Способ определения прочности льда в натурных условиях Российский патент 2019 года по МПК G01L1/02 

Способ определения прочности льда в натурных условиях относится к ледоведению и ледотехнике. Результаты такого определения необходимы при проектировании ледостойких гидротехнических сооружений, обеспечении ледового плавания и несущей способности ледяного покрова.

Известен способ определения прочности образцов льда при одноосном сжатии, которые извлекаются из ледяного покрова и изготавливаются в виде цилиндров или призм в соответствии с требованиями строительных норм и правил [1]. Прочность образцов льда при одноосном сжатии определяется из соотношения: σ_с=F/S₀, где F - разрушающая сила, S₀ - площадь поперечного сечения образца. Испытания образцов льда проводятся в прессах различных конструкций.

Недостатком способа является то, что образцы льда извлекаются из ледяного покрова, приготовление к испытаниям проводится в условиях открытого воздуха и при воздействии солнечной радиации, что приводит к изменению характеристик прочности образцов. Кроме того, изготовление образцов льда требует длительного времени и является трудоемким процессом, что осложняет проведения статистически значимого числа испытаний.

Известен способ определения физико-механических характеристик ледовых образований в натурных условиях в скважинах [2, 3], принятый за прототип, который позволяет проводить испытания прочности льда при внедрении индентора в стенку скважины с одной стороны при распирающем воздействии гидроцилиндра и ограничении движения гидроцилиндра опорной плитой с другой стороны. Опорная плита имеет площадь в десять раз превосходящую площадь индентора. Такой способ позволяет определять локальную прочность льда в натурных условиях и получить статистически значимое количество измерений. Напряжение внедрения индентора в лед определяется из соотношения σ_и=F/S_и=PS_п/S_и, где F - сила внедрения индентора, S_и - площадь поперечного сечения индентора, Р - давление в рабочей камере гидроцилиндра, S_п - площадь поршня в рабочей камере гидроцилиндра. Прочность льда при испытаниях в скважине определяется как максимальное напряжение σ_л, достигнутое при максимальной силе F_max внедрения индентора в лед.

Недостатком способа является то, что при испытаниях определяется прочность льда при внедрении индентора в стенку скважины при стесненных условиях, что отличается от прочности, получаемой на образцах льда. Все расчеты при проектировании ледостойких гидротехнических сооружений в соответствии со строительными нормами и правилами привязаны к испытаниям образцов льда на одноосное сжатие, что не дает возможности использовать получаемые данные напрямую.

Технический результат заключается в повышении точности измерений прочности льда и достигается путем проведения статистически значимого количества измерений прочности льда в натурных условиях в скважинах (локальная прочность) и определения прочности ограниченного количества образцов, подготовленных из льда, вырезанного в месте проведения испытаний. При этом сопоставляются прочность льда σ_л, полученная в натурных условиях в скважинах при помощи зонд-индентора и прочность образцов льда σ_с, полученная при испытаниях на одноосное сжатие в прессе, и таким образом определяется коэффициент сравнения К из соотношения K=σ_л/σ_с. Это соотношение позволяет пересчитать локальную прочность льда, получаемую в натурных условиях на прочность, получаемую на образцах льда.

Способ применяется следующим образом. На поверхности ледяного покрова разбивается полигон в виде равномерной сетки с заданным шагом, в узлах сетки пробуриваются скважины, в которых осуществляется определение локальной прочности льда σ_л на выбранных уровнях по толщине ледяного покрова, и проводят осреднение измерений прочности для каждого уровня для всего полигона. Далее в центре полигона в непосредственной близости от одной из скважин вырезается блок льда на всю толщину ледяного покрова. Блок льда извлекается из ледяного покрова и укладывается на боковую грань. На противоположной грани производят разметку по уровням, совпадающим с уровнями проведения испытаний зонд-индентором в скважине. На каждом уровне выбуриваются не менее трех образцов льда керноотборником. Для сравнения результатов испытаний площадь поперечного сечения кернов должна быть соизмерима с площадью индентора. Далее для получения параллельности торцевых граней керны обрезаются на специализированном станке, а геометрические размеры образцов льда должны соответствовать требованиям строительных норм и правил [1]. После приготовления образцы испытывают в прессе и определяют напряжение разрушения σ_с. Далее производят осреднение σ_с по не менее трем испытаниям, полученным на каждом уровне, и проводят определение коэффициента сравнения из соотношения K=σ_л/σ_с.

Образцы льда можно изготавливать не только в виде цилиндров, но и в виде призм, вырезая призмы цепной пилой.

На основании испытаний, проводимых в скважине и на образцах, рассчитывают коэффициент сравнения К, которым можно пользоваться для перевода локальной прочности льда, полученной в скважинах, в прочность образцов льда, отобранных из ледяного покрова.

Использованные источники

1. СНиП 2.06.04-82^*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). М.: Стройиздат, 1995. 46 с.

2. Ковалев С.М., Никитин В.А., Смирнов В.Н., Шушлебин А.И. Способ определения физико-механических характеристик ледовых образований в натурных условиях в скважинах. Патент на изобретение №2348018, 2009.

3. СП 11-114-2004. Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений России. М.: Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ФГУП «ПНИИИС») Госстроя России, 2004. 88 с.

Заявленный способ определения прочности льда в натурных условиях относится к ледоведению и ледотехнике. Заявленный способ определения прочности льда в натурных условиях заключается в определении локальной прочности льда в скважинах и прочности образцов льда, при этом прочность льда в скважинах и на образцах определяется в непосредственной близости друг от друга, а образцы льда отбираются из блока льда, вырезанного на всю толщину ледяного покрова и на уровнях, совпадающих с проведением испытаний в натурных условиях в скважинах. Технический результат заключается в повышении точности измерений прочности льда и достигается путем проведения статистически значимого количества измерений прочности льда в натурных условиях в скважинах (локальная прочность) и определения прочности ограниченного количества образцов, подготовленных из льда, вырезанного в месте проведения испытаний.

Способ определения прочности льда в натурных условиях, заключающийся в определении локальной прочности льда в скважинах и прочности образцов льда, отличающийся тем, что прочность льда в скважинах и на образцах определяется в непосредственной близости друг от друга, а образцы льда отбираются из блока льда, вырезанного на всю толщину ледяного покрова и на уровнях, совпадающих с проведением испытаний в натурных условиях в скважинах.