1. Обоснование методики 107
4.2. Методика отбора образцов 109
4.3. Определение расчетного значения прочности 112
Заключение 115
Литература 117
Приложение 127
- Назначение расчетных характеристик прочности льда для определения ледовых нагрузок
- Проблемы определения прочностных свойств морского льда с учетом неоднородности ледяного покрова
- Исследование пространственной неоднородности ледяного покрова по результатам испытаний других авторов
- Определение расчетного значения прочности
Введение к работе
/ЧЗ-Н
Актуальность работы Россия обладает самой протяженной в мире морской границей составляющей 38,8 тыс. километров с площадью шельфа 4,2 млн. кв. километров, из которых 3,9 млн. кв. километров перспективны для добычи углеводородных ресурсов. При этом более 80 процентов запасов нефти и газа России сосредоточено на шельфе северных морей.
Освоение разведанных запасов нефти и газа на шельфе Охотского моря существенно улучшит обстановку в топливно-энергетическом комплексе Дальневосточного региона, даст сырье для химической промышленности, позволит создать новые рабочие места.
Анализ технических средств и способов разработки месторождений показывает, что наиболее перспективным способом является надводный способ, требующий строительства уникальных морских ледос гойких платформ (МЛП). Однако, освоение месторождений шельфа северных и дальневосточных морей сдерживается тем, что не решен в достаточной мере ряд технических задач. В частности, эксплуатация таких платформ в замерзающих морях осложняется воздействием на них ледяного покрова
Проблемы, связанные с оценкой ледовых воздействий на технические средства освоения морских месторождений нефти и газа, являются в последние десятилетия одними из актуальнейших в мире. Их разработкой в настоящее время заняты многие зарубежные научные центры и ряд научных коллективов в нашей стране.
При этом многие вопросы определения расчетных значений ледовой нагрузки требуют дальнейших исследований. Сюда следует отнести определение расчетных значений прочностных характеристик морского льда, поскольку они определяют расчетные нагрузки при взаимодействии МЛП с ледяными образованиями. Несмотря на большое количество экспериментальных исследований, прочностные характеристики ледяного покрова, как правило, определялись при несопоставимых условиях, данные по ним плохо поддаются обобщению. И это только одна из причин затруднения при принятии обоснованных расчетных значений прочностных характеристик морского льда.
Неопределенность, которая вызывается недостаточной отработанностью методов отбора образцов для определения прочности льда приводит к тому, что расчетные значения ледовых нагрузок завышаются. Одним из факторов, определяющих значение расчетной прочности ледяных полей, является пространственная неоднородность распределения свойств льда. Неоднородность свойств по толщине льда учитывается d CffaHrfe96#|-^ 82*
к s'uv.. іктижСтЬИля І
C-Htiepflypi Од їОІ^акі
(рекомендуется производить отбор образцов по слоям). При этом пространственная (в плане) неоднородность не учитывается вовсе. Как показывают исследования, учет пространственной неоднородности может позволить обоснованно снизить расчетное значение прочности дрейфующих ледяных полей, и. следовательно, уменьшить капитальные вложения при строительстве МЛП в условиях замерзающих морей.
Таким образом, разработка научно обоснованной методики определения прочностных свойств ледяного покрова является актуальной научной задачей.
Целью работы является совершенствование методики определения расчетных значений прочности ледяных полей учитывающей их неоднородность, для повышения эффективности морских инженерных сооружений. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
создана методика оценки пространственной (в плане) неоднородности ледяных полей с учетом неравномерного распределения прочностных свойств;
выполнен комплекс экспериментальных исследований неоднородности ледяных полей в естественных условиях;
разработаны рекомендации по учету пространственной неоднородности прочностных свойств ледяных полей при определении ледовой нагрузки;
уточнена методика определения расчетных значений прочности ледяного покрова при определении ледовой нагрузки.
Методы исследования для решения поставленных задач:
методы теории моделирования;
методы регрессионного анализа;
методы физического моделирования;
методы математической статистики.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
выполнены систематические натурные исследования пространственного (в плане) распределения неоднородности прочностных свойств ледяных полей в плане, позволившие выявить степень их неоднородности;
впервые предложена методика определения расчетных значений прочностных свойств ледяных полей с учетом пространственной (в плане) неоднородности для определения ледовой нагрузки на инженерные сооружения;
предложена методика отбора образцов льда для определения расчетной прочности с учетом стохастического характера распределения
прочностных свойств дрейфующих ледяных полей как объекта воздействия на МЛП в части их количества и расположения в пространстве с учетом ледового режима конкретной акватории Практическое значение работы. Результаты исследований могут быть
использованы для совершенствования действующих нормативных документов
в части определения ледовых нагрузок от ледяных полей а так же при
проведении полевых испытаний.
Разработанные рекомендации по определению ледовых нагрузок на
сооружения способствуют их обоснованному снижению, что приводит к
снижению материалоемкости и стоимости сооружений. На защиту выносятся:
-
Методика проведения полевых испытаний для исследования неоднородности прочностных свойств ледяного покрова морских акваторий.
-
Рекомендации по учету пространственной неоднородности (в плане) прочностных свойств ледяного покрова при определении ледовой нагрузки.
-
Рекомендации по определению расчетных значений прочности ледяного покрова.
Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована:
применением общепринятых апробированных положений; проведением
спланированных полнофакторных экспериментов, применением
апробированных методов испытаний; общепринятых методов теории вероятности и математической статистики.
Результаты исследований использованы:
в отчетах по НИР- «Разработка теоретических основ формирования ледового режима морских акваторий и воздействия ледяных полей на береговую зону» (ГБ 53.2.6.99, Владивосток, 1999); «Построение решения задачи о воздействии дрейфующего ледяного покрова морских акваторий на береговую зону» (Владивосток, 2002); «Разработка методов расчета вероятностных характеристик ледовых нагрузок на сооружения континентального шельфа», выполняемой по научно-технической программе «Научные исследования высшей школы по приоритеїньїм направлениям науки и техники» (Владивосток, 2003-2004);
в учебном процессе Строительного института ДВГТУ по дисциплинам «Сооружения континентального шельфа», «Проблемы портового строительства на Дальнем Востоке», в курсовых и дипломных работах.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и представлялись на Международной конференции по шельфовым и полярным технологиям (Ставаніер, 2001), Международной конференции стран АТР
АРАСЕ-2001 (Далянь, 2001), Международном симпозиуме «Охотское море и морской лед» (Момбетцу, 2002), на Международной конференции PACOMS-2004 (Владивосток, 2004), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВГТУ (1998-2005), на Международных форумах молодых ученых стран АТР (1999, 2001), на семинарах кафедры гидротехники СИ ДВГТУ(1999-2006)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка лшературы и приложения Она содержит 118 страниц текста, 70 рисунков, 12 таблиц и список литершуры уч 138 наименований.
Назначение расчетных характеристик прочности льда для определения ледовых нагрузок
Этот лед встречается главным образом в бухтах, заливах, проливах и на мелководных пространствах моря. К концу зимнего периода ширина припая в зависимости от географического положения района может достигать десятков и сотен километров. Припай имеет только вертикальные колебания, зависящие от сгонно-нагонных и приливных явлений и представляет собой ледяной покров термического происхождения. Только отдельные его участки (например, стамухи или торосистые участки по его кромке) динамического происхождения. Он может быть в двух стадиях. Наибольшее распространение в арктических морях имеет припай стадии I (однолетний), образующийся ежегодно в одних и тех же местах. Значительно меньшее распространение имеет припай стадии II (двухгодовалый и многолетний). При своем образовании припай проходит последовательно те же первоначальные формы молодого льда, какие характерны для стадии I, ледяного покрова термического образования; б) льды дрейфующие, не примерзшие к берегу и передвигающиеся под влиянием ветра и течений. Эти льды также последовательно проходят через первоначальные формы молодого льда. Дрейфующие льды могут быть как термического, так и; динамического происхождения. Размер их колеблется в широком пределе. Различаются следующие формы дрейфующих льдов; 1) сплошной лед — смерзшиеся, значительные по площади массивы льда; 2) ледяные поля — площади плавучего льда, протяжением не менее 3-5 км; 3) обломки полей — площади льда протяженностью от 200 м до 3 км; 4) крупнобитый лед — куски разбитого льда протяженностью от 20 до 200 м; 5) мелкобитый лед — куски льда, протяженностью до 20 м; 6) ледяная каша — измельченный лед, смешанный со снежурой и шугой. Одним из элементов, характеризующих целостность ледяного покрова, является трещиноватость. Трещины могут быть разного происхождения. Трещины термического происхождения образуются при формировании льда и в период его развития. Причиной возникновения трещин является сложный процесс формирования морского льда, связанный, с одной стороны, с расширением вновь образовавшегося льда, а с другой, — со сжатием уже существующего льда. В процессе развития льда возникают термические трещины за счет внутренних напряжений, вызванных разностью температур. Ширина термических трещин тем больше, чем больше протяженность ледяного покрова. Термические трещины более интенсивно образуются в начале зимы; сквозные термические трещины бывают значительно реже, чем несквозные. Трещины, вызванные колебаниями уровня, могут возникать в период формирования ледяного покрова и в течение всего его существования. Разлом происходит вблизи закрепленного участка льда под действием собственного веса, либо в связи с критическим прогибом.
Трещины, вызванные силами, действующими в плоскости, параллельной поверхности ледяного покрова (силы сжатия и ветровое воздействие), характерны для ледяного покрова небольших толщин при достаточно больших усилиях. Трещины, возникающие под воздействием искусственных нагрузок на лед при его эксплуатации или разрушении наблюдаются в двух видах: непосредственно перед разрушением образуются радиальные трещины, а в самый момент разрушения - круговые трещины, расположенные на некотором расстоянии друг от друга. Целостность ледяного покрова также нарушается в период таяния вследствие образования снежниц, проталин и промоин. Для дрейфующих льдов принята характеристика так называемой сплоченности льда; это количество льда и чистой воды, приходящееся на данную площадь (исчисляется по 10-балльной шкале). Неоднородность. Благодаря большому числу факторов, влияющих на процесс образования ледяного покрова, свойства льда, образованного в естественных условиях, не являются постоянными. При этом можно рассматривать неоднородность свойств на микро уровне (ориентация и размер кристаллов), так и на макро уровне (неоднородность свойств льда по толщине и в плане). Микро-неоднородность (размер кристалла, а также пористость льда), описанная выше, учитывается при проведении испытаний. С макронеоднородностью (пространственная неоднородность свойств ледяного покрова) нет полной ясности. Изменение свойств по толщине льда (неоднородность по толщине), явление в достаточной мере изученное, и рекомендации по учету неоднородности заложены в нормативной литературе, в частности в СНиП [45]. Данный нормативный документ рекомендует производить отбор образцов из нескольких слоев ледяного поля так, чтобы их длинные оси были перпендикулярны направлению роста кристаллов; при этом число слоев было больше или равное трем, толщина испытываемого ледяного поля должна быть не менее 0,6/ (где ha - расчетная толщина ровного льда). При дальнейшем назначении расчетной прочности происходит осреднение полученных при натурных испытаниях значений прочности по толщине ледяного покрова (СНиП [45] формула 114). Помимо неоднородности по толщине, также присутствует неоднородность распределения свойств в плане, влияние которой, до сих пор является малоизученной. Соответственно, нет и рекомендаций по учету неоднородности в плане. Это может быть вызвано в первую очередь тем, что исследование данного фактора является весьма трудоемким процессом. Распределение прочности по полигону размером 100x100 м на основе экспериментальных данных было получено в институте «СахалинНИПИморнефть» (рис. 1.7) [27-32]. Анализ представленного распределения показывает, что по площади случайным образом происходит чередование областей с высокой и малой прочностью льда. Дальнейших исследований пространственной (в плане) неоднородности не проводилось. В 1989-1993 г.г. институтом САХНИПИНЕФТЕГАЗ проводились научно исследовательские работы, посвященные исследованиям нефтегазопромысловым систем обустройства для освоения месторождений Дальневосточных морей с целью разработки рекомендаций для проектирования нефтегазопромысловых сооружений. В рамках этих научно-исследовательских работ были проведены эксперименты по определению прочностных характеристик ледового покрова северо-восточного шельфа о. Сахалин. В 1991,1993 году для отбора образцов использовалась следующая методика. На полигоне намечались два взаимно перпендикулярных створа один из которых был сориентирован на север, другой - на восток. По створам намечались места бурения с целью извлечения кернов по толщине ледяного покрова. Расстояние между точками бурения было равным 20 м. Схема полигона и нумерации кернов приведена на рис. 1.8. С целью сохранения естественной температуры льда, керны сразу же после выбуривания помещались в полиэтиленовый мешок и погружались на вертолет. С помощью вертолета керны транспортировались к лаборатории, в которой был установлен пресс. Общее время доставки кернов в лабораторию колебалось от 30 до 40 минут, причем обогревательные приборы в вертолете во время транспортировки кернов выключались.
Проблемы определения прочностных свойств морского льда с учетом неоднородности ледяного покрова
Таким образом, в результате проведенных натурных испытаний была получена представительная выборка (содержащая 5000 испытаний). Вид испытаний. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие виды испытаний прочностных характеристик льда: - растяжение (в основном образцы гантелевидной формы с поперечным сечением порядка нескольких десятков квадратных сантиметров); - сжатие образцов различной формы (куб, призма, цилиндр) и объема (характерный линейный размер равен примерно 5ч-50 см); - изгиб балок и консолей с поперечным сечением в месте разрушения от нескольких квадратных сантиметров и, примерно, до 1 м2; - срез (размеры площади разрушения в этом случае обычно не превышали нескольких десятков или сотен квадратных сантиметров). Одноосное растяжение Этот вид испытания требует изготовления на станке образцов в виде гантелей. Также необходимо использовать специально разработанные крепления для исключения возникновения трехосного напряженного состояния в области касания механических захватов или крепления образцов. Это важное условие для получения истинного значения прочности на рабочем участке.
В таблице 1.1 сведены доступные в литературе данные. Эксперименты, проведенные Dykin [73] были выполнены при постоянной скорости деформации є =6.3x10" с". Имеются сведения об экспериментах, при которых скорость деформирования изменялась в пределах 140 -г 600 КПа-с" (Peyton [111]) и 60 ч-1200 КПа-с-1 (Saeki [115]).
Одним из наиболее важных факторов, влияющих на величину прочности, является ориентация кристаллов льда относительно направления нагрузки (рис. 1.3). Кроме того, температура морского льда оказывает большее влияние на его прочность, чем на прочность пресного. Так, к примеру, прочность морского льда для температур, изменяющихся от -3 до -7С, может отличаться приблизительно в 2 и более раз. Следует также принимать во внимание тот факт, что в табл. 1.1 представлены результаты испытаний на одноосное растяжение, в то время как в естественных условиях в основном представлено сложнонапряженное состояние. Испытания образцов в форме кольца
Это испытание, которое очень легко выполнить в полевых условиях, пришло из геотехнических разработок. Основная идея состоит в том, чтобы сжать цилиндр или диск с противоположных концов (рис 1.2). Это ведет к возникновению ортогональных к направлению действия нагрузки растягивающих напряжений. Основной проблемой при испытаниях является то, что полученное напряженное состояние не является одноосным, и, как следствие, возникают концентрации напряжений. Поэтому, однозначно интерпретировать полученные результаты весьма проблематично.
Также очень важно упомянутое ранее влияние микро-неоднородности и ориентация зерен. Кроме того, эффект изотропии в материале имеет тенденцию усложнять и без того сложное распределение напряжений при этих испытаниях. В табл. 1.2 показаны приведенные в литературе результаты. На рис. 1.9 приведена зависимость прочности образца в виде кольца от содержания рассола при различных температурах.
Можно заметить, что результаты представленные в табл. 1.2 имеют более высокие значения прочности, по сравнению с результатами для одноосного растяжения. Это увеличение прочности на растяжение для данного вида испытаний могло возникнуть благодаря ограничению напряжений, являющихся непосредственно результатом эксперимента. Кроме того, очень трудно управлять скоростью нагружения, а измерение деформаций на таких испытаниях почти невозможно. С другой стороны, единственное преимущество такого испытания - его простота и возможность испытания льда в любом направлении. Одноосное сжатие - самый распространенный вид испытаний. При его выполнении следует помнить о возникновении концентрации напряжений в зоне опорных устройств. Любой материал между пластинами и образцом может вносить нежелательные растягивающие радиальные напряжения. Анализируя опубликованные в литературе результаты (табл. 1.3) следует отметить, что используются две основных формы образца: цилиндрическая и кубическая. Цилиндрические образцы могут использоваться при многоосном или одноосном сжатии. Кубические образцы могут быть подвергнуты одноосному сжатию с использованием ограничивающей пластины или без нее или многоосному сжатию (табл. 1.4). Исследователями [69, 86, 109, 118, 128, 129] доказано, что значения прочности на сжатие для нагрузки, приложенной перпендикулярно оптической оси кристалла, больше, чем для нагрузки, приложенной параллельно оптической оси кристалла, а при скорости деформирования 3x10 с" это отношение равно 3.
Интересный и уникальный опыт проведен под руководством Hausler [86] (табл. 1.4). При испытаниях модуль упругости измерен параллельно и перпендикулярно к ориентации кристалла, при этом отношение между этими двумя величинами составило величину, равную приблизительно 3,5. Это подтверждает влияние изотропии. Результаты полученные Wang [135] также подтверждают эффект изотропии для морского льда.
Прочность на одноосное сжатие морского льда вообще приблизительно в три раза выше, чем прочность на одноосное растяжение. Современные исследования требуют выполнения испытаний на многоосное сжатие. Результаты испытаний (табл. 1.5) показывают, что прочность на сжатие морского льда при испытаниях на многоосное сжатие может достигать величин, до трех раз превышающих значения величин прочности, полученную при одноосном сжатии [109].
Также установлено увеличение значений прочности льда при изменении направления нагрузки относительно оптической оси кристаллов [67]. Однако эти испытания были ограничены установленной температурой -11 С, и ограничивающее давление было в среднем около 0.1 МПа. Эксперимент проводился для нагрузок, приложенных в различных направлениях, и результат отличался в 2 раза.
Исследование пространственной неоднородности ледяного покрова по результатам испытаний других авторов
Для удобства выполнения эксперимента масса индентора должна быть соизмерима с физическими возможностями исследователя, что исключает применение специальных подъемных и транспортных средств. Однако увеличение массы индентора (и его размеров) повышает точность результатов. Вместе с тем масса индентора ограничивается характеристиками ледяного покрова с тем, чтобы исключить диссипацию энергии падающего индентора на изгиб и колебание ледяного покрова и создание гидродинамических давлений под ним.
Подводя итог выше сказанному, следует отметить как большое количество известных и достаточно изученных факторов (температура, скорость деформации, пористость, содержание рассола), так и большой разброс результатов, полученных различными авторами. Данный факт может объясняться сложностью однозначного описания взаимодействия всех факторов, и, возможно, наличию факторов, до сих пор, не изученных и не поддающихся прямому измерению (например, процесс образования льда, суточные колебания температуры, наличие биоорганических факторов в месте зарождения льда и т.д.). Также, во многих представленных результатах ничего не говорится о том, каким образом производился отбор и транспортировка образцов. Рекомендация о выдерживании подготовленных образцов в течении времени при определенной температуре вносит неопределенность в интерпретации результатов и, приводит к искажению реальной картины происходящих в ледяном покрове процессов.
Кроме того, влияние неоднородности свойств в плане вносит неопределенность в части назначения расчетной нагрузки на сооружение, в особенности сооружения значительного характерного размера, которые имеют морские ледостойкие платформы.
Назначение расчетных характеристик прочности льда для определения ледовых нагрузок Многолетний опыт исследований ледовых нагрузок на морские инженерные сооружения позволил выявить основные факторы, влияющие на их значения. К ним можно отнести: - параметры ледового режима и их пространственно-временная изменчивость (морфологические, кинематические, динамические); - свойства морского льда и их пространственно-временная изменчивость (физико-механические, прочностные); - параметры инженерного сооружения (геометрические, механические); - характер взаимодействия ледяного покрова с сооружением. Совокупность первых трех факторов определяет характер взаимодействия ледяного покрова с сооружением, который имеет важнейшее значение для расчета ледовых нагрузок и воздействий. Характер взаимодействия зависит от физического процесса разрушения ледяного покрова перед сооружением и является предметом отдельного исследования.
Существующие феноменологические модели взаимодействия льда и сооружения базируются, как правило, на одном общем параметре, например, расчетное значение прочности Rc. Данным параметром характеризуется свойства льда на всей зоне разрушения.
При назначении расчетных величин прочности ледового покрова СНиП [45] рекомендует использовать данные, полученные в результате натурных испытаний в месте предполагаемого строительства. При этом, данным нормативным документом регламентируются следующие действия. Отбор, изготовление и подготовка образцов к испытанию
Образцы льда отбираются из N слоев ледяного поля так, чтобы их длинные оси были перпендикулярны направлению роста кристаллов; при этом N 3, толщина испытываемого ледяного поля должна быть не менее 0,6hd.
При таком подходе, место расположения, место и время отбора, плановая методика отбора образцов оставляются на усмотрение испытателей. Также не оговаривается количество лет испытаний, необходимых для получения достоверных результатов. Кроме того, свойства ледяного покрова изменяются не только в течение ледового сезона, но и в многолетнем временном масштабе. Соответственно нет никаких указаний по поводу количества лет испытаний, а также временного промежутка в сезоне, при котором необходимо произвести испытания для получения достоверных данных. Кроме того, свойства ледяного покрова изменяются не только в течение ледового сезона, но и в многолетнем временном масштабе. Соответственно нет никаких указаний по поводу количества лет испытаний, а также временного промежутка в сезоне при котором необходимо произвести испытания для получения достоверных данных. Все это создает неопределенность.
Образцы льда изготовляются в виде призм квадратного сечения или цилиндров круглого сечения с отношением высоты к ширине (диаметру), равным 2,5. Ширина образца должна не менее чем в 10 раз превышать средний поперечный размер кристалла, определяемый по данным кристаллографического исследования. Отклонение размеров образцов от номинальных не должно превышать ±1%. Образцы должны иметь гладкую ровную поверхность без трещин, сколов, раковин, заусенцев и других дефектов. Цилиндрические образцы следует изготовлять на токарном станке, а призматические - на горизонтально-фрезерном станке. Грани призматических образцов рекомендуется обрабатывать попарно двумя фрезами, установленными на одном валу с расстоянием между ними, равным ширине образца при обработке боковых граней и с расстоянием, равным высоте образца при обработке опорных граней. Перед испытанием образцы исследуемого слоя выдерживаются не менее чем 1 час при температуре слоя /,-, определяемой по опытным данным, а при их отсутствии - по формулам (116) и (117) [45].
Определение расчетного значения прочности
Проведенная обработка результатов методами математической статистики показала, что распределение прочности ледяного покрова в плане носит случайный характер. Следует отметить большой разброс значений прочности льда, что подтверждает высокую степень изменчивости свойств льда в плане. Используя методы математической статистики, были получены основные статистические характеристики распределения прочности для каждого полигона. Средняя величина прочности ледяного покрова изменяется ежегодно, что вызвано различными внешними условиями, но для разных полигонов они незначительны.
Анализ погрешностей показывает, что наибольшее влияние имеет погрешность при измерении диаметра отпечатка (0,9 %). Поэтому для получения наиболее точного результата диаметр каждого отпечатка измерялся не менее трех раз. Погрешность при измерении стального индентора, составляющую 1 % можно считать постоянной. Диаметр отпечатка при испытаниях зависит от прочности ледяного покрова и, следовательно, повышение точности измерения повысит точность определения разрушающего контактного напряжения.
Анализ с использованием статистических критериев Колмогорова-Смирнова, W критерия Шапиро-Уилка и критерия Лилефорса позволяет принять гипотезу о нормальном распределении прочности ледяного покрова.
Результаты регрессионно-корреляционного анализа представлены в таблице 3.4. Анализ показывает, что зоны высокой прочности ледяного покрова чередуется с зонами низкой прочности, размеры которых также изменяются. График зависимости коэффициента пространственной неоднородности от площади полигона kH=f(S) имеет постоянную форму. Подбор аппроксимирующей функции показал, что наиболее точно зависимость описывается степенной функцией вида .у = ахь.
Таким образом, экспериментально обоснована возможность уточнения расчетной прочности ледяного покрова посредством коэффициента неоднородности, определяемого по результатам натурных испытаний. Анализ полученных графиков показывает, что для площадей меньше 1000 м коэффициент неоднородности приближается к единице, и, следовательно, для сооружений с характерным размером в зоне контакта до 15 м, коэффициент неоднородности необходимо принимать равным 1.
Для площадей больших 1000 м2, коэффициент неоднородности рекомендуется назначать по верхней огибающей, полученной в результате нанесения на один график кривых, полученных на разных полигонах и в разное время. Кроме того, необходимо отметить наличие в графике области в которой изменение коэффициента неоднородности происходит столь незначительно, что этими изменениями можно пренебречь. В данном случае, такая зона наблюдается начиная с величины площади 5000 м2. Средняя величина коэффициента неоднородности для площадей более 5000 м за время наблюдений составила 0,64. Максимальная величина коэффициента пространственной неоднородности для той же площади составила 0,88. Разброс по годам составляет ± 0,24 (30%).
Рекомендуется назначать коэффициент пространственной неоднородности по верхней огибающей (рис. 3.37). Рекомендуемая величина коэффициента неоднородности для определения расчетной прочности ледяного покрова составляет 0,88 (принимается по верхней огибающей для площадей более 5000 м2). Таким образом, для учета неоднородности свойств ледяного покрова в условиях Амурского залива для сооружений с характерным линейным размером основания большим 16 м, необходимо ввести поправочный коэффициент равный 0,88.
В главе 1 описывалась методика отбора и испытания образцов льда, проведенных в условиях О.Сахалин. Отбор образцов в 1989, 1990 годах производился случайным образом, и поэтому исследовать пространственную неоднородность прочностных характеристик для этих лет не представляется возможным ввиду отсутствия указаний о взаимном расположении кернов.
Не смотря на то, что методика отбора образцов «по кресту» не позволяет в полой мере описать распределение прочности по площади вследствие малого количества образцов, тем не менее, проследить изменчивость свойств ледяного покрова представляется возможным.
Как уже указывалось в главе 2, размер области разрушения зависит от характерного размера сооружения. Следовательно, изменчивость свойств должна проявляться и на линейных участках ледяного покрова значительной протяженности (более 20 м). Таким образом, для выявления неоднородности свойств льда можно применить уже описанную выше методику и вычислить коэффициент неоднородности. При этом необходимо отметить, что в качестве характерного размера будет выступать не площадь, а расстояние между точками отбора образцов. Следует принимать во внимание тот факт, что количество образцов мало (17 шт.) и результаты, полученные после обработки, будут менее представительны.
Также необходимо отметить тот факт, что после выпиливания керна из ледяного покрова происходит его перевозка к месту испытания. Данная операция может привести к нарушению структуры материала, а именно, стеканию рассола из образца, что приведет к искажению результатов.
На рис. 3.38 - 3.41 представлены плановые распределения прочности ледяного покрова для эксперимента, выполненного 21.03.1993 г. на полигоне №8 на четырех горизонтах по толщине.
