新疆喀纳斯湖冰物理力学参数及冰面承载力研究

发布时间：2020-07-05 18:17

【摘要】：在寒冷地区,湖泊、河流甚至于海面上的冰层常被人们用来作为临时的道路、桥梁、旅游场地、生产基地甚至飞机起落平台,但是频繁的冰上安全事故也限制着冰上活动的进一步发展。对于冰层的广泛应用,应当充分界定好冰层临界承载能力与荷载之间的关系,这样才可以保证冰上活动安全可靠的进行。针对上述状况,以新疆阿勒泰地区喀纳斯湖冰上旅游娱乐项目为依托工程,选取冰层冻结期和融化期两个特殊时期对冰层展开现场试验研究,确定冰层承载力。利用JMT-36C型温度传感器对冰层温度场进行监测,得到喀纳斯湖在冻结期和融化期冰层温度场数据,绘制冰层温度变化曲线。对冰层力学学性能采取现场取冰、现场加工、现场试验的方法,分别于冻结期和融化期测定冰层竖向抗压强度、横向抗压强度、抗弯拉强度和弹性模量。考虑冰上荷载状况,选取最不利结果作为数值模拟参数,采用ANSYS有限元软件建立模型,模拟不同温度、不同厚度条件下冰层的承载力,将计算结果与国外经验数据对比,确定冰层的最终承载力。试验结果表明:天然冰层温度场受气温变化和冰下水层温度变化的双重影响,天然冰层在冻结期、融化期的冰层温度随着深度呈现出倒“C”型、“C”型和“S”型的温度曲线,冰层进入融化阶段后会出现“立茬冰”。力学性能方面,湖冰为各向异材料;冰试件抗压破坏形式主要有劈裂破坏、剪切破坏和鼓胀破坏。冻结期湖冰竖向抗压强度、横向抗弯拉强度较为稳定,湖冰横向抗压强度上下层存在差异;春季冰层开始融化,冰层结构改变、强度开始降低,冰面上开始出现积水,承载力逐渐丧失,冰层承载力与冰层厚度平方成正比。研究结果可以为新疆阿勒泰地区喀纳斯湖冰上活动的安全性提供一定的理论依据和数据支持。
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P343.6;X91
【图文】：

运输状况

由于阳光照射强度和照射时间的差异，在地球表面常年处于冰冻状态的地区高达 3×107km2，如若加上季冻性冰冻地带则受冰冻影响的区域可以达到地球表面积的 40%以上[1]。我国地处亚欧大陆东侧，大部分地区地处北温带，外加青藏高原的影响，约有四分之三以上的地区都存在冰冻现象，主要分布在北纬 30°以北的地区，尤其以吉林、黑龙江、新疆、内蒙古自治区和部分高海拔地区较为常见[2]。到了冬季，随着气温的降低，河流、湖泊以及近海的水逐渐凝结成冰，形成天然、坚实的材料为人们提供了特殊的承载平台，因此，冬季冰层也被寒区人民直接应用到生产工作之中，为寒区人民的生活、娱乐甚至于战争都提供了不可替代的便利。（1）冰上交通对于冬季冰层合理利用的成功案例不胜枚举。在国外，生活在北极的因纽特人利用冰和雪直接建造房屋来抵御寒冷；加拿大曾修建有长达 600km 的“冰上高速公路”用以运送北部众多矿区的矿产以及所需要的生活资料，见图 1-1 和图 1-2，另外，加拿大也利用当地湖泊凝结形成的冰层作为钻井平台用于水底钻探和采用工作，合理的利用了冰封期，而且降低了生产成本[3]。美国也曾在南极修建长达 3000km 的冰上公路用以代替在南极昂贵的空中运输[4]。

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