Экспериментальное исследование прочности модифицированного льда

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. 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 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. 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.

1. Гончарова 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/10.26518/2071-7296-2023-20-6-786-797

2. Кузнецов 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/10.26518/2071-7296-2024-21-4-606-617

3. Сиротюк 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.

4. 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/S2076673421040108

5. Babaei H., Barrette P. D. A computational modeling basis in support of the Canadian winter road infrastructure. – National Research Council Canada, 2020.

6. 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.2022.103508

7. Li 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.2023.103925

8. Leppäranta 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_5

9. Ren 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.2022.113478

10. Alan 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-2022-0464

11. Ye 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/10.1080/17445302.2019.1661626

12. Jia 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/jmse12010188

13. Tugulan 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/s42286-024-00083-5

14. Q. 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.2022.22278

15. Якименко О.В., Сиротюк В.В. Усиление ледовых переправ геосинтетическими материалами: монография. Омск: ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2015. 166 с. ISBN 978-5-93204-777-4.

16. Сыромятникова А.С. Перспективы применения ледяных композиционных материалов для строительства ледовых переправ // Арктика: экология и экономика. 2022. № 2. 281 с.

17. Buznik V.M. et al. Strengthening of ice with basalt materials // Cold Regions Science and Technology. 2022.Т. 196. P. 103490.

18. 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.

19. 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/s41467-022-32633-1

20. Masterson D.M. State of the art of ice bearing capacity and ice construction. 2009. 58(3), 0–112. doi:10.1016/j.coldregions.2009.04.002

21. Коновалов С.В. Обзор физико-механических свойств льда // Вестник науки и образования. 2020. №11-1 (89). С. 34–39.

22. 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.2019.01.001

23. Wang 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