Способы и методы повышения несущей способности ледяного покрова

По этому уравнению можно рассчитать время безопасной стоянки груза на ледяном покрове:

здесь Р_р(0) - нагрузка, достаточная для разрушения пластины сразу же после ее приложения в момент времени t_p =0; P_p(t_p) - нагрузка, которая разрушает пластину через некоторое время t_p при t_p>0 P_p(t_p)<P_p(0). Очень важно правильно определить значение Р_р(0). По-видимому, наиболее близкими к истинным являются результаты экспериментальных работ [13]. Осредненная кривая с небольшим разбросом данных описывается уравнением:

где b - поперечный размер площади, на которой действует нагрузка;

;,

где D - цилиндрическая изгибная жесткость; р - плотность воды; v - коэффициент Пуассона.

Для инженерных задач - необходимо знать нагрузки, при которых объект может медленно двигаться или стоять на плавающей ледяной пластине, либо нагрузки, при которых лед обязательно разрушается (проектирование ледоколов). Этим нагрузкам соответствуют верхняя (В) и нижняя (Н) огибающие экспериментальных точек.

Область под нижней кривой - допустимые нагрузки, выше верхней - разрушающие. Они описываются уравнениями:

Следовательно, для льда при температуре -10°С допустимую сосредоточенную нагрузку для бесконечной пластины в соответствии с данными Панфилова можно определить из условия:

;

здесь значение у_p можно брать равным прочности на изгиб консольной балки на плаву.

Согласно данным этого же автора допустимую нагрузку, действующую на края длинной щели в ледяном покрове (например, в случае моста между двумя полубесконечными пластинами), можно определить из условия:

Разрушающая нагрузка для полубесконечной пластины удовлетворяет условию:

.

В экспериментах Панфилова выдерживалось соотношение 0,1<<1,0. Он также получил, что (P_p)_H2P_кр, т.е. трещины во льду появляются при половинной разрушающей нагрузке, соответствующей нижнему пределу.

1.4. Экспериментальные исследования деформаций ледяного покрова, вызываемых движущимися нагрузками

Экспериментальному исследованию деформаций ледяного покро-ва под действием подвижных нагрузок, несмотря на их большой прак-тический интерес, посвящено немного работ.

Первыми работами, касающимися вопросов транспортировки по льду грузов и связанных с этим исследований предельных нагрузок на пресноводный лед, были исследования Г.Я. Седова [41], Б.Н. Сергеева, С.А. Берштейна [16].

Волнообразные колебания ледяного покрова от действия им-пульсной нагрузки впервые записал Н.Н. Кашкин [32]. Однако он при-шел к ошибочному выводу, утверждая, что при расчете прочности льда этими колебаниями можно пренебречь. Профессор Н.Н.Зубов, наблюдая волновой характер колебаний льда под действием движущейся нагрузки [27, 28], высказал предположение о возможности проявления опасных явлений резонанса.

Анализируя данные о волнообразных колебаниях ледяного покро-ва при перемещении грузов, Г.Р. Брегман и Б.В. Проскуряков пришли к выводу о существовании некоторой скорости, превышение которой мо-жет привести к разрушению ледяного покрова [23]. Впоследствии опыт Ладожской трассы подтвердил эти предположения.

Исследования, посвященные изучению разрушения льда вследст-вие движения нагрузки, были проведены: К.Е. Ивановым, П.П. Кобеко и А.Р. Шульманом [29] в связи с постройкой "Дороги жизни" на Ладож-ском озере. Необъяснимые с точки зрения статического воздействия на-грузки случаи пролома льда под движущимися автомашинами застави-ли обратиться к изучению волновых процессов во льду при движении по нему грузов.

Измеренные при помощи прогибографов деформации ледяного покрова в случае быстро перемещающихся грузов позволили исследо-вателям сделать важные выводы, получившие в последующих работах теоретическое обоснование. В частности, было замечено, что при дви-жении автомашин со скоростями меньшими критических значений (см. п. 1.3), возмущение распространяется по льду со скоростью движения машины и практически с той же скоростью исчезает вслед за ней. На рисунке 5 изображена запись приборов, расположенных перпендику-лярно движению автомашин и отстоящих друг от друга на расстоянии 5м. Прибор № 1 был помещен непосредственно у трассы. При этом вели-чина прогиба была примерно в 1,5-2 раза меньше статического. Подоб-ный факт отмечался несколько раньше в работе [23]. Когда скорость движения машин была близка к критической скорости (немногим более 5,6 м/с), в ледяном покрове развивались прогрессивные волны, которые регистрировались приборами, стоящими от трассы на расстоянии сотни метров. Одна из записей прогибографов при скорости движения авто-машин около 12,5 м/с приведена на рисунке 5б.

Рис 5. Прогибы ледяного покрова в зависимости от скорости автомашины х: a- х< х_p; д- х> х_p

Путем сопоставления многочисленных записей колебаний ледяно-го покрова при различных скоростях движения и при разных нагрузках были определены скорость волны V и ее длина л. Так, например, при толщине льда h = 60 см и глубине водоема л = 5 м длина волны была л =200 м, а ее скорость, v = 9.7 м/с, при этом величина л не зависела от скорости перемещения нагрузки и ее величины.

Замеры свободных и вынужденных колебаний ледяного покрова производили А.Д. Сытинский и В.П. Трипольников [42].

Экспериментальные исследования влияния движущихся нагрузок на деформацию ледяного покрова проводились И.С. Песчанским и К.Е. Ивановым [4, 30]. Специальные опыты позволили установить влияние скорости перемещаемой нагрузки на величину и характер про-гиба ледяного покрова. Так, на рисунках 6 - 7 представлены кривые прогибов ледяного покрова толщиной 0,38 м при движении грузов мас-сой 10,5 и 14 т с различными скоростями от 2,6 до 19,4 м/с. Кривые за-писывались с помощью самописцев - прогибографов, размещенных че-рез каждые 50 м вдоль пути следования грузов (в 2 м от оси трассы), и в перпендикулярном направлении к трассе (также на расстоянии 60 м друг от друга). Из сопоставления кривых прогибов видно резкое разли-чие в форме этих кривых. При докритических скоростях (до 2,8 м/с) кривая прогибов подобна статической. По мере увеличения скорости движения вначале увеличивается кривизна ледяного покрова перед гру-зом, а затем возникает "волна вспучивания".

Рис 6. Кривые прогибов ледяного покрова в зависимости от скорости движения ч и массы груза P. Глубина водоема H=5,6 м.

Рис.7. Прогибы льда толщиной h=0,38 м на разных глубинах при движении груза P=14 м; 2-H=6,3 м; 3-H=5,6 м

Одновременно с этим резко возрастают прогиб под грузом и длина волны. Максимального значения прогиб достигает при определенной (критической), скорости V_P, начи-нал с которой дальнейшее увеличение скорости груза приводит к уменьшению прогибов. Как видно из рисунка 6 - 7, для разных глу-бин относительные значения критических скоростей (в рассматриваемых случаях стремятся к единице.

Запись величин прогибов ледяного покрова при движении груза неизменной массы, но при различной глубине водоема, показала, что на больших глубинах прогибы всегда меньше соответствующих прогибов при меньших глубинах (рисунок 8). Отличия величины и формы про-гибов могут быть объяснены влиянием мелководья на распространение гравитационных волн в жидкости.

Рис.8. Не установившееся колебания ледяного покрова при движении нагрузки со скоростью ч

Из рисунка 9, на котором приведены экспериментальные кривые прогибов льда для покоящегося и движущегося с различными скоро-стями грузов, видно, что как только груз начинает двигаться по ледяно-му покрову с некоторой скоростью, прогибы под грузом уменьшаются по сравнению с прогибами при статическом нагружении. Этот результат совпадает с натурными наблюдениями, описанными в работах [23, 29], и не подтверждает известных теоретических выводов для абсолютно упругих пластин.

Рис.9.Кривые прогибов ледяного покрова от неподвижной и движущихся нагрузок.

Некоторое увеличение несущей способности ледяного покрова при движении груза, масса которого была предельной при ста-тическом нагружении, отмечается в работе [43], в работе [44] приведе-ны записи неустановившихся колебаний ледяного покрова при движе-нии грузов со сверхкритическими скоростями (рисунке 10). Колебания льда записывались на пути следования груза. При этом прибор № 1 за-писывал более ранние неустановившиеся колебания, а прибор № 3 со-ответственно - более поздние. Из рисунка видно, что при неустановив-шейся скорости нагрузки, превышающей критическую, и влиянии сво-бодных колебаний ледяного покрова в последнем возникает интерфе-ренция, могущая привести к появлению волн значительной амплитуды. Однако по мере стабилизации процесса максимальные прогибы и высо-та волны перед грузом становятся меньше (см. кривую, записанную прибором № 3).

Рис.10. Неустановившиеся колебания ледяного покрова при движении нагрузки со скоростью ч=1,27

На рисунке 10 также представлена серия аналогичных кривых колебаний ледяного покрова, записанных при скорости движения груза 16,7 м/с. Большая скорость, естественно, сокращает время распространения неустановившихся колебаний, поэтому те же приборы, находившиеся на тех же расстояниях от начальной точки движения груза, записали более стабильные колебания ледяного покрова. Последний по ходу движения прибор № 3 записал практически установившиеся колебания.

В этом случае деформированная поверхность ледяного покрова не имеет положитель-ных прогибов, т.е. выпуклость ледяного покрова обращена вверх. Тео-ретические исследования плоских колебаний ледяного покрова, выпол-ненные С.С. Голушкевичем [21] и Д.Е. Хейсиным [40], приводят к ана-логичным результатам.

Экспериментальному изучению вынужденных колебаний длинной плавающей пластины, генерирующей в жидкости систему "нагонных" волн, посвящена работа Ю.В. Писарева [45]. Ее автором выявлена ана-логия между "нагонными" и корабельными волнами. Установлены зату-хающий характер вынужденных колебаний пластины, зависимость ам-плитуды волны от массы движущегося груза и глубины воды. При дви-жении груза по пластине со скоростью V > V_P так же, как и в исследова-ниях других авторов, наблюдалось уменьшение прогибов в пластине.

В.Н. Смирновым проводились эксперименты по исследованию распространения волн в ледяном покрове с целью определения физико-механических свойств льда [46, 47] . В работе [47] показан характер процесса распространения изгибных волн и разработана методика опре-деления групповой скорости волн по диспергирующим цугам. Получен-ные экспериментальные данные хорошо согласуются с теоретическими выводами работы [40].

Из-за большой трудоемкости натурных исследований колебаний ледяного покрова, сложности инструментальных замеров прогибов и напряжений в бесконечной ледяной пластине экспериментаторы часто обращаются к модельным экспериментам. При этом для простоты мо-делирования изучаются плоские колебания пластин, т.е. балок-полосок. Подобная задача о влиянии движущейся нагрузки на НДС бесконечной балка, лежащей на упругом основании, рассмотрена Х.Е. Крайнером [48]. Поставленная в работе задача решалась с помощью электрическо-го моделирующего устройства, разработанного на основе аналоговых методов.

При моделировании изучалось равномерное и неравномерное движение возмущающей силы с учетом затухания колебаний. В резуль-тате исследований автором была получена серия графиков, позволяю-щих выявить характер влияния некоторых параметров движущейся на-грузки и основания на НДС бесконечной балки, лежащей на упругом основании. На рисунке 11 представлены кривые прогибов и мо-ментов в зависимости от безразмерной скорости V и безразмерного ко-эффициента затухания D. При возрастании скорости движения нагрузки точка приложения силы перемещается к узлу волны. Это заметно при увеличении коэффициента затухания. Одновременно частота волны пе-ред нагрузкой увеличивается, а позади - уменьшается. С увеличением скорости движения нагрузки изменяется место возникновения неболь-ших напряжений.

Рис.11.Прогибы пластины в зависимости от скоростей нагрузки и коэффициента затухания D: a) D=0,20; б)D=1,0

При докритических скоростях наибольшие изгибающие моменты возникают под нагрузкой. В случаях сверхкритических скоростей пик моментов располагается впереди нагрузки. Большое сходство результа-тов модельных экспериментов с записями натурных колебаний ледяного покрова позволяют использовать выводы работы при анализе тео-ретических решений. Л.В. Гольдом изучались колебания ледяного по-крова, вызванные движущимися нагрузками, с помощью датчиков дав-ления, закрепляемых на границе раздела "лед-вода". Эксперимен-ты показали, что при скорости нагрузки в диапазоне 0 < v < v_p лед имел симметричный прогиб. По мере приближения скорости нагрузки к кри-тическому значению прогибы льда становились все более несимметрич-ными. Было также замечено, что максимальные напряжения во льду возникают при скоростях, несколько превышающих критические. В ра-боте, [48] приводятся результаты модельных испытаний арктического СВП SK-5 над ледяным модельным покровом.

Большой объем экспериментальных и теоретических работ по исследованию распространения ИГВ в сплошном ледяном покрове позволяет представить ясную картину происходящих при этом физических процессов. При действии на лед движущейся нагрузки в ледяном покрове в зависимости от скорости будут возникать либо только изгибные, либо только гравитационные, либо колебания обоих видов. Если изгибной волне в пластине сопутствует гравитационная волна в воде, то такую комбинацию волн называют изгибно-гравитационной волной. Прогрессивные ИГВ не могут распространяться со скоростью, меньшей некоторой критической величины V_p, зависящей от глубины водоема, толщины льда и его физико-механических свойств.

Если нагрузка движется со скоростью V < V_p, то прогрессивные ИГВ не возникают. Форма прогиба льда при этом подобна статической и несколько вытянута в направлении движения. При движении нагрузки со скоростью V > V_p будет возникать две системы затухающих волн. Вперед будут уходить изгибные волны с групповой скоростью U₁ > V, а позади будут распространяться гравитационные волны с групповой скоростью U2 < V [1]. Если V= V_P возникает резонанс, т.е. прогибы льда позади нагрузки сильно возрастают.

При возбуждении волн в сплошном ледяном покрове движущейся нагрузкой под критической или резонансной понимают скорость нагрузки, равную скорости распространения ИГВ. При такой скорости движение нагрузки сопровождается интенсивной подкачкой энергии в колеблющуюся систему, что вызывает увеличение прогибов льда.

Явление возрастания амплитуды ИГВ при таком режиме движения принято называть изгибно-гравитационным резонансом. На мелководье V_p равна фазовой скорости распространения гравитационных волн на поверхности чистой воды V_o с увеличением глубины в зависимости от параметров льда и вида нагрузки критическая скорость может быть меньше, равной или превосходить значение V₀. В зависимости от соотношения, V_p и V_o физические процессы, сопровождающие колебания ледяного покрова, несколько отличаются. Общим будет оставаться сам характер деформации льда.

Размеры существующих СВП и интересующие нас параметры льда позволяют считать действие нагрузки от движущегося с резонансной скоростью СВП аналогичным действию сосредоточенной силы, перемещающейся с такой же скоростью. Поэтому физические процессы, происходящие при генерации СВП ИГВ, в соответствии с теоретическими исследованиями, будут определяться одним из трех возможных в практике случаев.

1. V_p > Vo. В начальный момент движения нагрузки прогиб льда уменьшается по сравнению со статическим. Интенсивность отпора воды по знаку совпадает со знаком интенсивности при статическом действии нагрузки. При V

2

V_p амплитуда прогибов льда растет, а интенсивность уменьшается. Когда V = V_o, интенсивность отпора обратится в нуль, т.е. архимедовы силы будут полностью уравновешиваться гидродинамическими усилиями. Вода перестает поддерживать ледяной покров, равновесие которого достигается только за счет упругих усилий, возникающих в ледяном покрове. В интервале скоростей V₀<V<V_p интенсивность сил отпора воды имеет обратный знак. Таким образом, внутренние упругие силы, действующие в ледяном покрове, должны уравновесить не только приложенную нагрузку, но и добавочное давление, создаваемое инерцией воды. При скоростях, близких к: верхней границе рассматриваемого интервала, амплитуды колебаний льда резко возрастают. Случай, когда V = V_p, рассматривают как резонансный. Наконец, когда скорость нагрузки превзойдет критическую, V > V_p интенсивность отпора опять изменит знак, и вода вновь будет поддерживать ледяной покров. Амплитуды прогибов льда при дальнейшем росте скорости будут асимптотически стремиться к нулю.

2.V_p < Vo. По мере увеличения от нуля скорости движения нагрузки V возрастает интенсивность отпора воды, и одновременно растет амплитуда прогибов. При V

2

V_p амплитуда прогибов и интенсивность сил отпора значительно возрастают (резонанс). В интервале скоростей V_p < V < V_o интенсивность сил отпора меняет знак. С последующим ростом скорости VV₍₎ величина сил поддержания уменьшается и, переходя через нуль (при V = Vo), меняет знак на противоположный. По мере дальнейшего роста скорости амплитуда прогибов ледяного покрова неограниченно уменьшается.

3. V_p = Vo. В этом случае знак интенсивности отпора воды не будет меняться, т.е. вода будет всегда поддерживать ледяной покров. Резонанс наступает в момент, когда V = V_o. При сверхкритических скоростях движения нагрузки возникает одиночная волна изгиба, амплитуда которой по мере роста скорости стремится к нулю.

Таким образом, несмотря на то, что плавающий неограниченный ледяной покров и неограниченная поверхность чистой воды имеют бесконечный спектр частот, условия равновесия ледяной пластины позволяют из этого спектра выделить критическую частоту, являющуюся собственной частотой колебаний системы «лед-вода».

Анализ физических процессов, происходящих при распространении ИГВ в ледяном покрове, показывает, что максимальные прогибы и напряжения во льду возникают при скоростях движения нагрузки, близких к V_p. Поэтому случай V= V_p является расчетным при определении НДС ледяного покрова при действии на него нагрузки.

Рассмотренные физические явления характерны для установившегося процесса, т.е. спустя некоторое время после начала действия подвижной нагрузки. В начальный период значительную роль могут играть свободные колебания ледяного покрова.

Глава II. Выбор наиболее эффективных способов повышения несущей способности ледяного покрова

2.1. Результаты информационно-патентного поиска

В условиях северных регионов страны замерзающих рек со слабо развитой транспортной системой часто приходиться использовать ледяной покров в качестве автозимников и ледовых переправ. При недостаточной толщине льда и не очень низких температур использовать для этих целей ледяной покров затруднительно из-за недостаточной несущей способности. Это часто приводит к гибели автотранспорта или др. транспортных средств, в частности при аварийном использовании ледяного покрова в качестве для посадочных полос для самолетов.

Существующие методы и устройства для повышения прочности льда являются дорогостоющими и требуют больших трудозатрат (на льду сооружают специальные настилы из бревен что придает дополнительный вес и лед расслабляется (релаксация), а также уменьшается теплоизоляционные свойства), упрочняют лед путем полива, очищают поверхность льда от снега).

Для устранения известных недостатков этих способов и устройств на основе проделанного информационно-патентного поиска могут быть предложены следующие решения.

2.2. Классификация методов повышения несущей способности ледяного покрова.

2.2.1.Уменьшение температурного градиента:

2.2.1. Задачей заявляемого метода является создание ледяной платформы с такой грузонесущей способностью, которая будет обеспечивать безопасность движения по ней транспорта и надежные условия складирования грузов.

Это достигается повышением цилиндрической жесткости ледяной пластины D, которая в свою очередь зависит от толщины ледяного покрова у [49].

Существенные признаки: Под воздействием низких температур (t<0 ⁰C) в месте выработки траншеи (высотой h, шириной В) и после выработки сквозных отверстий 4 при полном замерзании воды 2 общая толщина ледяной грузонесущей платформы увеличиться, и станет равной у = H₁+ h, что приведет к увеличению ее цилиндрической жесткости D [Патент РФ № 2144967].

Где может использоваться: При создании платформы предназначенной для движения транспорта или хранения грузов на ледяной поверхности любой гидросистемы в зимний период времени или в районах Земли с круглогодичной температурой ниже 0 ⁰С.

2.2.2. В данном методе используется компрессор 4, который через трубы 3 в отверстия 2 в ледяном покрове 1 закачивает холодный (t<0⁰C) атмосферный воздух, тем самым понижает температуру ледяного покрова, что приведет к увеличению прочности льда и исчезновению воздушных полостей подо льдом, что приведет к интенсивному увеличению прироста толщины льда. Тем самым несущая способность ледяного покрова повыситься [Патент РФ № 2170790].

Где может использоваться: При создании платформы предназначенной для движения транспорта на ледяной поверхности любой гидросистемы в районах Земли с перепадами температуры по толщине ледяного покрова от 0 ⁰С на нижней кромке до температуры окружающего воздуха на верхней кромке льда.

2.2.2.1. Данный метод является усовершенствованным по сравнению с 2.2.2. т.к. для увеличения несущей способности ледяного покрова используется ребра жесткости 4, которые образуют замкнутые по периметру области 5. После закачивания воздуха 7 в отверстия 6, воздух заполняет образованные области 5, тем самым повышает интенсивность нароста толщины ледяного покрова 1 [Патент РФ № 2161673].

Где может использоваться: При создании ледяной грузонесущей платформы предназначенной для хранения грузов на ледяной поверхности любой гидросистемы в районах Земли с перепадами температуры по толщине ледяного покрова от 0 ⁰С на нижней кромке до температуры окружающего воздуха на верхней кромке льда.

2.2.2.2. Данный метод является усовершенствованным по сравнению с 2.2.2.1. т.к. для увеличения несущей способности ледяного покрова в образовавшиеся области 5 закачивается воздух вместе с переохлажденным легким, мелкодисперсным, обладающим теплоизоляционными свойствами материал, например древесные опилки, что приводит к более интенсивному увеличению прочности нижнего слоя ледяного покрова 1 и соответственно к повышению несущей способности всей ледяной платформы [Патент РФ № 2193621].

Где может использоваться: При создании ледяной платформы повышенной грузонесущей способности предназначенной для хранения грузов на ледяной поверхности любого акватория в районах Земли с перепадами температуры по толщине ледяного покрова от 0 ⁰С на нижней кромке до температуры окружающего воздуха на верхней кромке льда.

2.2.3. Данный метод позволяет увеличить прочность нижних слоев льда посредствам помещения теплоизоляционного материала 3 через прорезь 2 и закреплении его вмораживанием кромки материала 4. После помещения такого материала произойдет уменьшение перепада температуры на верхней и нижней его поверхностях [5], тем самым температура нижнего слоя льда понизиться. Это увеличит прочность льда, а если материал изготовлен из непроницаемой для воды ткани и есть расстояние между льдом и материалом, то это приведет к интенсивному наросту толщины льда [Патент РФ № 2149945].

Где может использоваться: При создании платформы предназначенной для движения транспорта на ледяной поверхности акватория с подледным течением в районах Земли в зимний период времени.

2.2.Армирование

2.2.1. Данный метод решает задачу уменьшения прогибов льда, возникающих в ледяном покрове при действии на него внешних нагрузок при использовании ребер жесткости 3 образованных в результате выработки канавок 2 и действия низких температур [Патент РФ № 2141610].

2.2.1.2.

Данный метод является усовершенствованным по сравнению с 5.2.1. т.к. ребра жесткости 3 создаются путем вмораживания в ледяной покров стальных труб 5, что тем самым убирает необходимость очистки канавок 2 от снега и образовывает не только ребра жесткости под ледяным покровом, но и над ним, тем самым более эффективно повышает грузонесущею способность ледяной платформы [Патент РФ № 2171335].

Где могут использоваться: При создании ледяной грузонесущей платформы предназначенной для хранения грузов на ледяной поверхности любой гидросистемы в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.

2.2.3. Данный метод предлагает для создания безопасной переправы использовать стальные тросы 3, которые укладываются в ледяном покрове 1 по обеим сторонам от оси переправы в канавки 2 глубиной меньшей толщины льда и для предотвращения их утраты закрепляют концы троса на берегах 4 с помощью креплений 5. Тем самым нижний слой льда в составе ледяной переправы подвергается армированию, что приведет к возрастанию грузоподъемности последней [10]. Затем в канавках 2 сверлят сквозные отверстия 6 и после заполнения водой 7 и полного ее замерзания переправа готова к эксплуатации [Патент РФ № 2132898].

Где может использоваться: При создании ледяной переправы предназначенной для движения транспорта на речных акваториях в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.

2.3. Применение свай

2.3.1. В данном методе ледяную переправу создают посредством возведения на ледяном покрове 1 надстройки образованной посредством погружения в сквозные отверстия 3 стальных труб 4 с заваренным придонным концом. Трубы опускают на дно акватория, таким образом, чтоб их верхний не заваренный конец выступал над ледяной поверхностью. После воздействия отрицательной температуры на стальных трубах происходит интенсивное намерзание льда 6 [5] необходимой толщины h, для создания ледяных опор необходимых для создания надежной переправы 2. [ Патент РФ № 2135685]

2.3.2. Данный метод является усовершенствованным по сравнению с 2.3.1. т.к. он заключается в интенсивном уменьшении прогибов льда, возникающих в ледяном покрове 1 при движении по нему грузов за счет формирования под ледяным покровом ледяных опор (свай) 9 и водяных столбов 10, заключенные в замкнутые объемы, имеющие свойство не сжимаемости [8], которые будут вести себя при реальных нагрузках от транспортируемых по льду грузов, как абсолютно жесткие конструкции, что приведет к созданию безопасной переправы [Патент РФ № 2164975].

Где могут использоваться: При создании ледяной переправы предназначенной для движения транспорта и транспортировки грузов на акваториях без подледного течения в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.



2.3.3. Данный метод является усовершенствованным по сравнению с методом 2.3.2. т.к. он обеспечивает увеличение прочности соединения труб 4 с дном бассейна 5 и ледяным покровом 1. Это достигается в использовании труб концы, которых выполняют виде конусов, причем конус верхнего конца труб формируется под ледяным покровом.[Патент РФ № 2171331]

Где может использоваться: При создании ледяной переправы повышенной грузонесущей способности предназначенной для движения транспорта и транспортировки грузов на акваториях без подледного течения или с малым течением в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.

2.3.5.Данное изобретение для создания надежной ледяной переправы использует трубы 2, придонный конец которых предварительно заварен. Эти металлические трубы укладывают в летний период времени под углом б к горизонту на дно водоема 1 в местах въезда и съезда предполагаемой ледяной переправы так чтобы их, не заваренные концы, находились над ледяной поверхностью 3. Холодный воздух, поступая внутрь труб, вызывает их обледенение 4 и промораживание грунта 5 под трубами, тем самым произойдет смерзание ледяного покрова 3 с дном водоема 1, что обеспечит повышение прочности съезда и въезда ледяной переправы после установки специальных платформ 6 и 7 [Патент РФ № 2170789].

Где может использоваться: При создании ледяной переправы предназначенной для движения транспорта и транспортировки грузов на акваториях без подледного течения или с малым течением в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.

2.4. Гидродинамические методы (применение демпферов):

2.4.1. Данный метод может использоваться при создании надежной ледяной переправы u при наличии интенсивного течения, что достигается за счет увеличения прироста толщины льда 9. Для этого под ледяной покров 7 в сквозную прорезь 2 расположенную перпендикулярно течению, наклонно устанавливают пластину 3, имеющую на верхней кромке фланец 4 для закрепления ее на поверхности льда, а на нижней - полосу из непроницаемой ткани 5. Набегающий со скоростью х_в поток воды распрямляет ткань 5, а ее свободный край 6 прижимает к нижней поверхности ледяного покрова 7. В результате подо льдом формируется замкнутый объем 8, в котором отсутствует поступательное движение воды, что приведет к интенсивному нарастанию толщины льда 9 в этом месте [11]. После замерзания воды в прорезе 2 ледяная переправа готова к эксплуатации [Патент РФ № 2132900].

Где может использоваться: При создании ледяной переправы предназначенной для движения транспорта и транспортировки грузов на речных акваториях с интенсивным течением в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.

2.4.2. В данном методе ледяную переправу 2 создают посредством установки подо льдом демпферов 4, выполненных в виде прикрепленных ко льду с помощью фланцев 5 изогнутых пластин, уменьшающих под действием колебаний ледяного покрова 1 (положение 8) площадь гидравлического сечения от S₁ до S₂ мелководных водоемов с подводным течением. Появление на пути потока воды u гидравлического сопротивления приведет к уменьшению скорости

потока u и соответствующему повышению давления 9 в жидкости перед этим сопротивлением и наоборот [13]. В результате глубина впадины ИГВ 7 уменьшиться, что в свою очередь повысит несущую способность ледяной переправы 2 [Патент РФ № 2171332].

Где может использоваться: При создании ледяной переправы предназначенной для движения транспорта и транспортировки грузов на мелководных акваториях с интенсивным течением в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.

2.4.3.Данный метод направлен на увеличение несущей способности ледяной переправы за счет уменьшения амплитуды изгибно-гравитационных волн. Для этого под ледяным покровом 1 устанавливают волногасители в виде вертикальных проницаемых пластин 3, ориентированных перпендикулярно движения грузов. Известно, что при возбуждении гравитационных волн на границе раздела двух сред, в данном случае лед вода, частицы жидкости совершают круговые движения. Если на пути движения жидкость встречает препятствие в виде пластины с отверстиями, то жидкость при прохождении через нее оставит часть своей энергии в виде гидравлических потерь, и интенсивность гравитационной волны, а соответственно и ее амплитуда уменьшиться [51], а значит и уровень изгибных напряжений во льду. Тем самым, погасив волновые колебания воды, повышается несущая способность ледяной переправы [Патент РФ № 2132901].

Где может использоваться: При создании ледяной переправы предназначенной для движения транспорта и транспортировки грузов на любых акваториях в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.

2.4.4. Данный метод направлен на увеличение несущей способности ледяной переправы за счет установки подо льдом и крепления к нему с помощью вертикальных штанг, на глубину при которой можно пренебречь волновым колебаниям воды [50], демпферов 3, выполненных в виде горизонтальных пластин, гасящих вертикальные колебания льда. Вследствие этого ИГВ, возбуждающимся грузом, уменьшиться, что приведет к уменьшению изгибных напряжений во льду и к соответственному увеличению несущей способности ледяного покрова. Для облегчения установки демпферов со штангами можно конструктивно выполнить в виде раскрывающегося зонта 5 [Патент РФ № 2137877].

Где может использоваться: При создании ледяной переправы предназначенной для движения транспорта и транспортировки грузов на глубоководных акваториях с подледным течением в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.

2.4.5. Данный метод может быть использован для создания надежной переправы на мелководных водоемах, когда волновые колебания воды распространяются по всей глубине водоема [51]. Это достигается путем погружения демпферов 4 на глубину, при которой скорость подледного течения в водоеме максимальна. При этом происходит уменьшение амплитуды ИГВ, возбуждаемых движущимся грузом, что приведет к уменьшению изгибных напряжений во льду и соответственному повышению несущей способности ледяной переправы [Патент РФ № 2171334].

Где может использоваться: При создании ледяной переправы предназначенной для движения транспорта и транспортировки грузов на мелководных акваториях с подледным течением в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.

2.4.6. Данный метод может быть использован для создания надежной переправы посредствам установки подо льдом демпферов, имеющих якоря на жестких опорах пластин достающих до дна акватория. Причем пластина имеет возможность поворота под углом к вектору скорости подледного течения под действием колебаний ледяного покрова. Если над пластинами будет проходить подошва ИГВ созданная движущийся нагрузкой, то пластина повернется на угол по часовой стрелке что приведет к возникновению подъемной силы[50], направленной в противоположную сторону, т.е. в верх и наоборот, что будет уменьшать амплитуду ИГВ [50], т.е. уровень изгибных напряжений, что увеличит несущею способность ледяного покрова [Патент РФ № 2171333].

Где может использоваться: При создании ледяной переправы предназначенной для движения транспорта и транспортировки грузов на мелководных акваториях с подледным течением в районах Земли в зимний период времени с температурой ниже 0⁰С.

Выводы:

Обобщая результаты экспериментальных исследований изложенных в Главе I, мы можем сделать следующие общие выводы:

Ледяной покров в целом, как естественная конструкция, несущая нагрузку, может при одних условиях воздействия нагрузки рассматриваться как упругое тело, при других условиях - как пластичный материал.

При кратковременном действии неподвижной нагрузки и при
подвижной нагрузке ледяной покров ведет себя как упругое тело.

Прогибы льда под нагрузкой зависят от веса нагрузки при не-которой постоянной толщине льда и при определенных свойствах
(структура, модуль упругости) ледяного покрова.

Рассмотрение удара груза о ледяной покров представляет
практический интерес как при изучении момента посадки самолета на
лед, когда может иметь место явление удара о поверхность льда, так и
при исследовании ударов быстро движущегося груза о неровности поверхности ледяного покрова и в других аналогичных случаях. При ударе груза о лед величина деформаций в момент удара очень мала, однако
скорость деформации весьма значительна, так что в результате может
наступить хрупкое разрушение льда. Поэтому в случае ударного дейст-вия нагрузки на лед следует опасаться разрушения ледяного покрова,
несмотря на отсутствие больших деформаций прогиба. Наступление
хрупкого излома льда, естественно, ведет к немедленному погружению
расколовшейся части льда вместе с грузом в воду. Хрупкое разрушение
ледяного покрова может происходить не только под влиянием чисто
ударной нагрузки.

Иногда оно наблюдается и при движущихся по льду грузах, являясь причиной весьма неожиданных аварий и провалов грузов под лед, не-смотря на достаточную, с точки зрения расчета на статический изгиб, толщину льда.

5. Основным фактором, определяющим появление упругой или пластической деформации в ледяном покрове, является длительность действия нагрузки в данной точке. Поэтому целесообразно различать следующие основные режимы нагрузки:

-неподвижную весьма длительного действия нагрузку на лед, ха-рактеризующуюся появлению прогибов от пластической деформации;

-неподвижную кратковременную нагрузку на льду, при которой деформацию льда можно считать упругой;

-медленное движение грузов, характеризующееся тем, что кривая изгиба ледяного покрова близка к форме кривой изгиба от статической нагрузки, но с уменьшенными ординатами прогиба;

-быстрое движение грузов при скоростях меньше скорости сво-бодных длинных волн, характеризующееся тем, что выявляется роль свободных волновых колебаний жидкости под ледяным покровом и кривая деформации ледяного покрова имеет видоизмененную форму (с характерной для этого случая движения волной вспучивания; впереди чаши прогиба);

Опыты показывают, что при относительно небольшой скорости перемещения груза наблюдается уменьшение ординат кривой прогибов под грузом, при сохранении общей формы кривой деформации. По мере увеличения скорости движения груза на форме кривой изгиба ледяного покрова ска-зывается влияние волновых движений воды под ледяным покровом.

С увеличением скорости движения возрастают величины проги-бов и действующих в ледяном покрове напряжений. Согласно опытным данным максимальные прогибы в ледяном покрове наблюдаются при скорости движения нагрузки, равно скорости распространения свобод-ных длинных волн, определяемой для мелких водоемов формулой Лагранжа: , где H- глубина водоема.

Когда скорости движения нагрузки меньше скорости распростра-нения плоских длинных волн, вызываемые нагрузкой прогибы (а следо-вательно, и напряжения в ледяном покрове), убывают по мере удаления от центра давления (или приблизительно от места при-ложения нагрузки, поскольку центр давления не совпадает с равнодей-ствующей приложенной нагрузки). При этом деформация ледяного по-крова имеет характер местного возмущения и в общих чертах (в смысле упругой поверхности) остается почти такой же, как и при неподвижной нагрузке.

В условиях северных регионах нашей страны, а также там, где зимняя температура ниже 0 ⁰С не достаточно применять стандартные методы для увеличения несущей способности ледяного покрова (очистка от снега, полив водой, настил бревен и т.п.), с связи с выше установленными закономерностями.

Поэтому для более эффективного увеличения прироста толщины льда или уменьшения ИГВ возбуждаемых движущийся нагрузкой целесообразно применять следующие способы :

-Уменьшение температурного градиента по толщине льда приведет к увеличению последней, что приведет к увеличению цилиндрической жесткости ледяного покрова и соответственно к повышению несущей способности переправы.

-Применение свай, для создания жестких ледяных опор упирающихся в дно бассейна акватория и подпирающие ледяной покров снизу своей верхней частью, позволят уменьшить деформации и изгибное напряжение в ледяном покрове, возникающие при движении по нему грузов большого веса или хранения их, т.е. повысить надежность ледяной переправы.

-Армирование ледяной поверхности посредством стальных тросов и ребер жесткости применение которых увеличит прочность льда на изгиб.

-Применение разнообразных демпферов, которые при установке вдоль направления движения грузов будут уменьшать амплитуду ИГВ, а значит и уровень изгибных напряжений во льду.

Библиографический список:

1.Аполлов Б. А. Учение о реках / Аполлов Б. А. - М.: Изд-во МГУ, 1951.- 352с.- ISBN 5-691-00090

2.Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада. - Владивосток.: ИАПУ, 1993. - 44с.

3.Благовещенский С.Н. Качка корабля / Благовещенский С.Н.-Л .: Судпромиз, 1954,.-520с.- ISBN 5-691-00767

4.Песчанский И.С. Ледоведение и ледотехника / Песчанский И.С.-Л.: Морской транспорт.-1963.-345с.

5.Богородский В.В. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии / В.В.Богородский, В.П.Гаврилов. - Л.: Гидрометеоизд., 1981.- 584с. - ISBN 5-691-05785

6.Феодосьев В.И. Сопротивление материалов / Феодосьев В.И.- М.: Наука, 1986.-512с.

7.Богданов В.Б. Опыт эксплуатации ледоочистительной приставки типа ЛП-18: Передовой опыт и новая техника, Научно техн.об./Богданов В.Б.-М.: Транспорт,1980.-176c.

8.Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа/Лойцянский Л.Г. - М.: Наука, 1978. -736 с. - ISBN 5-691-000187

9.Иванов К.Е. Грузоподъемность ледяного покрова и устройство дорог на льду/ Иванов К.Е. - Л.:Главсевморпуть, 1949.-182с.

10.Корнеев Б.Г. Вопросы расчета балок и плит на упругом основании

/ Корнеев Б.Г. - М.:Стройтэдат,1954.-192c.

11.Бутягин И.П. Прочность льда и ледяного покрова / Бутягин И.П.- Новосибирск : Наука, 1966.-153с. - ISBN 5-691-000985

12.Альтшуль А.Д. Гидравлическое сопротивление /Альтшуль А.Д.-М.:Стройизд,1973.-134c. - ISBN 5-691-000565

13.Башта Т.М. Гидравлики, гидромашины и гидроприводы / Башта Т.М.-М.: Машиностроение,1982.-424с. - ISBN 5-691-000641

14.Башаринов A. E. Результаты наблюдения теплового радиоизлучения земной поверхности по данным эксперимента на
ИСЗ «Космос-243»: Космические исследования / Башаринов A. и др.
-М.:Машиностроение,1987.-268с.
15.Берденников В.П. Изучение модуля упругости льда/ Берденников В.П. и др.- М.:Машиностроение, 1948.-123с.

16.Бернштейн С.А.Ледяная железнодорожная переправа: работа, теория и
расчет ледяного слоя/ Бернштейн С.А. - М.: Транспечать, 1929.-42с.

17.Близняк Е. В. Гидрология и водные исследования / Близняк Е. В. - М.:Речиздат, 1946.- 428 с. - ISBN 5-691-001007

18.Богородский В. В. Упругие характеристики льда / Богородский В. В.// Акустический журнал.- 1958.- т. 4, вып. 1.- 313с.

19. Богородский В. В. Физические методы исследования ледников / Богородский В. В. - Л.: Гидрометеоиэдат, 1968.- 214с.

20.Богородский В. В. О нелинейных эффектах при разрушении льда в жидкости: Труды ААНИИ / Богородский В. В., Гаврило В. П., Гусев А. В.-М.: Транспечать,1970.-165c. - ISBN 5-691-007894

21.Богородский В. В. Радиотепловое излучение земных покровов/, Богородский В. В., Козлов А. И., Тучков Л. Т.- Л.: Гидрометеоиздат, 1977.- 223с. - ISBN 5-691-007809

22. Браун Д. X. Лед и снег: Упругость и прочность морского льда / Браун Д. X. - М.: Транспечать,1966.- 480c.

23. Брегман Г.Р.Ледяные переправы / Брегман Г.Р. - Свердловск: Гилпометеоичлат., 1943.- 151с. - ISBN 5-691-006009

24.Войтковский К. Ф. Механические свойства льда / Войтковский К. Ф. - М.: Изд-во АН СССР, 1960.-190с. - ISBN 5-691-008967

25.Войтковский К. Ф. Зависимость механических свойств льда от его структуры / Войтковский К. Ф. - Л.: Транспечать,1972.-389с. - ISBN 5-691-78

26.Таврило В. П. Радиальные колебания ледяной сферы в воде /Таврило В. П. - Труды ААНИИ, 1970.-137c.

27.Зубов Н.Н. Льды Арктики / Зубов Н.Н. - М.: Изд-во Главсевморпути, 1945. - 360с. - ISBN 5-691-008756

28. Зубов Н.Н. Основы устройства дорог на ледяном покрове / Зубов Н.Н. - М.: Гидрометеоиздат, 1942. - 74с.

29.Иванов К.Н. Деформация ледового покрова при движении грузов/ Браун Д. X. // Журнал технической физики.-1946.- т. 16, -262c.

30. Иванов К.Е. Грузоподъемность ледяного покрова и устройство дорог на льду / Иванов К.Е. - М.: Изд-во Главсевморпути, 1949. - 182с.

31.Качанов Л. М. Основы механики разрушения / Качанов Л. М. - М.: Наука, 1974. - 310с. - ISBN 5-691-008097

32.Кашкин Н.Н. Исследование работы ледяных аэродромов под нагрузкой от самолета / Кашкин Н.Н. - М.: ОНТИ НКТП, 1935. - 48с.

33.Козин В.М. О влиянии формы поперечной нагрузки на напряженно-деформированное состояние бесконечной ледяной пластины / Козин В.М. - Горьковск., 1989.-126c.

34.Лавров В.В. Деформация и прочность льда /Лавров В.В и др.-Л.:Гидрометеоизд,1969.-206с. - ISBN 5-800-008097

35.Лебедев А.И. Влияние ледяного покрова на распространение поверхностных гравитационных волн в вязкой жидкости / Лебедев А.И. - Севастополь: МГИ АН УССР, 1969.-126с.

36. Близняк Е. В. Инженерная гидрология / Близняк Е. В. - М. Речиздат, 1939.- 228 с. - ISBN 5-801-002131

37.Сериков М.И. Определение модуля упругости льда резонансным методом//Проблемы Артики.-1959.- вып.6.-123c.

38.Смирнов В.Н. Некоторые вопросы натурального исследования деформаций и напряжений в ледяном покрове: Труды ААНИИ.-Л.:Гидрометеоизт,1976.-140c.

39.Петров И.Г. Выбор наиболее вероятных значений механических характеристик льда: Труды ААНИИ.-Л.: Гидрометеоизт,1976.-141с.

40.Ранелс Л.К. Явление диффузии и релаксации во льду: Физика льда. Обзор докладов междунар.симп.9-14 сентября 1968г. в г.Мюнхене.-Л.1973.-124с.

41.Седов Г.Я. Перевозки по льду предметов большого веса / Седов Г.Я. - М.: Водный транспорт,1926. 146c. - ISBN 5-801-006754

42.Сытинский А.Д. Некоторые результаты исследований естественных колебаний ледяных полей Центральной Артики.-Красноярск:Наука,1964.-615с. - ISBN 5-50178-006754

43.Гаврило В.П. Радиальные колебания ледяной сферы в воде / Гаврило В.П. - Труды АНИИ, 1970.-137c.

44.Коржавин К.Н. Особенности физико-механических свойств пресноводного льда// Труды координационных совещаний по гидротехнике.-М.-1964.-334c.

45.Корунов М.М. Расчет ледяных переправ / Корунов М.М.-М.:Гослестехиздат,1940,-83с. - ISBN 5-800-006754

46.Панов В.В. Прочность образов соленого льда на сжатие в условиях сложного нагружения / Панов В.В.- М.: Проблемы Арктики и Антарктики,1977.-186c.

47.Панфилов Д.Ф. К расчету грузоподъемности ледяного покрова при стоянке грузов на льду//Известия вузов СССР, cтроительство и архитектура.-1961.-57c.

48.Шилов Н.Л. О прочности льда / Шилов Н.Л.-М.: Метеорология и гидрология,1947.-73c. - ISBN 5-800-005679

49.Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности / Самуль В.И. - М.: высшая школа, 1982.-264с.

50.Войткуновский Я.И. Сопротивление движению судов / Войткуновский Я.И. - Л.:Судостроение-1988.-287с.

51.Сретенский Л.Н. Теория волновых движений жидкости / Сретенский Л.Н. -М.: ОНТИ,1936.-234c.