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水 利 学 报

2021 年 9 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 9 期

文章编号：0559-9350（2021）09-1036-10

基于数字图像相关方法的黄河冰断裂性能研究

王 娟 ，黄 樾 ，邓 宇 ，李志军 ，张邀丹 3
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（1. 郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；2. 黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；
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 116042）
摘要：河冰的断裂性能是衡量河冰承载力、模拟和预测开河的重要参数。为明晰黄河冰的断裂性能，基于数字图
像测量技术（Digital Image Correlation，DIC）开展了黄河冰的三点弯曲梁试验，分析了不同条件下试样的断裂形
态，研究了温度和加载速率对黄河冰断裂韧度的影响。研究结果表明：DIC 方法适用于黄河冰断裂试验的研究；
黄河冰试样的断裂形态主要受到晶体形态的影响，试样的破坏形式以Ⅰ型断裂为主；黄河冰断裂韧度随着加载速
率的增加而降低，随着温度的升高而减小，但在试验给定温度范围内降幅较小；提出了黄河冰断裂韧度与温度、
加载速率的关系式，为极限荷载作用下河冰断裂过程的分析及冰荷载断裂参数的选用提供了依据。
关键词：河冰；断裂韧度；DIC；加载速率
中图分类号：TV131 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20201064

1 研究背景

黄河内蒙河段由于其特殊的地理位置、水文气象条件和河道特性，易于在凌汛期发生凌汛灾
［1］
害，从而引发凌洪、破坏水工结构物，造成巨大的社会经济损失 。目前，在河冰的冰凌预测 ［2-3］ ，
冰-水力学数值模拟 ［4-5］ 、冰与水工结构物相互作用 ［6］ 、冰生消演变规律 ［7-9］ 等方面有了较为丰富的研
究结果，而针对河冰力学性能试验研究有待深入。河冰作为一种天然复合材料，其力学性能既受到
温度、加载速率等外在因素的影响，也受到冰晶体结构等内在因素的影响。其中，温度是影响冰力
学性能的主要因素，郜国明等 ［14］ 在-3 ℃到-15 ℃的温度范围下进行了黄河冰的劈裂试验，结果表
明，在该温度范围下，随着温度的增加，黄河冰的劈拉强度增加，断裂韧度先减小后增大。加载速
［15］
率也是影响冰力学性能的重要因素，Snyder 等通过试验分析了预应变对人工冰韧脆转变速率的影
响，结果表明，在施加预应力后，冰试样的韧脆转变速率增加了 3 ~ 10 倍。李志军等 ［16］ 进行了乌梁素
海冰的单轴压缩试验，建立了乌梁素海冰压缩强度与温度、速率之间的计算模型。冰的细观晶体结
［17］
构决定了冰的宏观变形过程，也影响着冰的力学性能，Schulson 通过试验发现粒状冰的脆性强度与
其晶体直径的平方根成反比，邓宇等 ［18］ 和 Gribanov 等 ［19］ 对冰的单轴压缩过程进行了数值模拟，得到
［17］
了与 Schulson 相近的结果。一般来说，不同区域的天然冰结构具有一定的差别。与其他冰相比较，
黄河冰内含泥量高，冰体分层结构多变，不同晶体结构交替出现，晶体结构形成及其组构有其鲜明
的独特性 ［10-11］ 。而冰的细观结构不仅影响冰的热力学和光学性质，也直接影响冰的力学性质 ［12-13］ 。因
此，有必要对不同条件下黄河冰的断裂性能进行深入研究，分析黄河冰的断裂过程和破坏机理。
在冰力学试验中，一般使用位移计、应变仪等设备来获得试样的位移 ［20-21］ ，在试样表面粘结应变

收稿日期：2020-12-23；网络首发时间：2021-05-31
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210528.1616.002.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（51879116，51979024）；河南省高校科技创新人才支持计划（21HASTIT013）
作者简介：王娟（1981-），副教授，主要从事细观力学及损伤力学研究。E-mail：wangjuan@zzu.edu.cn
通讯作者：邓宇（1978-），教授级高级工程师，主要从事河冰研究。E-mail：lanson0201@aliyun.com
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