Интенсивное образование торосов имеет место в период ледостава на всех водоемах Сибири и Дальнего Востока в начале зимнего периода [1–2]. Смещение молодого льда, излом и вздыбливание льдин происходит под действием ветрового напора и нагонных волн в местах мелководья и вблизи береговой полосы. Высота вздыбленных вмерзших в покров льдин в торосах достигает 1,5–2 м. Образовавшиеся торосы являются значительным препятствием для проведения работ технологических комплексов на ледовом покрове [3–5].

Так при установке ячеек нейтринного телескопа на оз. Байкал ежегодно приходится проводить очистку ледового покрова на рабочих площадях от сформировавшихся заснеженных торосов [6] высотой от 2–2,5 м. С этой целью используются машины-планировщики, оснащенные режущей шнековой фрезой.

Разработка режущих органов, транспортирующих измельченную массу торосовых образований, является актуальной [7].

Данные по физико-механическим свойствам снежно-ледовой смеси частиц, образующейся при дроблении торосов на ледовом покрытии водоемов, необходимы для расчета транспортирования её рабочим органом машины планировщика. В связи с этим экспериментальное определение отсутствующих в литературе данных по свойствам снежно-ледовой массы является необходимым.

Целью работы является экспериментальное определение физико-механических свойств снежно-ледовой массы от разрушения торосов и установление зависимости этих свойств от температуры смеси частиц и массовой доли снега в смеси.

Для экспериментального определения свойств готовили смеси снега и измельченного льда. Снег просеивали через сито с размером ячеек 5х5 мм. Лед готовили замораживанием воды при температуре 16–24 °С в блоках размером 100х300 х500 мм.

После выдержки в течение трех суток блок разбивали на куски и измельчали до частиц размером менее 25 мм. Дробленую массу льда разделяли на фракции с размером кусков: 1 – менее 5 мм, 2 – с размером кусков 5–20 мм и 3 – более 20 мм.

Фракцию 3 подвергали вторичному дроблению и рассеву. Фракцию 1 ссыпали в снег, а фракция 2 считалась льдом и использовалась для приготовления изучаемых образцов снежно-ледовой массы.

Приготовленные образцы хранили при температуре минус 16–24 °С. Образцы для измерения смешивали в течение 30 мин.

Насыпную плотность снежно-ледовой массы определяли взвешиванием заполненного массой мерного стакана. Стакан заполняли свободным засыпанием исследуемой массой со сбрасыванием избытка материала рейкой.

Свойства дробленой снежно-ледовой массы определяли на приборе Дженике по методикам, описанным в [8]. Измерительный прибор с загруженным образцом материала помещали в термостат с температурой опыта (минус 2°, 8°, 15° и 22 °С) и выдерживали перед измерением 3 ч. За показание принимали среднее значение из трех параллельных измерений. Рассевы образцов дробленого льда, используемого для получения его смеси со снегом, показали, что в нем доля фракции с размером частиц 10–25 мм составляла 32–38 %, доля фракции размером 5–10 мм была 45–50 %, доля фракции с размером частиц 1–5 мм была 6–9 % и фракции менее 1 мм было 5–9 %. При расчете состава снежно-ледовой массы смеси фракцию с размером частиц менее 1 мм относили к снегу.

Приготовленные для смешивания со льдом образцы снега имели следующий гранулометрический состав: фракции менее 1мм 20–24 %, размером 1–2 мм 65–70 %, размером комочков 2–5мм 8–14 %. Насыпная масса исходного снега при температуре минус 22 °С была равна 83 кг/м3. Насыпная масса исходного льда была равна 787 ± 8 кг/м3. Результаты определения насыпной плотности приведены на рис. 1.

Судя по полученным данным насыпную плотность снежно-ледовой смеси с относительной достоверностью 10 % можно представить уравнением зависимости от температуры t и доли снега в смеси S имеющим вид

ρ0 = ρ0 (1 – 0,008 · t – 0,8),

где ρ0 – насыпная плотность льда с размером кусочков 10–25 мм при температуре минус 2 °С (ρ0 = 805 кг/м3);

0,008 – коэффициент влияния температуры на насыпную плотность;

0,8 – коэффициент влияния доли снега в смеси на насыпную плотность снежно-ледовой массы.

Рис. 1. Влияние доли снега в снежно-ледовой массе на её насыпную плотность

Температура измерения, минус °С: 1 – 22; 2 – 15; 3 – 8 и 4 – 2

Таблица 1

Углы естественного откоса снежно-ледовой смеси частиц

Таблица 2

Коэффициенты внутреннего трения снега, льда и снежно-ледовой массы

Насыпная плотность измельченной массы тороса с размером частиц менее 5 мм оказалась равной 490 кг/м3.

С понижением температуры от минус 2 °С до минус 22 °С угол естественного откоса снежно-ледовой массы меняется на 2,5–3 °.

Экспериментально установлено, что углы естественного откоса снежно-ледовой смеси близки к значениям углов естественного откоса для плотного снега, равного 51,5–58°. Углы естественного откоса для снежно-ледовой смеси приведены в табл. 1.

Угол откоса мало меняется и с ростом доли снега в смеси в 2 раза, всего на 3,5–4°.

Для расчетного определения угла естественного откоса снежно-ледовой массы можно использовать уравнение

где α0 – угол естественного откоса свежевыпавшего снега при температуре минус 2 °С (α0 = 30°);

0,0033 – коэффициент влияния температуры массы на его плотность (град -1);

0,225 – коэффициент учета плотности снежно-ледовой массы;

ρ0 – плотность свежевыпавшего снега при температуре минус 2 оС (ρ0 = 150 кг/м3).

Угол естественного откоса при температуре минус 15 °С для измельченной массы тороса оказался равным 56° для образца с долей снега 0,54.

Коэффициент текучести снежно-ледовой массы в интервале температур минус 2–22 оС мало зависит от температуры. Так, коэффициент текучести снежно-ледовой массы смеси с долей снега 0,5 при повышении температуры определения с минусом 22 °С до минус 2 °С снижается с 3,7 до 3,4 м2с/кг.

С увеличением доли снега в смеси более 0,2 при температуре минус 22 °С коэффициент текучести понижается с 4,2 м2с/кг до 2,8 м2с/кг при доле снега в смеси 0,7.

Результаты экспериментального определения коэффициента внутреннего трения снежно-ледовой массы приведены в табл. 2.

Зависимость коэффициентов внутреннего трения снежно-ледовой смеси (μbh) от температуры и относительной плотности снежно-ледовой смеси можно представить уравнением

где – коэффициент внутреннего трения свежевыпавшего снега с плотностью ρ0 равной 120 кг/м3 при температуре минус 2 оС;

0,06 – коэффициент влияния температуры (град -1);

0,09 – коэффициент учета платности снежно-ледовой массы.

Доля снега в смеси: 1 – 0,24; 2 – 0,8

Рис. 2. Влияние температуры (t) на коэффициент трения снежно-ледовой смеси по стали (μс)

Температура, минус оС: 1 – 22; 2 – 15 и 3 – 2

Рис. 3. Влияние доли снега в снежно-ледовые массы (S) на коэффициент трения смеси по льду (μл)

Как видно из данных табл. 2, коэффициент внутреннего трения с увеличением доли снега в смеси понижается, и для свежевыпавшего снега он почти в 2 раза ниже, чем для снежно-ледовой массы с долей снега 0,2. Для уплотненного снега (ρ0 = 470 кг/м3) он возрастает до значений, характерных для снежно-ледовой массы с долей снега в смеси 0,4–0,6. С понижением температуры снежно-ледовой массы от минус 2 °С до минус 22 °С коэффициент внутреннего трения возрастает в 1,6–2 раза.

Коэффициенты трения снежно-ледовой массы по стали оказались ниже, чем для снега. С увеличением доли снега в смеси с 0,2 до 0,8, как видно на рис. 2, возрастает примерно на 10 %. Более существенно влияние температуры на свойство смеси.

При понижении температуры с минус 2 °С до минус 22 °С величина коэффициента трения массы по стали уменьшается в 2,2–2,35 раза. Совместное влияние температуры (t) и относительной плотности массы снежно-ледовой смеси на величину коэффициента трения по стали описывается уравнением

где μс0 – коэффициент трения по стали свежевыпавшего снега при температуре минус 2 оС ( μс0 = 0,150);

ρ0 – плотность свежевыпавшего снега при температуре минус 2 °С (ρ0 = 150 кг/м3);

0,025 – коэффициент влияния температуры (град -1);

0,002 – коэффициент учета относительной плотности снежно-ледовой массы по льду в равных условиях в 2,5–3,5 раза меньше, чем по стали (рис. 3).

Он прогрессивно возрастает с 0,026 до 0,057 с увеличением доли снега в смеси от 0 до 0,5. При дальнейшем увеличении доли снега в смеси до 0,7 темпы роста коэффициента трения по льду снижаются. При доле снега в снежно-ледовой массе 0,7 коэффициент трения по льду увеличился до 0,062 (в 1,09 раза) и далее до 0,065 (для чистого снега). Вероятно, это связано с тем, что при малой доле льда в смеси со снегом кусочки льда окружены с поверхности частицами снега и контакт кусочков льда с поверхностью льда и друг с другом отсутствует. В результате при смещении слоя снежно-ледовой массы по поверхности льда с поверхностью контактируют только частицы снега. Поэтому величина коэффициента трения массы смеси приближаются к величине коэффициента трения снега по льду.

С понижением температуры снежно-ледовой массы с минус 2 до минус 22 °С коэффициент её трения по льду возрастает только в 1,08–1,18 раза.

Значение модуля уплотнения массы (ψ), зависит от размера частиц и их прочностных свойств, равно 0,12–0,15. Это характерно для грязного снега, убираемого в городах, с плотностью ~ 350 кг/м3.

Модуль уплотнения для сыпучих материалов обычно определяется уравнением

здесь β – критическое давление на слой, после достижения которого частицы начинают входить в микропространства между собой с частичным разрушением острых углов и ребер частиц.

,

где En – модуль упругости при пластической деформации, МПа;

;

ϑ – коэффициент Пуассона, E – модуль упругости, МПа;

R4m – радиус частиц максимального размера;

nd – величина деформации частиц в точке контакта, м;

nтк – число точек контакта частицы;

γ1 и γ2 – углы трения в точках контакта соответственно для состояния покоя и состояния смещения (обычно отношение .

Для снежно-ледовой массы с долей снега S = 0,4 – 0,6 коэффициенты бокового давления (φ) имеют значения для температурного интервала от минус 2 до минус 22 °С, равные φ = 0,9 – 1,1. Это близко к значениям коэффициента снега (φ = 0,95 – 1,2). Для расчета коэффициента бокового давления можно использовать уравнение

где φ0 – коэффициент бокового давления свежевыпавшего снега при температуре минус 2 °С (φ0 = 0,35);

ρ0 – плотность свежевыпавшего снега (ρ0 = 150 кг/м3);

0,09 – коэффициент влияния температуры (град -1);

0,135 – коэффициент влияния относительной плотности массы снежно-ледовой смеси.

Заключение

Измельченная снежно-ледовая масса торосов может иметь следующие значения физико-механических свойств:

– насыпная масса 450–750 кг/м3 при колебании доли снега в ней в пределах 0,4–0,5;

– угол естественного откоса 56–60°;

– коэффициент внутреннего трения

0,54–0,75;

– коэффициент трения по стали

0,09–0,13;

– коэффициент бокового давления

0,9–1,1;

– модуль уплотнения 0,1–0,14.