книги из ГПНТБ / Смирнов Г.Н. Океанология (в инженерном изложении) учебник

ском расположении кристал­ лов скорость ползучести имеет среднее значение.

Разным участкам реологи­ ческой кривой соответствует определенный механизм дефор­ мации льда, что вызывает 'раз­ личные изменения структуры льда.

Пр и сдвиге вдоль базисных плоскостей структурных изме­ нений не происходит. В этом

случае при небольших напряжениях (т<То) имеет место вязкое течение, при высоких напряжениях деформация протекает в соот­ ветствии с кривой ползучести.

При хаотическом строении льда и невысоких напряжениях де­ формация сопровождается распадом кристаллов и их переориента­ цией базисными плоскостями параллельно плоскости сдвига. Де­ формация идет скачками. С увеличением напряжения частота скач­ ков увеличивается, так как процесс распада и переориентировки кристаллов интенсифицируется, деформация становится непрерыв­ ной и ее ход аппроксимируется кривой ползучести. С дальнейшим ростом напряжения происходит частичное измельчение кристаллов, их перемещение относительно друг друга и деформация независи­ мо от первоначальной ориентации кристаллов вызывает разруше­ ние льда.

Точка перегиба В кривой ползучести соответствует началу про­ грессирующей ползучести и определяется деформацией вцр, кото­ рую проф. С. С. Вялов предлагает считать критерием прочности льда [13]. Соответствующее напряжение оПр(тпр) при малой скоро­ сти деформации (вязкое течение) зависит от величины скорости и падает с ее уменьшением, при этом наблюдается более позднее наступление прогрессирующей ползучести.

При больших скоростях деформации происходит хрупкое разру­ шение льда и предел прочности при этом уменьшается до 0,6аТКрит, где сгорит — максимальное напряжение текучести.

Как пластическое тело лед обладает способностью к релакса­

где at — напряжение в любой момент времени; а0— начальное на­ пряжение; е — основание натуральных логарифмов; t — время; ѵ — время релаксации, т. е. время, за которое напряжение изменяется в е раз.

Время релаксации зависит от начальной структуры льда, тем­ пературы, солености, а также от величины нагрузки, поскольку вяз­ кость льда повышается с увеличением нагрузки, и может меняться в пределах от 9 до 90 мин.

70

Упругие деформации льда носят двоякий характер: чисто упру^ гие деформации, возникающие мгновенно, и деформации упругого последействия, развивающиеся во времени. Упругие свойства льда проявляются на всех стадиях деформации льда от мгно­ венного загружения до прогрессирующей ползучести. В наиболь­ шей степени упругие свойства проявляются при сдвиге перпенди­ кулярно базисным плоскостям, в наименьшей — при сдвиге вдоль зтих плоскостей.

У льда нет ясно выраженного предела упругости и предела те­ кучести, переход от упругих деформаций к пластическим происхо­ дит постепенно. Чем меньше время действия нагрузки и больше ее величина, тем выше предел упругости.

По Б. П. Вейнбергу [12], при статическом приложении нагрузки и температуре льда і ^і Ь°С предел упругости при сжатии и сдвиге для пресного льда составляет 0,5 кГ/см. Это же значение рекомен­ дуется принимать и для морского льда.

Предел упругости увеличивается с понижением температуры и

ределяется статическим (путем нагружения образцов) и динамиче­ ским (путем измерения скоростей распространения упругих волн: продольных щ и поперечных ѵ2) методами. При динамическом ме­ тоде модуль упругости и коэффициент Пуассона определяются из соотношений:

Величина модуля упругости, определенная динамическим мето­ дом, составляет (80—90) - ІО3 кГ/см2.

Величина модуля упругости при статических испытаниях, полу­ ченная в результате измерений прогибов ледяного покрова под на­ грузкой, составляет (20—24)-ІО3 кГ/см2; та же величина, получен­ ная по статическим испытаниям образцов льда, отличается от ука­ занного значения, что объясняется различными условиями прове­ дения опытов. При статических испытаниях образца льда модуль упругости зависит от величины нагрузки. Поскольку предел упру­ гости льда невелик, то, как правило, статические испытания образ­ цов проводились за пределом упругости * и деформации образца определялись с учетом ползучести. С увеличением нагрузки возрас­

* В этом случае модуль упругости следует рассматривать как коэффициент пропорциональности между напряжениями и деформациями.

71

тает роль деформации вследствие ползучести, а модуль упругости при этом уменьшается. По данным измерений при увеличении на­ грузки от 1—3 до 16—20 кГ/см модуль упругости понижается с 40-ІО3 до 3,4-ІО3 кГ/см. Очень заметно на величину модуля упру­ гости влияет плотность льда: так, при изменении плотности от 0,91 до 0,7 кг/см3 модуль упругости изменяется от 90-ІО3 до 40X X Ю3 кГ/см2. Значительно меньше на модуль упругости влияет тем­ пература, причем с понижением температуры модуль упругости не­ сколько возрастает. С увеличением солености льда модуль упру­ гости уменьшается и при этом увеличивается его зависимость от температуры.

Модуль сдвига льда по данным ряда авторов составляет (20— 40) • ІО3 кГ/см2.

Не приводя здесь предложенных различными авторами формул для определения модуля упругости льда, отметим, что накопленные данные пока еще не дают возможности получить общую зависи­ мость модуля упругости от указанных выше факторов, и поэтому впредь до получения надежных данных можно рекомендовать для инженерных расчетов значения модуля упругости и модуля сдвига, предложенные ВНИИГом имени Б. Е. Веденеева и приведенные в табл. ІІ-7.

Т а б л и ц а ІІ-7

Значения модулей упругости и сдвига для морского льда

(по рекомендации ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева)

Коэффициент Пуассона для морского льда рекомендуется при­ нимать равным 0,3.

Прочностные характеристики морского льда изучены далеко не полно и данные, полученные различными авторами, зачастую про­ тиворечат друг другу.

Изучение имеющихся материалов показывает, что прочностные характеристики льда,-—пределы прочности на сжатие, изгиб и срез, — изменяются в широком диапазоне и зависят от географиче­ ского района, гидрометеорологических условий и времени года. На прочностные характеристики льда оказывают влияние структура льда, его температура, соленость, плотность, ориентация кристал­ лов относительно направления приложенной силы. По данным из­ мерений в различных районах и в разное время года в зависимости от сочетания температуры и солености предел прочности льда на сжатие составляет от 5 (ледяной покров в период разрушения) до 60,3 кГ/см2 (плотный морской лед). Этот предел увеличивается

72

с понижением температуры и уменьшается с возрастанием со­ лености.

Предел прочности льда на изгиб колеблется в меньших преде­ лах и составляет для различных районов от 3,5 до 14,0 кГ/см2. Это объясняется, по-видимому, различной соленостью льда, так как из­ менение солености от нуля до 5% о снижает предел прочности льда на изгиб от 8—12 до 2,5— 4 кГ/см2, т. е. примерно в три раза. При одной и той же солености (5 = 5—6% о) предел прочности льда на изгиб с изменением температуры от — 2 до —20° С возрастает от 3 до 7,5 кГ/см2. Примерно такого же порядка цифры характеризуют предел прочности льда на срез, величина которого составляет 5— 8 кГ/см при ^ = 0° С и 5 = 2— 5%о.

Указанные значения пределов прочности получены при испыта­ нии малых образцов и при переходе к прочностным характеристи­ кам ледяных полей должны умножаться на масштабный коэффи­ циент, равный 0,25— 0,35.

Поскольку в настоящее время нет математических зависимостей пределов прочности льда от определяющих условий, необходимо в каждом конкретном случае определять опытным путем необходи­ мые величины.

Прочность ледяного покрова должна оцениваться по правилам строительной механики с учетом (при соответствующих схемах ра­ боты) наличия воды, которая при динамических нагрузках работает как упругое основание. Модуль упругости воды при мгновенном воздействии силы составляет 2 0 -103 кГ/слі2.

Усилия в ледяном покрове, рассчитанные с учетом работы систе­ мы «лед— вода», будут значительно меньше, чем при отсутствии воды, например, при испытании образца льда как балки на двух опорах. Прочность льда в естественном состоянии неодинакова по толщине и возрастает сверху вниз, в некоторых случаях в 3— 4 раза.

Твердость льда зависит от структуры льда, ориентации кристал­

* Твердость по шкале Мооса определяют царапанием образца эталонными минералами. Число твердости определяют микротвердомером путем вдавливания в образец алмазной пирамиды. Число твердости для алмаза 10 060 кГ/см2.

73

§ 4. ВОЗДЕЙСТВИЕ МОРСКОГО ЛЬДА НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

Морской лед оказывает физические и механические воздействия на гидротехнические сооружения. Физические воздействия прояв­ ляются в разрушении материала конструкции при попеременном замораживании и оттаивании, что всегда имеет место в зоне пере­ менного уровня при отрицательной температуре воздуха. По этой причине в условиях моря в наибольшей степени страдают бетонные и железобетонные конструкции.

Механизм разрушения бетона при попеременном замерзании и оттаивании не совсем еще ясен, однако, примерную схему этого яв­ ления можно наметить. Поры и капилляры бетона имеют размеры от миллимикронов до миллиметров и заполнены водой полностью или частично. При переходе температуры через 0°С в первую оче­ редь вода замерзает в крупных порах и образовавшийся лед отжи­ мает незамерзшую воду из зоны замерзания. Если поры заполнены водой более чем на 91%, то при этом развивается высокое гидро­ статическое давление, иногда до 2000 кГ/см2, которое может выз­ вать разрушение в отдельных местах стенок пор и капилляров и появление новых микротрещин. Этот процесс.-будет продолжаться и при дальнейшем понижении температуры, так как вода в мелких порах останется в жидком состоянии, поскольку при высоком дав­ лении понижается ее температура замерзания.

Если в порах имеется воздух, то благодаря его большой сжи­ маемости гидростатическое давление снимается, однако, ввиду не­ однородности строения материала могут и в этом случае развивать­ ся высокие давления в отдельных местах. При наличии тупиковых капилляров или капилляров с пережимами вода проникает через стенки капилляров и гель цементного камня. При этом развивается гидродинамическое давление, — и тем выше, чем быстрее идет по­ нижение температуры, а это ведет к разрушению бетона. В клино­ видных микротрещинах при замерзании воды, которое начинается с открытого наружу широкого конца микротрещины, в оставшейся внутри трещины незамерзшей воде развивается гидростатическое давление. При самом незначительном повышении этого давления в точке выклинивания трещины наблюдаются теоретически бесконеч­ но-большие напряжения, разрушающие бетон.

При каждом цикле замораживания объем пор увеличивается и, если влажность возрастает, а это неизбежно в зоне переменного уровня моря, то разрушение материала лавинно прогрессирует.

При постепенном замерзании воды в порах бетона происходит нелинейное расширение всего объема бетона. При этом возникают высокие напряжения в бетоне, так как коэффициент линейного рас­ ширения бетона в среднем в 4—5 раз меньше, чем у льда. В железо­ бетоне из-за различия закона изменения деформаций стали и за­ мерзающего бетона, проявляются касательные напряжения на кон­ такте бетона с арматурой.

74

Следует отметить, что при образовании льда как внутри пор, так и около конструкции, резко возрастает химическая агрессивность среды, поскольку концентрация солей при замерзании воды значи­ тельно увеличивается и на цементный камень уже действует креп­ кий рассол. По некоторым исследованиям этот фактор способствует разрушению бетона даже в большей степени чем попеременное за­ мерзание и оттаивание [1].

Механические воздействия морского льда на конструкции мор­ ских гидротехнических сооружений могут проявляться в виде:

а) статического давления льда при термическом изменении его объема;

б) статического давления льда при навале на сооружения под влиянием ветра и течения подошедшего и остановившегося ледяно­ го поля;

в) вертикальных и изгибающих усилий при зависании примерз­ шего льда во время понижения уровня воды;

г) выдергивающего усилия при всплытии примерзшего к кон­ струкции льда во время подъема уровня воды;

д) истирающего воздействия льда на поверхность конструкции при горизонтальных и вертикальных движениях льда;

е) давления от нагромождения льда; ж) динамического давления при ударе о сооружения свободно

плавающих льдин под влиянием ветра и течения.

Силовое воздействие льда на сооружение определяется по эм­ пирическим формулам, которые приводятся в курсе «Порты и пор­ товые сооружения». Однако при любом силовом воздействии льда на сооружение массивного типа удельное давление не может быть больше величины:

Ршах haKR0XA, ( 11- 11)

где йл — толщина льда; К — коэффициент, равный 0,6—0,8 для сла­ бого и прочного льда и учитывающий неплотное соприкасание льда и сооружения; й?сж — предел прочности льда при сжатии; Rcж= ==^?изг= 0,5 і?раз-

Для предварительных расчетов по рекомендациям ВНИИГ нм. Б. Е. Веденеева следует принять предел прочности льда при раз­ дроблении (с учетом местного смятия в зоне контакта с сооруже­ нием), равным при:

А — коэффициент, учитывающий климатические особенности рай­ она. В предварительных расчетах величину коэффициента А можно принимать по табл. П-9.

75

Глава III

МОРСКИЕ ОРГАНИЗМЫ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

§ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Изучение морских организмов и их воздействия на морские гид­ ротехнические сооружения, закономерностей, управляющих процес­ сами взаимодействия, и последствий такого взаимодействия яв­ ляется одним из направлений технической гидробиологии.

В подавляющем большинстве случаев воздействие морских ор­ ганизмов на сооружения связано с повреждениями последних и ре­ же с ухудшением условий работы сооружений.

Повреждение материалов и сооружений морскими организма­ ми— биоповреждения— достигает огромных размеров и оценивает­ ся, примерно, в 8—9 -109 рублей [9]. В связи с этим вполне понятен тот интерес, который проявляется во всех странах к этой проблеме.

В нашей стране изучением воздействия морских организмов на материалы и изделия занимается ряд научных учреждений в соста­ ве АН СССР и заинтересованных Министерств.

Достигнуты определенные результаты, но многие вопросы оста­ ются пока еще нерешенными. В частности, предстоит большая ра­ бота по изысканию мер защиты морских гидротехнических сооруже­ ний от биоповреждений, чему должно предшествовать изучение особенностей организмов, причиняющих вред сооружениям, особен­ ностей материалов и сооружений и условий, в которых происходят эти повреждения.

Следовательно, при изучении проблемы биоповреждений долж­ ны использоваться средства и методы гидробиологии, гидрологии (океанологии) и гидротехники.

Ниже очень кратко излагаются некоторые вопросы, связанные с указанной проблемой.

§ 2. ГНИЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ И ДРЕВОТОЧЦЫ

Деревянные конструкции морских гидротехнических сооруже­ ний подвергаются гниению и поражаются древоточцами.

Г н и е н и е — это процесс разложения древесины под влиянием физико-химических факторов и разрушительного действия грибов.

77

Грибы относятся к низшим растениям, лишенным хлорофилла. Вегетативное тело, — мицелий или грибница, — состоит из тонких ветвящихся нитей — гифов, которые растут своими концами и рас­ пространяются на поверхности или внутри древесины. Размножают­ ся грибы посредством особых клеток — спор.

Споры, попав на древесину, прорастают, образуют мицелий. Ми­ целий выделяет особые ферменты, превращающие внутриклеточные вещества и вещество клеточных оболочек в растворимые сахара, которые усваиваются грибами. В результате клетки древесины раз­ рушаются, древесина делается мягкой, губчатой и теряет свою проч­ ность.

Наиболе часто на гидротехнических сооружениях обнаружива­ ются: пленчатый домовый гриб, разрушающий древесину листвен­ ных и хвойных пород, белый домовый гриб, разрушающий в основ­ ном древесину хвойных пород, щелевой гриб, поражающий древе­ сину хвойных пород и др.

Наиболее благоприятные условия развития грибов создаются при влажности 25—60% и температуре 18—36° С. При влажности менее 25% развитие грибов прекращается от недостатка воды, а при насыщении древесины водой — из-за отсутствия достаточного для дыхания грибов количества кислорода. Поэтому под водой и в зоне капиллярного подъема воды древесина не гниет. Поскольку в грибах нет хлорофилла, наличие или отсутствие света не имеет су­ щественного значения для их развития.

В качестве мер предохранения древесины от гниения применяют пропитку древесины антисептиками — креозотовым маслом, медь­ содержащими настоями, карболинеумом, фтористым натром и др. Наряду с этим следует избегать сложных врубок и сочленений, где может задерживаться вода, а также необходимо обеспечить хоро­

фоладид и ракообразные из двух родов равноногих раков: лимнория и сферома и из рода раков бокоплавов — хелюра.

Из двустворчатых моллюсков наибольшее распространение полу­ чили тередо и банкия из семейства терединид. Терединиды живут в дереве и питаются древесиной. Личинки оседают на поверхности дерева и через несколько дней начинают внедряться вглубь дре­ весины.

Терединиды имеют характерную форму: вытянутое червеобраз­ ное тело и небольшую раковину из двух створок, прикрывающих переднюю часть тела. На створках раковины имеются зубы — до 5 тыс. штук. При движении створок раковин древесина измельчает­ ся и терединида продвигается вперед. Ходы терединид вначале рас­ полагаются перпендикулярно поверхности, а затем поворачивают вдоль волокон. Из хода наружу выведены два сифона: один — втя­ гивающий, другой — выпускающий воду. На заднем конце тела имеются две известковые пластинки, — палетки, — которые в случае

78

нужды плотно закрывают входное отверстие хода. Сам ход высти­ лается известковыми отложениями в виде трубки.

Тередо во взрослом состоянии могут достигать длины 350 мм, при диаметре 9,0 мм в Черном море, а в дальневосточных морях — 900—950 мм.

Банкие во взрослом состоянии имеют длину до 800 мм при диа­ метре 10—25 мм.

При большой плотности поселения терединид число входных от­ верстий достигает 60—70 на 1 см2 поверхности и дерево в попереч­ ном разрезе напоминает пчелиные соты. При этом рост отдельных особей ограничивается.

Основными факторами, ограничивающими распространение и активность терединид, являются температура и соленость морской воды. Тередо нормально развиваются при солености 12—25%о и мо­ гут выживать при понижении солености до 9%о и повышении до 35%0. При солености меньше 8%о и выше 40%0 тередо погибает. Для взрослых тередо наиболее благоприятная температура 10— 27° С. При понижении температуры до 5° С и повышении до 30° С тередо гибнут.

Тередо может довольствоваться ничтожным количеством кисло­ рода и даже существовать длительное время в анаэробных усло­ виях; хорошо переносит загрязнение воды и безразличен к харак­ теру грунта.

Банкия на изменение солености реагируют примерно также как

итередо, но значительно лучше переносит понижение температуры

иможет нормально развиваться при температуре, близкой к нулю. Из морей, омывающих берега Советского Союза, терединиды

встречаются в Черном, Азовском, Японском, Охотском и Баренце­ вом морях.

Терединиды приносят огромный ущерб, повреждая гидротехни­ ческие сооружения, построенные из дерева. В нашей стране самым неблагополучным в этом отношении является Черное море, где в некоторых портах деревянные сваи разрушались тередо в течении 1—2 лет. В других странах в ряде случаев наблюдалось еще более интенсивное повреждение, так, например, в США были разрушены новые сваи диаметром 50 см влечение шести месяцев.

Из ракообразных древоточцев в наших водах наибольшее рас­ пространение имеют несколько видов лимнории из отряда изопод, которые встречаются в Черном, Японском, Охотском, Баренцевом и Белом морях.

Лимнория имеет тело цилиндрической формы длиной 2—3,5 мм и шириной ~ 1 мм, в отдельных случаях длина тела достигает 8—8,5 мм при ширине -—2,5 мм (Охотское море, бухта Нагаева). Рот рачка вооружен четырьмя парами челюстей, из которых перед­ няя предназначена для резания и измельчения древесины, осталь­ ные ротовые части отправляют измельченную древесину в пищевод. Лимнория прогрызает ходы в наружных слоях древесины парал­ лельно поверхности. Ходы лимнории неглубоки, ~ 5 мм, редко 15 мм от поверхности; длина ходов составляет 5—8 см. Разрушен­

79