Page 35 - 2021年第52卷第9期

落，破坏后试样仍为一个整体。柱状冰晶粒尺寸大，且在垂直方向为柱状晶粒，裂纹扩展时以穿晶
破坏为主 ［32］ ，破坏应力较大，在破坏时会发生试样断面冰碎屑掉落的现象。柱状冰试样的裂纹在遇
见强度较高的大晶粒时，会转向薄弱的晶界扩展，形成弯曲的裂纹，这与图 7 显示的破坏形态一致。
3.3 裂纹张开位移及滑开位移 采用 DIC 方法对预制裂纹尖端的切线 AB（图 6（a））进行了位移观

测，分析了试样断裂过程中的横向和竖向位移。在荷载上升段选取 A、B、C、D 四个时间节点进行
位移分析，四个节点对应荷载分别为 0.3P 、0.6P 、0.8P 、P 。
max max max max
统计分析了 A1 试样在不同节点裂纹尖端切线的横向位移和竖向位移，如图 8 所示。可以看出，
在预制裂纹尖端两侧产生了较大的横向位移，随着荷载的增大，横向位移的差值即裂纹尖端张开位
移也逐渐增大。竖向位移呈现左边高右边低的趋势，并在预制裂纹尖端出现最大值，同时，随着荷
载的增大，竖向位移整体增加。

1.5 30
1.0 25
0.5
横向位移/μm -0.5 纵向位移/μm 20
0.0
15
10
-1.0
5
-1.5
-2.0 0
-2.5 2.5 7.5 12.5 17.5 22.5 -2.5 2.5 7.5 12.5 17.5 22.5
横坐标 X/m 横坐标 X/m
（a） 横向位移 （b） 竖向位移
图 8 不同节点处预制裂纹尖端切线位移分布

计算 A—D 四个节点预制裂纹尖端两侧位移的差值，得到试样断裂过程的裂纹张开位移值和裂纹
滑开位移值，如表 3 所示。在不同时间节点，试样的滑开位移约为张开位移的 13% ~ 16%，因此，可
将Ⅰ型断裂作为研究黄河冰断裂性能的重点。

表 3 不同节点处裂纹的张开位移和滑开位移

节点 A B C D
张开位移 u/μm 0.915 1.412 2.157 2.742
滑开位移 v/μm 0.119 0.205 0.303 0.450
比值 v/u 13% 15% 14% 16%
3.4 断裂韧度的影响因素 断裂韧度是冰力学性能的重要参数，本次试验采用三点弯曲试验，利用

［33］
式（1）和式（2） 计算河冰的断裂韧度。
K IC = PS f æ α ö （1）
BW 3/2 èW ø
é
1.99 - (a W ) 2.15 - 3.93(a W ) + 2.70(a W ) 2 ù
f æ α ö = 3(α W ) 1/2 × ë û （2）
èW ø 2(1 + 2a W ) 3/2
式中：P 为断裂时的荷载；S 为有效跨度；a、B、W 分别为预制裂纹长度、试样宽度、试样高度。
采用式（1）和式（2）对试样的断裂韧度进行计算，得到了柱状冰和粒状冰在不同温度和加载速率
下断裂韧度的平均值，并统计了同一试验条件下不同试样断裂韧度的取值范围，将结果绘制为带误
差 棒 的 折 线 图 ， 如 图 9 和 图 11 所 示 。 图 9（a）展 示 了 柱 状 冰 断 裂 韧 度 和 温 度 的 变 化 规 律 ，
在-10 ℃、-8 ℃、-4 ℃、-2 ℃温度下，断裂韧度的平均值分别为 105、99、95 和 89 kPam ，随着温
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度的增加，断裂韧度有小幅的减小。图 9（b）展示了粒状冰断裂韧度和温度的关系图，温度从低到
高，断裂韧度平均值分别为 80、72 和 74 kPam ，其中，-2 ℃条件下试样的断裂韧度略大于-4 ℃条件
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