sibadiНаучный рецензируемый журнал "Вестник СибАДИ"The Russian Automobile and Highway Industry Journal2071-72962658-5626The Siberian State Automobile and Highway University10.26518/2071-7296-2025-22-6-1018-1027ZHZDSNsibadi-2125Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРАCONSTRUCTION AND ARCHITECTUREЭкспериментальное исследование прочности модифицированного льдаExperimental determination of physical and mechanical characteristics of modified ice coatingshttps://orcid.org/0000-0002-6524-4976КузнецовИ. С.KuznetsovI. S.

Кузнецов Илья Сергеевич – канд. техн. наук, доц. кафедры «Эксплуатация нефтегазовой и строительной техники»

644050, г. Омск, пр. Мира, д. 5

Kuznetsov Ilya S. – Associate Professor, the Department of Operation of Oil and Gas and Construction Equipment

5, ave. Mira, Omsk, 644050 

ilyxa_kyznetsov@vk.comhttps://orcid.org/0000-0003-3546-0894КузнецоваВ. Н.KuznetsovaV. N.

Кузнецова Виктория Николаевна – д-р техн. наук, проф., проф. кафедры «Эксплуатация нефтегазовой и строительной техники»

644050, г. Омск, пр. Мира, д. 5

Kuznetsova Victoria N. – Dr. of Sci. (Eng.), Professor, Professor at the Department of Operation of Oil and Gas and Construction Equipment

5, ave. Mira, Omsk, 644050 

dissovetsibadi@bk.ruСибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)РоссияThe Siberian State Automobile and Highway UniversityRussian Federation20251301202622610181027Copyright © Кузнецов И.С., Кузнецова В.Н., 20252025Кузнецов И.С., Кузнецова В.Н.Kuznetsov I.S., Kuznetsova V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.sibadi.org/jour/article/view/2125Введение

Введение. В условиях Сибирского и Уральского федеральных округов эксплуатация нефтегазовых месторождений требует круглогодичного транспортного сообщения. Особое значение имеют автозимники и ледовые переправы, являющиеся ключевыми элементами логистики. Их надежность напрямую зависит от несущей способности льда, что делает актуальным поиск способов её повышения. Цель исследования – экспериментальное определение эффективности применения модифицирующих материалов и добавок для увеличения прочности ледовых переправ.

Методы и материалы

Методы и материалы. Для анализа использовались образцы льда, изготовленные из дистиллированной и речной воды (р. Иртыш, р. Омь), армированные древесной стружкой (пайкеритом), геосинтетическим материалом Армдор К100, а также с добавлением раствора поливинилового спирта (PVA 1788), и их комбинаций. Испытания проводились при температуре образцов –15 °C с использованием лабораторного комплекса Gotech AI-7000 LA 10. Определялась деформативность льда при имитации нагрузки от проезда тяжелой колёсной техники.

Результаты

Результаты. Результаты экспериментов показали, что прочность льда зависит от состава воды – наибольшие показатели были у образцов из дистиллированной воды. Армирование геосинтетическими материалами и использование древесной стружки повышали несущую способность и деформативность льда. При этом применение поливинилового спирта оказалось наиболее эффективным.

Заключение

Заключение. Полученные результаты подтверждают целесообразность использования комбинированных технологий усиления льда, особенно в случае сочетания геосеток и модификаторов. Это обеспечивает повышение несущей способности ледовых переправ и возможность их эксплуатации при более высоких нагрузках. Рекомендовано проведение опытно-конструкторских испытаний в реальных условиях для дальнейшей проверки и внедрения предложенных конструкций.

Introduction

Introduction. In the conditions of the Siberian and Ural Federal Districts, the exploitation of oil and gas fields requires year-round transport communications. Of particular importance are winter roads and ice crossings, which are key elements of logistics. Their reliability directly depends on the bearing capacity of ice, which makes it important to search for ways to increase the latter. The purpose of the study is to experimentally determine the efficiency of using modifying materials to increase the strength of ice crossings.

Methods and materials

Methods and materials. Ice samples made from water of various compositions were used for the analysis, as well as ice samples reinforced with various materials: wood chips (pykrete), polyvinyl alcohol solution (PVA 1788), Armdor K100 geosynthetic material and their combinations. The tests were carried out at a temperature of -15 °C with the use of the Gotech AI-7000 LA 10 laboratory complex. The bending strength and deformability were determined when simulating heavy vehicle loads.

Results

Results. The experiments have shown that the ice strength depends on the water composition: the highest values were found in samples made of distilled water. Reinforcement with geosynthetic materials and the use of wood chips significantly increased the bearing capacity and deformability of ice. The use of polyvinyl alcohol turned out to be the most effective.

Conclusion

Conclusion. The obtained results confirm the feasibility of using combined ice reinforcement technologies, especially a combination of geogrids and modifiers. This ensures increased reliability of ice crossings and the possibility of their operation under higher loads. It is recommended to conduct experimental design tests in real conditions for further verification and implementation of the proposed designs.

ледовая переправамеханические свойства льданесущая способность льдапредел прочностимодификация льдаice crossingphysical and mechanical properties of icebearing capacity of icetensile strengthice modificationReferencesГончарова Г.Ю., Сиротюк В.В., Якименко О.В., Орлов П.В., Долгодворов Р.Е. Повышение несущей способности и безопасности ледовых автозимников с помощью армирования и модификации льда // Вестник СибАДИ. 2023. Т. 20, № 6 (94). С. 786–797. Https://doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-6-786-797Goncharova G.Y., Sirotiuk V.V., Yakimenko O.V., Orlov P.V., Dolgodvorov R.E. Loadbearing capacity and safety for winter roads improvement reinforcement and ice modification. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2023;6(94):786-797. (In Russ.) doi.org/10.26518/2071-7296-2023-20-6-786-797Кузнецов И.С., Сиротюк В.В., Кузнецова В.Н. Методы расчета несущей способности ледовых переправ // Вестник СибАДИ. 2024. Т. 21, № 4(98). С. 606–617. Https://doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-4-606-617Kuznetsov I.S.,Sirotiuk V.V., Kuznetsova V.N. Methods for calculating the bearing capacity of ice crossings. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2024;4(98):606-617. (In Russ.) doi.org/10.26518/2071-7296-2024-21-4-606-617Сиротюк В.В., Якименко О.В., Крашенинин Е.Ю., Щербо А.Н. Строительство и испытание опытного участка ледовой переправы, армированной геосинтетическими материалами // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2008. № 4(21). С. 157–165.Sirotiuk V.V., Sirotiuk V.V., Yakimenko O.V., Krasheninin E.Yu., Shcherbo A.N. Construction and testing of a pilot section of an ice crossing reinforced with geosynthetic materials. Journal of Construction and Architecture. 2008; 4(21):157-165. (In Russ.)Годецкий С.В., Кокин О.В., Кузнецова О.А., Цвецинский А.С., Архипов В.В. Оценка пределов прочности льда на одноосное сжатие в Охотском море по данным измерений и расчётов // Лёд и Снег. 2021;61(4):561–570. Https://doi.org/10.31857/S2076673421040108Godetsky S.V., Kokin O.V., Kuznetsova O.A., Tsvetsinsky A.S., Arhipov V.V. Estimation of ice strength limits for uniaxial compression in the Sea of Okhotsk according to measurements and calculations. Ice and Snow. 2021;61(4):561-570. (In Russ.) doi.org/10.31857/S2076673421040108Babaei H., Barrette P. D. A computational modeling basis in support of the Canadian winter road infrastructure. – National Research Council Canada, 2020.Babaei H., Barrette P.D. A computational modeling basis in support of the Canadian winter road infrastructure. National Research Council Canada, 2020.Towell K. L. T. et al. Construction and structural analysis of an arched cellulose reinforced ice bridge for transportation infrastructure in cold regions // Cold Regions Science and Technology. 2022. Т. 198. Https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103508Towell K.L. T. et al. Construction and structural analysis of an arched cellulose reinforced ice bridge for transportation infrastructure in cold regions. Cold Regions Science and Technology. 2022; Т. 198. Https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2022.103508Li C. et al. Theory and application of ice thermodynamics and mechanics for the natural sinking of gabion mattresses on a floating ice cover // Cold Regions Science and Technology. 2023. Https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2023.103925Li C. et al. Theory and application of ice thermodynamics and mechanics for the natural sinking of gabion mattresses on a floating ice cover. Cold Regions Science and Technology. 2023. Https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2023.103925Leppäranta M. Mechanics of Lake Ice // Freezing of Lakes and the Evolution of their Ice Cover. – Cham: Springer International Publishing, 2023. pp. 159-203. Https://doi.org/10.1007/978-3-031-25605-9_5Leppäranta M. Mechanics of Lake Ice. Freezing of Lakes and the Evolution of their Ice Cover. Cham: Springer International Publishing, 2023: 159- 203. Https://doi.org/10.1007/978-3-031-25605-9_5Ren D., Park J-C. Particle-based numerical simulation of continuous ice-breaking process by an icebreaker // Ocean Engineering. 2023. 270 p. Https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.113478Ren D., Park J-C. Particle-based numerical simulation of continuous ice-breaking process by an icebreaker. Ocean Engineering. 2023: 270. Https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.113478Alan F., Willem J. Limitations of Gold’s formula for predicting ice thickness requirements for heavy equipment // Canadian Geotechnical Journal. 2023. No. 61 (1). pp. 183–188. Https://doi.org/10.1139/cgj-2022-0464Alan F., Willem J. Limitations of Gold’s formula for predicting ice thickness requirements for heavy equipment. CanadianGeotechnical Journal. 2023; 61 (1): 183–188. Https://doi.org/10.1139/cgj-2022-0464Ye L. Y. et al. Peridynamic solution for submarine surfacing through ice // Ships and Offshore Structures. 2020. Т. 15. no. 5. pp. 535-549. Https://doi.org/10.1080/17445302.2019.1661626Ye L.Y. et al. Peridynamic solution for submarine surfacing through ice. Ships and OffshoreStructures. 2020; Т. 15. no. 5: 535-549. Https://doi.org/10.1080/17445302.2019.1661626Jia B. et al. Peridynamic Simulation of the Penetration of an Ice Sheet by a Vertically Ascending Cylinder // Journal of Marine Science and Engineering. 2024. Т. 12. no. 1. pp. 188. Https://doi.org/10.3390/jmse12010188Jia B. et al. Peridynamic Simulation of the Penetration of an Ice Sheet by a Vertically Ascending Cylinder. Journal of Marine Science and Engineering. 2024; Т. 12. no 1: 188. Https://doi.org/10.3390/jmse12010188Tugulan C.C. et al. Flexural-Gravity Waves Generated by Different Load Sizes and Configurations on Varying Ice Cover // Water Waves. 2024. pp. 1-17. Https://doi.org/10.1007/s42286-024-00083-5Tugulan C.C. et al. Flexural-Gravity Waves Generated by Different Load Sizes and Configurations on Varying Ice Cover. Water Waves. 2024: 1-17. Https://doi.org/10.1007/s42286-024-00083-5Q. Xie Numerical modeling of the stress-strain state of the ice beam by specified constitutive model // Material Science, Engineering and Applications. 1–8, Jun. 2022. Vol. 2, No. 1, pp. Https://doi.org/10.21595/msea.2022.22278Xie Q. Numerical modeling of the stress-strain state of the ice beam by specified constitutive model. Material Science, Engineering and Applications. 2022; Vol. 2, No. 1: 1–8, Jun. 2022. Https://doi.org/10.21595/msea.2022.22278Якименко О.В., Сиротюк В.В. Усиление ледовых переправ геосинтетическими материалами: монография. Омск: ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2015. 166 с. ISBN 978-5-93204-777-4.Yakimenko O.V., Sirotyuk V.V. Strengthening ice crossings with geosynthetic materials. Omsk, SibADI, 2015: 166. (In Russ.)Сыромятникова А.С. Перспективы применения ледяных композиционных материалов для строительства ледовых переправ // Арктика: экология и экономика. 2022. № 2. 281 с.Syromjatnikova A.S. Perspektivy primenenija ledjanyh kompozicionnyh materialov dlja stroite l’stvaledovyh pereprav [Prospects for the use of ice composite materials for the construction of ice crossings] Arktika: jekologijaijekonomika. 2022; 2: 281. (in Russ.)Buznik V.M. et al. Strengthening of ice with basalt materials // Cold Regions Science and Technology. 2022.Т. 196. P. 103490.Buznik V.M. et al. Strengthening of ice with basalt materials. Cold Regions Science and Technology. 2022; Т. 196: 103490.Barrette P.D. A laboratory study on the flexural strength of white ice and clear ice from the Rideau Canal skateway. Can. J. Civ. Eng. 2011. 38, 1435– 1439.Barrette P.D.A laboratory study on the flexural strength of white ice and clear ice from the Rideau Canal skateway. Can. J. Civ. Eng. 2011; 38: 1435–1439.Weyhenmeyer G.A., Obertegger U., Rudebeck H. et al. Towards critical white ice conditions in lakes under global warming. Nat Commun.2022. 13, 4974. https://doi.org/10.1038/s41467-022-32633-1Weyhenmeyer G.A., Obertegger U., Rudebeck H. et al. Towards critical white ice conditions in lakes under global warming. NatCommun. 2022; 13, 4974. https://doi.org/10.1038/s41467-022-32633-1Masterson D.M. State of the art of ice bearing capacity and ice construction. 2009. 58(3), 0–112. doi:10.1016/j.coldregions.2009.04.002Masterson D.M. State of the art of ice bearing capacity and ice construction. 2009; 58(3), 0–112. doi:10.1016/j.coldregions.2009.04.002Коновалов С.В. Обзор физико-механических свойств льда // Вестник науки и образования. 2020. №11-1 (89). С. 34–39.Konovalov S.V. Review of physical and mechanical properties of ice. Vestnik nauki i obrazovanija. 2020; 11-1 (89): 157-165. (In Russ.)Ren Di, Park Jong-Chun, Hwang Sung-Chul, Jeong Seong-Yeob, Kim Hyun-Soo. Failure simulation of ice beam using a fully Lagrangian particle method. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2019. 11(2). 639–647. doi:10.1016/j.ijnaoe.2019.01.001Ren Di, Park Jong-Chun, Hwang Sung-Chul, Jeong Seong-Yeob, Kim Hyun-Soo. Failure simulation of ice beam using a fully Lagrangian particle method. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2019; 11(2): 639–647. doi:10.1016/j.ijnaoe.2019.01.001Wang Q., Li Z., Lu P., Xu Y., Li Z. Flexural and compressive strength of the landfast sea ice in the Prydz Bay // East Antarctic, The Cryosphere. 2022. 16. 1941–1961. Https://doi.org/10.5194/tc-16-1941-2022Wang Q., Li Z., Lu P., Xu Y., Li Z. Flexural and compressive strength of the landfast sea ice in the Prydz Bay. East Antarctic, The Cryosphere. 2022; 16: 1941–1961. Https://doi.org/10.5194/tc-16-1941-2022

The authors declare that there are no conflicts of interest present.