Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
4.1.1. Опыты с крупномасштабными моделями нагрузки в естественных условиях
Крупномасштабные модельные эксперименты с движущимися нагрузками проводились на льду Горьковского водохранилища в 1980 - 1982 г.г. [23].
Перед их началом для получения предварительных данных в естественных условиях были проведены буксировки модели 3 на участке акватории, образованной пирсом и стоящей на приколе баржей, размерами 50 × 30 м, где глубина воды менялась в зависимости от расстояния до берега (рис.4.3). Необходимое давление на лед создавалось загрузкой модели балластом, а нужная скорость - буксировочной лебедкой. После того, как толщина льда на водохранилище достигала толщины не менее 10 см, приступали к приготовлению модели сплошного льда толщиной 2- 3 см естественным намораживанием. Для этого лед на участке акватории предварительно разрушали и удаляли портовым буксиром (рис.4.1.) Движение модели 3 начинали на глубокой воде с постепенным ее выходом на мелководье. Разгонялась модель на основном ледяном покрове. После выполнения прохода (рис.4.4.) разрушенный модельный лед при помощи моторной лодки разрушался на мелкие куски и загонялся под лед водоема (рис.4.8).
Рис.4.3.Схема экспериментального участка естественного бассейна: 1- модель 3; 2 - буксировочная лебедка; 3 - буксирный трос; 4 - ледяной покров водохранилища; 5 - намораживаемый ледяной покров
Рис.4.4 Движение модели 3 в модельном льду
Наиболее интересные результаты были получены при массе модели 96 кг и скорости буксировки 4 м/. Во льду образовывались трещины, характерные для докритических режимов движения нагрузки, т.е. статического типа. По мере движения модели прогиб льда под ней заметно увеличивался, после чего модель 3 начала дифферентоваться на корму. При угле ~ 10 градусов она легко провалилась под модельный лед. Возбуждение моделью ИГВ в ледяном покрове не происходило. Впереди места провала появилась длинная на всю ширину модельного поля льда трещина, слабо закругленная в сторону противоположную направлению буксировки с радиусом кривизны около 25 метров.
При буксировке модели 3 массой 71 кг по льду толщиной 3 см вначале движения за моделью распространялась волна статического прогиба, вызывавшая растрескивание льда статического характера (рис.4.5). С ростом скорости деформация льда стала приобретать волнообразный характер с последующим появлением прогрессивных ИГВ амплитудой 3 - 4 см. В результате во льду образовались длинные трещины с радиусом кривизны 20 - 25 м, отстоящие друг от друга на расстоянии 0,4 м (рис.4.6). При буксировке модели 3 с малой скоростью разрушение модельного льда носило статический характер.
Рис.4.5. Характер разрушения ледяного покрова при движении модели 3 со скоростью 3 м/с
Рис.4.6.Характер разрушения ледяного покрова при движении модели 3
Опыты с моделью 4 проводились в тех же условиях, что и эксперименты с моделью 3 (рис.4.7) при толщине льда 2,4 см. После прохода модели 4 со скоростью 10 м/с на поверхности льда образовались дугообразные трещины с радиусом кривизны 3 - 4 метра, отстоявшие друг от друга на расстоянии 0,75 - 1,5 м, между которыми была различима сеть радиальных трещин. Возбуждение при этом ИГВ не наблюдалось. При движении модели 4 с мелководья на скорости 2,7 м/с в момент ее выхода на лед вперед уходила волна, вызывавшая растрескивание льда с появлением раскрытых трещин радиусом 4 - 5 метров с расстоянием между ними до одного метра (рис.4.9). Протяженность зоны разрушенного льда составила 3 - 4 метра (рис.4.10 и 4.11).
Рис.4.7. Модель 4
Рис.4.8.Расчистка акватории от льда
Рис.4.9.Исследование разрушения льда ИГВ, отраженными от берега
Рис.4.10.Характер разрушения ледяного покрова при движении модели 4
Рис.4.11. Исследование разрушения льда моделью 4
Для количественной оценки характеристик резонансных ИГВ эксперименты с движущейся нагрузкой в ноябре 1999г. проводились на льду затона р. Амур. В качестве нагрузки использовалась тележка мотодельтаплана [154].
Отработка методики проведения опытов и проверка работоспособности измерительного оборудования проводились при стационарном и нестационарном движении нагрузки по сплошному льду, при этом результаты опытов с крупномасштабными моделями носили качественный характер, т.е. в данной серии экспериментов записывались только профили ИГВ. Эксперименты проводились на подготовленном ледовом полигоне с использованием контрольно - измерительного оборудования, схема расположения которого представлены на рис.4.12.
Рис.4.12.Схема расположения оборудования ледового полигона: 1 - нагрузка; 2 - маркеры;
3 - указатель перемещений; 4 - видеокамеры
Линия движения нагрузки маркировалась посредством вертикальных кольев, вмораживаемых в лёд с равномерным шагом. Толщина льда в пределах ледового полигона составляла в среднем 7 см. Для измерения прогибов льда использовался механический указатель перемещений, показания которого регистрировались видеозаписью. Точность определения перемещений льда составляла ± 0,25 мм. На рис.4.13 показана схема установки указателя на лёд. Указатель монтировался на неподвижную опору, заделанную в дно водоёма. Вокруг опоры вырубалась майна, периодически освобождаемая от намерзающего льда. Глубина акватории в месте установки опоры составляла H=7,5 м.
Вес нагрузки (тележки мотодельтаплана) (рис.4.14) в процессе её движения по льду был постоянным. Изменение веса производилось путем размещения пассажиров, которые располагались на подкосах и передней лыже Процесс движения нагрузки записывался на видеокамеру, установленную на берегу. Скорость движения нагрузки первоначально определялась по времени прохождения нагрузкой контрольного участка (мерной мили) с помощью секундомера. Одновременно использовалось два секундомера для надёжного определения скорости движения н агрузки. После анализа видеозаписи опре делялись количественные параметры движения нагрузки на нестационарном режиме. Точность определения скорости составляла ± 0,02 с. Всего было выполнено три серии опытов по статическому нагружению льда неподвижной нагрузкой, а также с нагрузкой, движущейся с постоянной скоростью (рис.4.15). Масса нагрузки варьировалась в диапазоне 300 - 400 кг.
Рис.4.13.Схема установки и общий вид указателя перемещений
Рис.4.14.Тележка мотодельтаплана с пассажирами
Рис.4.15. Движение тележки мотодельтаплана
Рис.4.16. Трещины в ледяном покрове
Рис.4.17.Профили деформированной поверхности ледяного покрова
На рис.4.17 представлены записи профилей деформированной поверхности льда при различных скоростях движения нагрузки. Полученные экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с известной информацией о характере деформирования льда: наибольшему прогибу ледяного покрова соответствовала резонансная скорость движения нагрузки; только при движении нагрузки с резонансной скоростью происходило интенсивное растрескивание льда, поскольку кривизна деформированной поверхности была наибольшей; выхода воды на лёд и пролома ледяного покрова при движении нагрузки не происходило, несмотря на наличие развитой сети трещин во льду (рис.4.16), т.е ледяной покров все еще сохранял свою некоторую несущую способность.
Выполненные эксперименты с тележкой мотодельтаплана в естественных условиях позволили получить количественную и качественную картину распространения резонансных ИГВ в ледяном покрове, а также деформирования сплошного льда движущейся нагрузкой и трещинообразования во льду [154].