О взаимодействии речного льда с опорами мостов (обзор)

   В рамках государственной программы по освоению Арктической зоны Российской Федерации планируется строительство новых мостов и различных гидротехнических сооружений. Для освоения данных территорий ежегодно сооружается большое количество ледовых переправ и зимников, поскольку большинство низовьев больших (судоходных) рек Сибирского и Дальневосточного регионов находятся в суровых климатических (северных) условиях. В связи с этим в статье выполнен обзор работ по оценке ледовых воздействий на опоры мостов и других искусственных сооружений. Кроме того что пресноводный лед по своим физико-механическим свойствам и кристаллическому строению значительно отличается от морского, лед в верховье и низовье одной и той же реки также может различаться ввиду неопределенного количества притоков различного химического состава. По этой причине проблема взаимодействия ледяных полей и опор мостов, подходов к оценке прочности речного и «технического» льда весьма актуальна и обширна. В статье рассмотрены различные механизмы разрушения пресноводного льда при его контакте с поверхностью опоры моста на реках, протекающих по территории Российской Федерации. Приведены схемы образования вертикальных и горизонтальных трещин в зоне контакта льда и опоры. Также отмечена необходимость учета масштабного эффекта, оказывающего значительное влияние на результаты оценки прочностных характеристик льда. Рассмотрены как существующие инженерные методы расчета и моделирования работы льда по нормативной документации, так и уточненные методы, учитывающие анизотропию физических свойств льда, его упругопластическую работу и фазовые переходы при деформировании. Отмечены перспективные подходы к построению критериев прочности льда, показаны возможные пути дальнейших исследований.

1. Ice Research laboratory // Tayer school engineering at Dartmouth : [сайт]. 2024. URL: htths://icelab.engineering.dart-mouth.edu (дата обращения: 18. 03. 2024).

2. Васильев Н. К., Иванов А. А., Шаталина И. Н. Методы упрочнения и армирования льда для конструкций гидротехнических сооружений из ледяных и льдогрунтовых композитов // Вестник НГУ. Серия математика, механика, информатика. 2013. Т. 13, № 3. С. 31–37.

3. Нелинейные модели механики сплошных сред в расчетах конструкций гражданских и транспортных объектов / В. М. Круглов, Л. Ю. Соловьев, К. В. Королев, А. Н. Донец ; Сибирский государственный университет путей сообщения. Новосибирск: Издательство СГУПС, 2024. 389 с.

4. Коржавин К. Н. Воздействие льда на инженерные сооружения. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1962. 203 с.

5. ААНИИ. Арктический и антарктический научно-исследовательский институт : [сайт]. URL: https://www.aari.ru (дата обращения: 18. 03. 2024).

6. Исследование влияния скорости деформирования при испытаниях пресноводного льда на прочность при раскалывании, сжатии и трещиностойкости / С. А. Новиков [и др.] // Сборник материалов III Научной конференции Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения». Саров, 2004. Т. 2. С. 882−896.

7. Grats E. T., Schulson E. M. Preliminary observations of brittle compressive failure of columnar saline ice under triaxial loading // Annals of Glaciology. 1994. Vol. 19. P. 33−38.

8. Постников П. М. Взаимодействие ледяных полей с гидротехническими сооружениями и опорами мостов в низовьях рек Сибири и Севера : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Постников Павел Михайлович. Новосибирск, 1986. 195 с.

9. Птухин Ф. И. Статистический метод оценки масштабного эффекта у льда // Известия СО АН СССР. 1964. № 6, вып. 2. С. 70–79.

10. Птухин Ф. И., Бутягин И. П. О причинах и количественной оценке масштабного эффекта у льда // Вопросы гидротехники. Новосибирск, 1972. Вып. 47. С. 112–121.

11. Лавров В. В. Деформация и прочность льда. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1969. 206 с.

12. Цуприк В. Г. Законы разрушения кромки ледового покрова при его взаимодействии с поверхностью опоры // Проблемы освоения георесурсов Дальнего Востока. Москва: Горная книга, 2014. Вып. 6. С. 114–133.

13. Коржавин К. Н. Работы ледорезов мостовых опор в условиях ледохода сибирских рек // Труды НИИВТа. Томск, 1938. Вып. 3.

14. Афанасьев В. П., Долгополов Ю. В., Швайштейн З. И. Давление льда на морские отдельно стоящие опоры // Труды ААНИИ. 1971. № 300. С. 101–104.

15. Croasdale K. R., Morgenstern N. R., Nuttall J. B. Indentation tests to investigate ice pressures on vertical piers // Journal of Glaciology. 1977. Vol. 19, No. 81. Р. 309–312.

16. Hyrayama K., Schwarz I., Wu H.C. Ice forces of vertical pile: indentation and penetration // Proc. IAHR Ice Symp. Hanover, New Hampshire, USA, 1975. Р. 429–441.

17. Цуприк В. Г. Об учете влияния диаметра опор и толщины льда при определении ледовой нагрузки на гидротехнические сооружения шельфа // Исследования морских гидротехнических сооружений для освоения шельфа. Ленинград: Издательство ЛПИ, 1980. С. 84–94.

18. Kärnä T., Järvinen E. Symmetric and asymmetric flaking prosses // Proc. 15^th Intern. Conf. on Port and Ocean Eng. under Arctic Cond. (POAC-99). Helsinki, Finland, 1999. Vol. 3. Р. 988–1000.

19. Методические указания по определению ледовых нагрузок на опоры мостов / АО ЦНИИС. Москва, 1993. 170 с.

20. Булатов С. Н. Прочность льда и ледяного покрова. Новосибирск: Наука, 1966. 154 с.

21. Коржавин К. Н. Исследование механических свойств речного льда // Труды НИИВТа. Новосибирск, 1940. Т. 4, вып. 2. 35 с.

22. Витман Ф. Ф., Шандриков Н. П. Некоторые исследования механической прочности льда // Труды Арктического института. Ленинград, 1938. Т. 110. С. 83–100.

23. Пинегин В. Н. Предварительное сообщение об исследовании прочности речного льда в связи с температурными изменениями // Вестник сибирских инженеров. Томск, 1924. Т. 4. С. 13–24.

24. Арнольд-Алябьев В. И. Исследование прочности льда Финского залива 1923, 1927 и 1928 гг. // Известия ГГО. Ленинград, 1929. № 2. С. 15–28.

25. Петров И. Г. Выбор наиболее вероятных значений механических характеристик льда // Труды ААНИИ. Ленинград, 1976. Т. 331. С. 4–41.

26. A phenomenological high strain rate model with failure for ice / K. S. Carney [et al.] // International Journal of Solids and Structures. 2006. No. 43. P. 7820–7839.

27. Sain T., Narasimhan R. Constitutive modeling of ice in the high strain rate regime // International Journal of Solids and Structures. 2011. No. 48. P. 817–827.

28. Numerical modeling of ice behavior under high velocity impacts / J. Pernas-Sanchez [et al.] // International Journal of Solids and Structures. 2012. No. 23. P. 32–45.

29. A phenomenological high strain rate model with failure for ice / K. S. Carney [et al.] // International Journal of Solids and Structures. 2006. No. 43. P. 7820–7839.

30. Хилл Р. Математическая теория пластичности. Москва, 1956. 467 с.

31. Филоненко-Бородич М. М. Механические теории прочности. Москва, 1961. 91 с.

32. Круглов В. М., Томилов А. А., Сачков И. В. Об оценке прочности льда в трехосном напряженном состоянии // Транспортное строительство. 2015. № 9. С. 13–17. URL: https://rucont.ru/efd/487694 (дата обращения: 22. 03. 2024).

33. Круглов В. М., Смолянин А. Г. Критерий прочности льда в плоском напряженном состоянии // Гидротехническое строительство. 2017. № 10. С. 48–50. EDN: ZQJLAN.