河冰宏细观力学特性与断裂破坏机理研究

The change of micro-cracks in ice body is the main cause of complex macroscopic behavior of river ice. It is helpful to explain the macroscopic fracture mechanics behavior during break-up period by studying the mechanism of internal micro-cracks extending. In recent years, some results have been achieved in the ice micromechanics，but it needs to be further improved that the study of the theorys and methods of river ice material mechanics. This subject intends to study the evolution mechanism of ice fracture at multi-scale level by combining field observation, indoor tests, theoretical analysis and numerical simulation technology. The natural river ices of Yellow River are chosen as object in frozen period. In order to obtain the basic physical and mechanical parameters of river ice in different temporal and spatial conditions, the microstructure tests and basic mechanical performance tests of Yellow River ice need to be carried out. The influence of mesoscopic components of river ice on macroscopic cracking needs to be analyzed，the mesoscopic numerical model of river ice needs to be established，the representative bodys of mesoscopic structure and macroscopic calculation strength need to be determined . Based on the asymptotic expansion technology and homogenization theory, the equivalent mechanical parameters representing macroscopic mechanical properties of river ice can be obtained. So, a macro calculation model of river ice can be constructed to reveal the fracture failure mechanism of river ice. This expected results have important academic significance to deepen fracture micro-mechanism of river ice and develop mesoscopic ice mechanics theory. At the same time, the intended results also provide scientific basis in promoting river forecast and ice disaster prevention and mitigation.

河冰复杂的宏观力学性能与其内部细观结构密切相关，从细观尺度出发对河冰开裂与扩展机理的研究将有助于从本质上解释河冰开河期的宏观断裂力学行为。本项目拟采用野外现场观测、室内试验、理论分析和数值模拟技术相结合的方法，以黄河河道内封冻期的天然河冰作为研究对象，在多重尺度上对河冰开裂过程的演变机理进行研究。内容包括：（1）开展河冰的细观结构试验与基本力学性能试验，获取不同时空境况下河冰的基本物理力学参数；（2）明晰河冰细观组分的变化对宏观断裂破坏的影响，建立河冰细观数值模型，分析并确定河冰材料的细观结构代表体与宏观计算强度代表体；（3）基于渐进展开技术与均匀化理论，获取表征河冰宏观力学性能的等效力学参数；（4）构建河冰宏观计算模型，揭示河冰断裂破坏机理。预期成果对深化河冰开裂破坏过程的认识，发展细观冰力学理论具有重要的学术意义。同时，也能为河道开河预测预报及冰凌防灾减灾工作提供科学依据。

河冰是一种特殊的材料，其复杂的宏观力学性能与其内部细观结构密切相关，从细观尺度出发对河冰开裂与扩展机理进行研究将有助于从本质上解释河冰开河期的宏观断裂力学行为。本项目以黄河河道内封冻期的天然河冰作为研究对象，在多重尺度上对河冰开裂过程的演变机理进行研究。明晰细观尺度上黄河冰的细观结构特征，分析并确定河冰在不同温度和荷载作用下的基本力学性能参数和断裂性能参数；基于渐进展开技术与均匀化理论，获取表征河冰宏观力学性能的等效力学参数；构建河冰宏观计算模型，揭示河冰断裂破坏机理。. 从整体上看，黄河冰晶体细观结构可分为三种类型：柱状冰结构、粒状冰结构、柱状冰与粒状冰交替变化结构。依据现有冰样细观观测试验的统计可知，黄河冰晶等效直径大致在0.05mm-75mm之间变化，冰晶粒数量在2mm-3mm之间达到最高值，随着冰晶粒尺寸的不断增加，冰晶粒数量逐渐减少。其中，等效直径为2mm的冰晶粒比重最大，为24.53%，等效直径为2mm-5mm的冰晶粒占比较为集中，达到了75.62%，等效直径大于15m的柱状冰占比为1.74%。在现有的试验条件下，黄河冰的单轴压缩强度主要集中在4MPa～6MPa，通过巴西圆盘劈裂试验测试的断裂韧度值主要集中在40kPa·m1/2~90kPa·m1/2，劈拉强度主要集中在0.3MPa～0.6MPa，通过断裂韧性试验测试的断裂韧度值主要集中在30kPa·m1/2~130kPa·m1/2，其中，粒状冰断裂韧度值偏小，而柱状冰的断裂韧度值相对偏大。利用均匀化理论，获取了河冰宏观计算的等效参数，并确定了黄河冰宏观力学性能强度代表体尺寸为250mm。采用区域分解方法建立了河冰的宏细观断裂数值模型，模拟了不同尺寸下河冰的开裂过程，并分析了河冰断裂的尺寸效应，引用边界效应理论，通过回归分析推算出了黄河冰材料不受试样尺寸影响的断裂韧度参考值范围，KIC=240.07kPa.m1/2~262.39kPa.m1/2。. 基于本项目研究成果，发表科技论文19篇（其中SCI/EI共11篇），申请专利4项，申请软件著作权3项。研究成果不仅有助于解决我国黄河冰物理、冰力学基础理论研究的瓶颈问题，同时对河道开河期的预报和冰灾防治工作也具有重要的现实意义。