渤海沿岸和船舶冰情调查中冰物理及单轴压缩强度测试技术研究

江崇波, 郭可彩, 曹丛华, 李志军

(1.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266033; 2.国家海洋局 北海预报中心, 山东 青岛 266033; 3.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024)

我国渤海冬季海冰给海上运输和相关海上结构物的安全构成了严重威胁。自20世纪初以来，渤海已发生过多次严重冰情。目前在全球变暖的形势下，似乎冰情在减弱，但2009-2010年冬季渤海冰情为近30 a同期最重，给渤海沿岸地区造成超过60亿元的直接经济损失[1-2]。海冰与工业和渔业活动的相互作用是产生灾害的根源[3]。就海冰作为海洋环境因子而言，海冰出现的时间、地点、厚度、强度等等行为决定冰作用力[4]。在近岸海冰冰情调查方面，国家海洋局有关单位拥有相当的实力，北海分局所属单位也发挥着核心作用并且也在海冰监测、预报、预警方面为国家海洋局相关单位及渤海、黄海北部海区从事海洋生产活动的各单位及时发布海冰预报、预警信息，为相关单位的防冰减灾工作提供理论依据；为近海工程设计提供冰设计参数和其它设计环境条件[5]。但北海分局所属单位在渤海海上冰情现场调查技术方面相对薄弱，特别是冰物理和力学性质调查能力过去几乎为零。近年来北海分局在国家海洋局的支持下，新购置了海冰强度试验机和冰样温度、盐度、密度等测试设备。这些设备同20世纪70～80年代发展的冰物理和力学性质测试设备有了长足的改进[6]，增加了计算机记录体系，密度传感器测量，压力机灵活机动。保证了在现场沿岸和船舶调查时的可操作性。2010-2011年和2011-2012年冬季，在黄河口海域采集冰样，开展了冰物理和单轴压缩强度测试，获得了初步结果，积累了对冰密度和单轴压缩强度测试技术的认识。本研究对新型测试技术存在的问题进行总结并给出解决方法，它们能够为未来沿岸，特别是船舶海冰物理和力学性质现场调查提供技术支持。

1 现场冰坯采集和冰样加工

固定冰采样时间一般为盛冰期。固定冰多数存在于港池，水湾，潮沟等平静水体的地方。因为固定冰面积较大，采集的冰坯只是其中的一小部分，因此需要从固定冰上取出从表到底的一大块冰坯来。携带和方便使用的工具是链条锯。实践中发现，电动链条锯的操作优于汽油链条锯，但需要电源。实践还发现，在冰面找一个地方，放置小型发电机很容易，布放电缆也不存在问题。图1是在固定冰面上采集冰坯的工作照。

由于固定冰不发生水平运动，可以考虑冰晶体C-轴方向对冰单轴压缩强度的影响。现场采样冰坯前用罗盘测定方向，然后用直尺划线割取冰坯。为了解冰坯原始的物理结构状态，取冰坯时，还采集平整冰盐度和密度垂直剖面试样。

图1从固定冰中切割冰坯Fig.1 Cutting ice blocks from fast ice

搁浅冰区域一般冰面湿滑且崎岖不平，冰层厚度不均，并隐藏有大量缝隙，冰面随时可能崩塌和漂移，冰上作业的安全系数较低。工作时需要戴好安全带和安全绳；刚到冰面时，人员不要过于集中行走。岸边凌乱堆积的搁浅冰大多暴露在空气中，气温较低，冰质地坚硬。现场使用镐头、撬杠和电链条锯就可以取得搁浅冰冰坯。

海上采集浮冰块的工具是焊接长约6 m，带向前、向后和斜叉的铁钩以及网兜。网兜为粗约0.5 cm的尼龙网。为避免在船上作业时铁钩、网兜脱落，在铁钩、网兜长柄端打眼系绳。人员作业时将系绳一端套于手臂。如果浮冰离开船舶10 m左右，可以利用绳系三角钩，往冰面投掷，轻轻地将冰移到长柄斧头可以操作的地方。绳子的一头也需要系在某处。对于漂浮在海上的浮冰，采集的冰坯出水后，应立即倒置冰坯，将其平放在冰面或器皿中，尽量减少冰内卤水的渗出。

将采集到的冰坯首先利用电链条锯将外形修理平整，去掉冰坯上下底面不平整和含杂质或者气泡太多部分，保留质地较为均匀部分待进一步加工。利用电锯再将冰坯切割成大约8×8×20 cm3的粗冰样，如果实验的组数不多，采用刨刀片将粗冰样修整为约7×7×17.5 cm3的精细冰样(图2)，尽量确保棱柱体对应的面平行。有电源条件下，特别是针对大批量的冰样加工和试验，使用细木工电锯(图3)或者锯骨锯做精加工。

图2 用刨刀片修整冰样Fig. 2 Reconditioning the ice samplewith a cutting blade

图3 冰样精加工用细木工锯Fig. 3 The joinery saw used forrefining the ice sample

北海预报中心于2010年购进国家海洋技术中心研制的冰密度量筒(图4)和电动液压式SHS2-3型海冰压力试验机(图5)。密度量筒改进为电测，自动记录，简化和观测程序。冰压力试验机主要由测控系统、油泵及油箱、传感器、计算机处理终端和电控系统组成。电脑终端系统有压力试验机配套程序，可以实时显示加载过程和初步处理试验结果。在单轴压缩强度测试前，再次精确测量精细冰样的尺寸，输入电脑的冰压力试验采集记录系统。

图4 带电测传感器的冰密度量筒Fig. 4 The graduated cylinder with sensorsfor ice density measurement

图5 SHS2-3型冰压力试验机系统Fig.5 The SHS2-3 ice pressure testingmachine and its record system

2 冰温盐密测试原理及注意事项

真正影响冰性质的决定性因素是冰的相成分比例，而海冰孔隙率是表征海冰相成分比例的最佳指标。然而决定海冰孔隙率的因子是冰温度、盐度和密度，其中冰温度对相成分比例影响最大，因此它是孔隙率的控制指标[7]。以往工程分析中，直接考虑使用峰值压缩强度同海冰温度的关系[8]或者同卤水体积的关系，目前发展到使用它同孔隙率的关系[9-10]。

在试验时除注意冰温测量，也特别关心记录气温、水温，甚至实验室的环境温度。温度测量技术比较成熟，没有特殊要求。

以往试验结果利用卤水体积来反映冰物理性质对单轴压缩强度的影响。如果冰内孔隙基本被液态相充填，利用卤水体积代表非纯冰相是合适的。但是取样时总会使冰样内液相成分排出，这时利用卤水体积代表冰内非纯冰相就偏小[10]。如果采样地点和时间不同，就很难对比试验结果。孔隙率指标比较客观，但要求有较高精度的盐度测量。在此不建议使用手持式低精度的盐度计，最好现场取样，使用实验室盐度计测量冰样融水后的盐度。

冰密度测试原理基于舒列金密度量筒和现代位移测试技术。新型密度量筒采用自动化程度高的记录方式，自动计算和打印结果。

舒烈金密度量筒的工作原理在以前的《海洋调查规范》中说明[11]，现行规范没有这部分内容[12]。其原理是将比重不同的两种液体，即将一种的密度比海冰大(如蒸馏水)、另一种的密度比海冰小(如煤油)，先后倒入同一容器内，待油、水完全分清稳定后，将冰样缓缓放入容器内。当海冰密度大时，海冰沉入水中的部分大、留在煤油中的部分则小；反之，冰块沉入水中的部分小、留在煤油中的部分大。根据油、水液面的变化计算出海冰的密度。舒烈金密度量筒直径一般为20～25 cm，在其侧边有上下错开，刻有刻度的玻璃量筒管[11]。为了说明原理，图6给出示意图。目前设备采用的是传感器测液面变化，不需要玻璃管，也免去人工裸眼度数的偏差。

图6 密度量筒测试原理示意图Fig.6 Schematic diagram showing the principle of ice density measurementwith the graduated cylinder

密度测试冰样视密度桶的容积和加入水和煤油的多少而定。实践中，冰样宁大勿小，试样越小误差越大。

海冰密度由式(1)确定：

ρ=ρ0(h2/h1)/(H2-H1)

(1)

式中,ρ为海冰密度(g/cm3)；ρ0为蒸馏水密度(g/cm3)；h1为放入冰块前密度筒内的水面高度(cm)；h2为放入冰块后密度筒内的水面高度(cm)；H1为放入冰块前密度筒内的油面高度(cm)；H2为放入冰块后密度筒内的油面高度(cm)。

尽管如此，密度量筒存在的误差并不止来自测试技术，也来自密度测试技术本身。即有两个问题目前仍然没有解决，一是冰块在液体内(舒列金密度量筒使用煤油)发生升温融化；二是液体进入冰内贯通的卤水和气泡空隙，导致测量的体积偏小，冰表观密度偏大。而且温度越高，测量含气泡冰的密度测量越偏高。针对上述缺陷和排液法对冰样形状要求不高的事实，大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室正在探索新的方案。

3 海冰单轴压缩强度测试

海冰单轴压缩强度是目前测试较成熟的项目。北海预报中心已经掌握了使用由国家海洋技术中心制作的冰压力试验机系统，并在2010-2011和2011-2012年冬季获得科学数据。

压缩强度试验前用砂纸研磨冰样两端，使两个端面光滑平行，并保证两端面与冰样轴线垂直。为防止试验中冰样滑动影响测量结果，试验前在冰样两端与压力试验机压头之间加垫一张防滑纸。对同一试验条件应进行3次以上有效试验，以便尽可能消除海冰天然材料内随机性缺陷带来的影响。

材料的强度为材料开始产生基本破坏时的应力。由于海冰为冰-卤水-气混合物，在荷载增加的同时内部的缺陷也开始发展，直到最后破碎。海冰单轴压缩强度是用荷载-时间曲线上最大荷载(破坏荷载)除以冰样的横截面面积得到，即图7的破坏荷载除以冰样的横截面积。

图7 飞雁滩冰样加载过程荷载历程曲线Fig. 7 The load course of a Feiyantanice sample during loading process

图8 飞雁滩冰样加载过程位移历程曲线Fig.8 The displacing course of a Feiyantanice sample during loading process

(2)

式中，R为抗压强度(MPa)；P为极限荷载(N)；A为受压面积(mm2)。

ΔL/t/L

(3)

每一试样在加载过程中可以获得一组位移-时间过程线和应力-应变过程线。由于冰样端面积和高度的差异，图7的曲线不能直接比较，对应每一加载试样的应力-应变过程线是客观的，相同试验温度不同应变速率下得到的应力-应变曲线不同，这是冰特有的力学行为。从应力-应变曲线可以反映出冰的脆性破坏特征；韧脆过渡破坏特征；韧性破坏特征；蠕变破坏特征。

由图7和图8试验曲线可知，记录的荷载曲线有50 kgf的波动；位移曲线有0.6 mm的波动；导致单轴压缩强度有15%的波动。现场环境条件的限制，这些“噪音”不可避免，但为了减少“噪音”，试验所用力传感器最好有接地线并避免在强磁场的地方附近做试验。位移传感器量程要尽可能小，如果将本试验机量程±10 cm位移传感器改为量程±1 cm的传感器，分辨和精度均能提高一个量级的精度，即波动由现在的0.6 mm减少到0.06 mm。

4 讨 论

1)海冰温度、盐度和密度对单轴压缩强度有显著影响，以往关注冰样卤水体积的影响。由于孔隙率是更合理的物理指标，因此冰样的密度测量成为关键。新设备采用传感器代替原来人工裸眼观测，提供了操作的方便性和准确性。但是为了保证海冰的密度测量数据准确，放试样时一定要轻，不要引起油-水混合，另外为了避免煤油渗入冰内的影响，测试的越快，数据越正确。另外，由于冰温仍然是影响冰力学行为的关键指标，加之现场测试处于非恒温环境，试验需要在测量冰温同时，尽可能也要记录气温，水温和实验室环境温度。

2)新型冰压力试验机增加了自动化程度，但实践中发现存在力和位移数据波动。因此试验选择场地时，首先检查附近有无磁场干扰，其次考虑给荷载传感器和记录仪器的接地线连接；对于位移传感器，期望改变安装方式和选用小量程的传感器，以便提高传感器的精度。

3)为了未来船舶调查中开展冰物理和力学性质测量，试验机本身增加了机动性，方便船上和船下的搬运。实践中要对冰压机的油管给予保护，防止在工作中漏油。

4)针对同一地区不同冬季的连续海冰物理和力学性质测量是很有必要的。在有良好实验环境时，要增加对冰内部组构的观测。

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[11] GB/T 14914-1994 海滨观测规范[S]. 北京: 中国标准出版社, 1994.

[12] GB/T 14914-2006 海滨观测规范[S]. 北京: 中国标准出版社, 2006.