Содержание
Лёд – твердое состояние воды, его свойства, классификация, формы и фото …
Он образуется при понижении температуры воды ниже 0 градусов по Цельсию. Эта температура называется температурой Кристаллизации воды. лёд, как и снег, состоит из кристаллов льда, с формами которых вы можете ознакомиться в нашей статье Снег кружится.
Приведем несколько точных определений.
Большой Энциклопедический словарь
Лед — вода в твердом состоянии. Известны 11 кристаллических модификаций льда и аморфный лед. В природе обнаружена только одна форма льда — с плотностью 0,92 г/см³, теплоемкостью 2,09 кДж/(кг.К) при 0 °C , теплотой плавления 324 кДж/кг, которая встречается в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), снега и инея. На Земле ок. 30 млн. км³ льда. Используется для хранения, охлаждения пищевых. продуктов, получения пресной воды, в медицине.
Большой Энциклопедический словарь. 2000
Морской словарь
Лед (Ice) — вода в твердом состоянии. Обыкновенный лед легче воды, удельный вес при 0° — 0,9175. Сто объемов Льда образуются из 92 объемов воды, этим объясняется разрушительное действие воды при замерзании в закрытых сосудах, трубопроводах, отсеках и т. п.
Самойлов К. И. Морской словарь. — М.-Л.: Государственное Военно-морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941
Словарь по географии
Лед — Твердая форма воды, образуемая в природе путем замерзания воды на реках, озерах и морях, конденсации атмосферного водяного пара в ледяные кристаллы, уплотнения снега и т.п.
Словарь по географии. 2015
В результате процесса образования льда – кристаллизации воды, выделяется некоторое количество газов и солей. Это свойство используется для очистки питьевой воды, подробно про это мы писали в материале ТАЛАЯ ВОДА, ПРИГОТОВЛЕНИЕ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ → .
Лёд имеет меньшую плотность, чем жидкая вода, поэтому он и не тонет. Это свойство аномальное, как правило, большинство веществ, в твердом состоянии имеет большую плотность. Меньшая плотность льда говорит о том, что вода при замерзании увеличивается в объеме. Этот факт необходимо учитывать в быту. Например, если замерзнет водопровод, то образовавшийся в процессе этого лёд может «порвать» трубы, что, в принципе, всем хорошо известно.
Свойства льда — свойства воды в твердом состоянии
Свойства воды в твёрдом состоянии как таковые мы уже рассматривали и в других наших материалах — ЛЕДНИК — ХРАНИТЕЛЬ ПРЕСНОЙ ВОДЫ → , БЕЛЫЕ СНЕЖИНКИ НА НОВЫЙ ГОД → , СНЕГ КРУЖИТСЯ → .
- Лёд образуется … или иначе говоря вода переходит в твердое состояние при температуре равной 0 °C (при условии атмосферного давления равного 760 мм рт.ст. / 1 атм).
- Замерзая вода увеличивается в объеме. Плотность льда меньше плотности жидкой воды, удельный вес льда при 0° = 0,917 и соответственно удельный вес воды при 0° = 0,9999. Именно поэтому лед и не тонет. Это свойство воды является аномальным.
- При дальнейшем понижении температуры, лёд сжимается, чем и объясняются трещины на больших лёдовых пространствах.
- Теплоемкость льда ниже, чем у воды практически в 2 раза.
- Температура замерзания морской воды выше чем пресной и равняется
«Ледовые строительные площадки, дороги и переправы»
Ледовые строительные площадки, дороги и переправы / Н.Н. Бычковский, Ю.А. Гурьянов; под общ. ред. Н.Н Бычковского. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2005. 260 с.
В книге приведены методы расчета ледяного покрова рек и водохранилищ с целью устройства временных строительных; площадок, подъездных нукай к ним и переправ. Дано теоретическое обоснование возможных упрощений расчетных схем при проектировании с применением методики расчета по предельным состояниям.
Значительное внимание уделено новым вопросам использования ледяного покрова и особенностям его работе; под временной подвижной нагрузкой.
Обобщен отечественный опыт проектирования временных ледовых переправ, возводимых через большие реки и водохранилища как при производстве различных строительных работ, так и для сезонной эксплуатации.
Предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся проектированием в гидротехническом и транспортном строительстве.
Ил. 63, Табл. 21. Библиогр. 197 назв.
ПРЕДИСЛОВИЕ
По мере дальнейшего развития гидротехнического и транспортного строительства в восточных и северных районах нашей страны, все большие объемы работ приходится выполнять в зимнее время, на льду и со льда рек и водохранилищ.
Примеры использования естественного ледяного покрова известны очень давно, но изучение работы ледяного покрова под нагрузкой и применение общих принципов строительной механики к расчету ледяного покрова началось сравнительно недавно и вызвано повышением веса передвигаемых по льду грузов.
Ледяные переправы через реки и водохранилища устраивают в условиях достаточно суровой зимы с устойчивыми отрицательными температурами воздуха. Ледяной покров должен обладать достаточной несущей способностью (грузоподъемностью), а глубина воды подо льдом на переправе в течение всего периода ее работы должна быть не менее 1 м при самом низком уровне воды и наибольшей толщине льда.
В нашей стране ледяные переправы применяются с 90-х годов XIX столетия и в силу благоприятных условий получили довольно широкое распространение. Длина переправ колебалась от сотен метров до десятков километров (оз. Байкал).
Границы территории, на которой возможно устройство ледяных переправ, помимо гидрометеорологических условий, зависят также и от веса подвижного состава, передвигающегося по льду: чем тяжелее нагрузка, тем толще должен быть лед. Если в прежние годы по ледяным переправам передавались преимущественно легкие двухосные вагоны и для этого достаточна была толщина льда на переправе 40-70 см, то в настоящее время переброска полногрузных четырехосных вагонов с тепловозной тягой требует уже ледяного покрова толщиной в естественных условиях порядка 90-100 см. Утяжеление подвижного состава вносит определенные ограничения в область применения ледяных переправ по сравнению с той, которая была определена для более легких нагрузок. В настоящее время существует альтернатива железнодорожным перевозкам — автомобили большой грузоподъемности.
Переправы по льду обычно устраивают с использованием несущей способности ледяного покрова и укладкой пути непосредственно на лед; иногда встречается еще другой тип переправ — свайно-ледяные, у которых нагрузка передается на дно реки через забитые сваи. Свайно-ледяные переправы — по существу деревянные мосты, у которых ледяной покров выполняет роль связи между сваями. Этот тип переправ сложен и дорог в постройке и эксплуатации и малопригоден для применения на широких и глубоких реках и водохранилищах.
Комплекс сооружений и устройств ледяной переправы обычно неразрывно связан с комплексом паромной переправы и включает следующие основные элементы: железнодорожные подходы с путевым развитием; путь на льду и у берегов; сигнализацию и связь; энергоснабжение; автомобильные дороги, здания, склады и др. Некоторые элементы могут быть общими для паромной и ледяной переправ, например энергоснабжение, некоторые здания, база топливо-смазочных материалов и т.п.
Место переправы выбирают так, чтобы вблизи пути на льду отсутствовали полыньи, выходы грунтовых вод и места сброса теплых сточных вод. При наличии полыньи трассу ледяной переправы располагают не ближе 100 м от границы полыньи. Границей полыньи принято считать то место, где толщина льда составляет 50% толщины естественного льда на переправе. Желательно, чтобы длина пути на льду была минимальной и путь не имел кривых.
В полевых условиях рекомендуется выяснить характер образования ледяного покрова (льды нарастания или льды нагромождения); места образования и кромки полыней в районе переправы и ход их замерзания во времени; ход изменения толщин льда путем регулярных замеров через 2 — 5 суток по створу ледяной переправы в естественных условиях под снегом и на опытных площадках размером 20×20 м, очищенных от снега; величину временного сопротивления на изгиб ледяного покрова, очищенного от снега, при различных температурах воздуха, с одновременным описанием и замером толщин различных слоев льда.
Рекомендуется собрать имеющиеся многолетние данные наблюдений за температурами воздуха, воды, толщинами льда и уровнями воды в реке. Используя годовые таблицы ежедневных срочных наблюдений за уровнями, можно по ним построить совмещенный по годам график зимнего хода уровня воды в отметках продольного профиля пути. Примерные объемы основных изыскательских работ по ледяным переправам приведены в приложении 4 [154].
Рассматривая зимний ход уровня воды и собранные данные о толщинах льда, можно установить ранние, средние и поздние сроки работы ледяной переправы. Начало работы переправы приурочивают к моменту, когда толщина естественного ледяного покрова под снегом достигает 90-100 см, а конец работы — к началу предвесеннего подъема уровня и появлению верховодки на льду. Наивысшая отметка уровня, наблюдавшаяся в начале работы ледяной переправы, является расчетным уровнем высокой воды (РУВВ), а наинизшая, наблюдавшаяся в конце работы переправы, — расчетным уровнем низкой воды (РУНВ). Разность отметок РУВВ и РУНВ даст амплитуду уровней Δ, которую предстоит обслуживать ледяной переправе.
Современное состояние методов расчета грузоподъемности ледяного покрова можно разделить на три основные группы:
а) методы, основанные на эмпирических формулах;
б) упрощенные методы расчета, основанные на принципе аналогии;
в) расчетные методы, основанные на положениях теорий упругости и пластичности.
В практических расчетах ледяного покрова наиболее широкое применение получил последний метод, основанный на теории центрального изгиба бесконечной упругой плиты на упругом основании. Выявление действительной схемы работы ледяного покрова под нагрузкой весьма сложно, так как приходится иметь дело с рядом непостоянных факторов, и кроме того оно усугубляется большой математической сложностью.
При малой толщине или плохом состоянии льда возникает необходимость его усиления. Известны три основных способа усиления льда: расчистка его от снега, намораживание и усиление настилом. Возможна также и комбинация этих способов.
Проблема увеличения грузоподъемности ледовых дорог и переправ может быть решена лучшим образом путем усиления основного ледяного покрова способом намораживания. В таких случаях получается плита переменной толщины, чаще всего со ступенчатым изменением ее толщины по участкам.
В связи с этим возникает проблема расчета плит переменной толщины, лежащих на упругом основании. Необходимо также разработать способы определения несущей способности таких конструкций и определить коэффициенты запаса прочности, которые они будут иметь в период эксплуатации.
Для всестороннего, полного исследования работы таких ледовых переправ потребовалось поставить и решить ряд статических и динамических задач изгиба ледяного покрова.
Как показал опыт проектирования, строительства и эксплуатации ледовых дорог и переправ, они, как временные транспортные сооружения, по экономическим и технологическим показателям имеют большие перспективы развития.
С этой целью произведены соответствующие исследования по следующим вопросам:
— обоснование возможности расширения диапазона применения ледовых дорог и переправ путем усовершенствования методов их расчета;
— исследование влияния граничных условий в прибрежной зоне рек и водохранилищ, а также изменения уровней воды в них, на несущую способность ледяного покрова;
— выявление влияния пластических деформаций льда при определении несущей способности ледяного покрова;
— изучение возможности увеличения несущей способности естественного ледяного покрова с помощью намораживания дополнительной полосы льда;
— исследование влияния масс вибрационных и движущихся нагрузок на ледяной покров и выявление опасных резонансных режимов эксплуатации ледовых переправ;
— изучение влияния волновых процессов, происходящих в воде, на колебания ледяного покрова при пропуске по нему подвижных нагрузок;
— определение импульсов сил, возникающих при проходе подвижных нагрузок через неровности проезжей части дороги, образующиеся в результате эксплуатации ледовых переправ, и исследования влияния этих динамических импульсов на поведение ледового покрова.
Исследования производились расчетно-теоретическими и экспериментальными методами.
Исследовано влияние граничных условий в прибрежной зоне и изменения уровней воды в реках и водохранилищах на грузоподъемность ледяного покрова [16] . Доказана возможность усиления естественного ледяного покрова способом намораживания дополнительного слоя льда снизу или сверху существующего ледяного слоя [12]. Разработана конструкция усиления ледяного покрова способом намораживания и предложены способы расчета такой конструкции при ее цилиндрическом и центральном изгибе от действия внешних нагрузок [16, 24]. Предложен способ расчета плит переменной толщины на упругом основании по предельным состояниям, основанный на теории малых упругопластических деформаций [20]. Как распространение этого способа на другие конструкции, разработан способ расчета пологих сферических и незамкнутых цилиндрических оболочек по предельному состоянию [21].
Получены расчетные значения разрушающих нагрузок для ледяного покрова с целью определения запасов прочности при проектировании ледовых дорог и переправ [20]. Разработан способ расчета балок и плит на упругом основании на вибрационную нагрузку с учетом массы действующего на них внешнего груза [14]. Предложен способ динамического расчета балок и плит на упругом основании на воздействие движущихся нагрузок с учетом их масс [22].
Решена задача динамического изгиба ледяного покрова от воздействия движущихся по нему нагрузок с учетом волнового процесса, происходящего в воде, являющейся упругим основанием. Исследовано взаимное влияние на ледяной покров нескольких движущихся с заданным интервалом произвольных нагрузок [12].
Определены значения импульсов сил, возникающих при проходе подвижных нагрузок через неровности ледовых дорог и переправ, и проведена качественная и количественная оценка влияния этих импульсов на ледяной покров [12, 18]. Экспериментально определены величины логарифмических декрементов затухания для льда как материала и воды как упругого основания.
Результаты исследований позволили обосновать возможность увеличения несущей способности (грузоподъемности) строительных площадок, ледовых дорог и переправ, используя способ намораживания дополнительной полосы льда снизу или сверху основного ледяного слоя.
На основании теоретических и экспериментальных исследований предложены рациональные способы конструирования ледовых дорог и переправ, представляющих собой ледяную плиту со ступенчатым изменением жесткости на отдельных участках.
Определены оптимальные параметры (соотношение толщин участков плиты, их ширина и др.), при которых достигается максимальное увеличение грузоподъемности ледяного покрова при минимальных экономических затратах средств на их сооружение.
Учет влияния пластических деформаций льда в настоящее время становится обязательной составной частью расчетов ответственных ледовых дорог и переправ.
Всестороннее исследование работы ледяного покрова под воздействием динамических нагрузок позволяет повысить эффективность использования и надежность эксплуатации ледовых дорог и переправ.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам за ценные замечания и пожелания, данные ими при подготовке книги к изданию.
инженер Ю.А. Гурьянов — часть 1;
к.т.н., доцент Н.Н. Бычковский — части 2 и 3.
ВВЕДЕНИЕ
При строительстве гидротехнических и транспортных сооружений большие объемы сложных и трудоемких работ, таких как возведение перемычек, перекрытие рек, сооружение мостовых опор и монтаж пролетных строений, прокладка трубопроводов и т.д., могут выполняться и в зимнее время, на льду рек и водохранилищ.
Особенно большое значение приобретает использование ледяного покрова для устройства ледовых строительных площадок, дорог и переправ в суровых климатических условиях, где продолжительность периода с отрицательными температурами составляет 200-250 дней в году. При использовании ледяного покрова для вышеуказанных целей возникает необходимость в определении его грузоподъемности при самых различных схемах загружения, разных граничных условиях и стадиях работы льда как материала.
Следовательно, изучение механических свойств льда имеет первостепенное значение для решения перечисленного ряда задач. Состояние изученности механических свойств ледяного покрова не всегда соответствует предъявляемым инженерной практикой требованиям. Как правило, опубликованные в литературе лабораторные определения механических характеристик льда не увязаны с полевыми исследованиями, из-за чего по ним не представляется возможным охарактеризовать механические свойства ледяного покрова.
Поэтому, при рассмотрении недостаточно изученных вопросов, связанных с определением физико-механических свойств ледяного покрова, авторами проводились экспериментальные исследования в естественных полевых условиях. Результаты этих исследований изложены в первой части книги.
Вопросам изучения физико-механических свойств льда, исследованию проблемы расчета ледяного покрова и увеличения его грузоподъемности посвящены работы Г.А. Авсюка, С.А. Арцыбашева, С.А. Бернштейна, Г.Р. Брегмана, И.П. Бутягина, Б.П. Вейнберга, К.Ф. Войтковского, С.С. Голушкевича, А.Д. Дмитриева, A.M. Елистратовой, Н.Н. Зубова, Б.Д. Карташкина, С.В. Изюмова, К.Н. Коржавина, М.М. Корунова, А.Н. Крылова, Б.Г. Коренева, Г.Л. Кузуба, В.В. Лаврова, П.И. Лебедева, Б.В. Проскурякова, Д.В. Панфилова, В.Н. Пинегана, И.С. Песчанского, Б.А. Савельева, Д.Е. Хейсина, А.Ф. Хренова, П.А. Шуйского, Г.Н. Яковлева и многих других.
Изучены и по необходимости использованы также наиболее интересные работы некоторых зарубежных авторов.
Необходимо отметить, что свойства льда по-разному проявляются на различных этапах работы ледяного покрова, то есть зависят от характера нагружения. Под нагрузкой ледяной покров претерпевает разные стадии деформации.
Нагрузки по характеру воздействия их на лед можно разделить на статические и динамические. По мнению Б.П. Вейнберга [26], такое рассмотрение носит условный характер, поскольку переход от одной группы нагрузок к другой происходит постепенно и, следовательно, в интервале действия статических и динамических нагрузок существует промежуточное состояние ледяного покрова.
В зависимости от характера воздействия нагрузок работа ледяного слоя может быть сведена к следующим случаям:
1. Ледяной покров изгибается под действием статически приложенных нагрузок.
2. Ледяной покров изгибается и подвергается колебаниям под действием движущихся нагрузок.
3. Ледяной покров испытывает колебания от действия на него вибрационных нагрузок.
4. Ледяной покров подвергается воздействию импульсивных нагрузок.
При эксплуатации ледовых дорог и переправ по ним возможен пропуск нагрузок в виде автомобилей, гусеничных машин, мотовозов, железнодорожных вагонов и других.
В зависимости от грузоподъемности ледяного покрова и веса движущейся по нему нагрузки, последняя может пропускаться по ледовой переправе в виде:
1) отдельных транспортных единиц по схеме одиночного груза;
2) транспортных колонн с определенным интервалом между движущимися единицами;
3) условной, равномерно распределенной вдоль направления движения нагрузки.
В работе [17] показано, что при расстоянии между отдельными грузами а ≥ 6/λ влияние соседних грузов друг на друга при изгибе ледяного покрова практически исключается. Здесь λ — характеристика ледяного слоя (глава 3, п. 1).
При расстоянии 6/λ ≤ а ≤ 1/λ необходимо учитывать взаимодействие грузов при изгибе ледяного покрова [17].
И, наконец, при расстоянии а < 1/λ, внешнюю нагрузку можно считать условно равномерно распределенной, численно равной весу одиночного груза, деленного на интервал а.
При расчете ледяного покрова на действие неподвижных одиночных грузов расчетная схема принимается в виде плиты на упругом основании, загруженной сосредоточенной или равномерно распределенной по окружности нагрузкой.
Радиус этой окружности для двухосных автомобилей принимается равным половине расстояния между центрами диагонально расположенных колес передней и задней осей.
Радиус, окружности для трехосных автомобилей принимается равным половине расстояния между центрами диагонально расположенных колес двух задних осей. Такое допущение для трехосных автомобилей является оправданным, так как в груженом состоянии у них на задние оси приходится до 80% от всей нагрузки. В зависимости от толщины льда безразмерный радиус окружности α = r ·λ изменяется в пределах 0,1÷0,2.
В практике гидротехнического строительства нагрузки на лед могут передаваться по площадкам разных форм и размеров, обычно заменяемым правильными равновеликими фигурами (круг, квадрат и т.д.). Влияние характера распределения нагрузки на несущую способность льда достаточно подробно исследовано Д.Ф. Панфиловым в работе [115].
Некоторые авторы [17], [41] и другие считают, что при проведении подобных расчетов ледяной покров можно рассматривать как упругую пластинку, опирающуюся на упругое основание, изгиб которой описывается известным уравнением (3.3) или (3.14) (глава 3, п. 3.1).
Как известно, дифференциальное уравнение (3.14) основано на гипотезе недеформированных нормалей, которая равносильна предположению об отсутствии сдвигов в вертикальной плоскости. Некоторые же авторы, например Н.Н. Зубов [55], считали, что в силу специфической структуры льда в деформации плавающего ледяного слоя большое, а может быть, преимущественное значение имеет сдвиг его элементов в направлении действия силы. Кроме того, возможность использования уравнения (3.14) для описания деформационного состояния ледяного слоя нередко ставится под сомнение в связи с анизотропией льда.
С теоретической точки зрения указанные возражения не лишены определенных оснований.
Поэтому, с целью оценки влияния указанных факторов, Д.Ф. Панфиловым [114] рассматривалась задача об изгибе ледяного слоя под действием кратковременной статической нагрузки с учетом поперечных деформаций сдвига и анизотропии льда. Из этой работы можно сделать вывод, что роль поперечных сдвигов в деформации ледяного слоя пренебрежимо мала.
Б.А. Савельевым [139] приведен расчет ледяного слоя толщиной H =1,0 м, загруженного весом P =24 тс, распределенного по кругу r =1,4 м. Сопоставляя нормальные и касательные напряжения, возникающие в ледяном покрове, Б.А. Савельев показывает, что нормальное напряжение в 940 раз превосходит касательное. Вопрос о практическом влиянии анизотропии льда на расчет ледяного покрова рассматривался также А.Е. Якуниным [185].
Для уточнения работы ледяного покрова под нагрузкой, Новосибирским филиалом ЦНИИСа зимой 1964-1965 гг. [31] были проведены испытания ледяного покрова на действие кратковременной нагрузки. Лед намораживался в открытом бассейне диаметром 12 м, толщиной от 3 до 10 см. Испытания проводились по схеме загружения одиночным грузом.
В процессе экспериментов замерялись толщина льда, прогибы, разрушающие нагрузки и температура наружного воздуха. Одновременно вырезались образцы льда и определялись механические свойства ледяного покрова в бассейне.
Сравнение экспериментальных данных с расчетными показало, что несущая способность ледяного покрова, определенная по формулам изотропной пластинки на упругом основании, несколько ниже, чем полученная экспериментальным путем.
И, наконец, можно отметить работы Н.Н. Бычковского [17], [12] 1969, 1976 гг., в которых достаточно подробно подтверждается возможность расчета ледяного покрова как плиты на упругом основании, а имеющиеся в этих работах многочисленные опытные данные показывают вполне удовлетворительное совпадение экспериментальных и теоретических результатов.
Часть пер вая
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЕДЯНОГО ПОКР О ВА
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Л ЬДА
1.1. Структура ледяного покр ова
Лед имеет кристаллическое строение. Кристаллы льда оптически одноосные, принадлежат к гексагональной сингонии [27]. Внешняя форма кристаллов разнообразна и зависит от условий их образования и роста. Однако можно выделить три основных вида кристаллов льда: пластинчатый, столбчатый и иглообразный. Размеры кристаллов весьма разнообразны (от долей миллиметра до одного метра и более), они непрерывно изменяются в результате процессов рекристаллизации, заключающихся в росте одних кристаллов за счет других. Кристаллы льда характеризуются резко выраженной анизотропностью механических свойств в зависимости от направления действия усилия относительно базисной плоскости (плоскость, перпендикулярная к оптической оси кристалла).
Атомы в пространственной решетке льда располагаются таким образом, что нарушение в базисной плоскости вызывает разрыв только двух атомных связей на одну элементарную ячейку, в то время как нарушение по любой другой плоскости, перпендикулярной к базисной, требует разрыва по меньшей мере четырех связей на одну ячейку [27]. Поэтому структуру кристалла льда можно представить как совокупность многочисленных, очень тонких, прочных, но гибких пластинок. Промежутки между элементарными пластинками — плоскостями наиболее густого расположения атомов — являются плоскостями ослабления, по которым может происходить относительное скольжение пластинок.
Ввиду анизотропии свойств льда необходимо учитывать его строение и направление оптических осей кристаллов.
В природе встречаются различные виды льда, отличающиеся друг от друга по своей структуре и по другим свойствам. Большей частью приходится иметь дело с поликристаллическим льдом, который состоит из беспорядочно ориентированных кристаллов, спаянных между собой (зернистый лед), или сросшихся отдельных кристаллов, направление осей которых приблизительно параллельное.
Структура льда зависит от способа его образования. Различают следующие основные виды структуры льда:
• сплошная кристаллическая структура, образуется при спокойном замерзании воды;
• игольчатая структура, часто с наличием пузырьков воздуха, образуется в месте соприкасания воды и льда;
• слоистая структура, образуется при периодических замерзаниях отдельных слоев воды или при уплотнении отдельных мокрых слоев снега;
• фирновая (зернистая) образуется при смерзании снега;
• мелкоагрегатная неправильная структура образуется при переменном замерзании с перемешиванием (наблюдается в верхнем слое больших водоемов);
• рыхло-чешуйчатая структура, наблюдается в свежевыпавшем снежном покрове, а также при замерзании воды, конденсирующейся из пара.
В настоящее время имеется более полная и совершенная генетическая классификация льдов, разработанная П.А. Шумским [179], в которой учтены все виды пресных льдов и дано подробное описание условий их образования и залегания, структуры, ориентировки кристаллов, характера включений воздуха, но для инженерной практики вполне достаточна приведенная выше классификация [27].
По характеру образования Н.Н. Зубов различает льды нарастания и льды нагромождения. Первые образуются на реках с медленным течением в безветренную погоду; поверхность реки почти покрывается тонкой прозрачной коркой льда; вторые образуются на реках с быстрым течением; вода переохлаждается на всю глубину потока, в русле скапливается большое количество шуги, внутриводного льда и мелких битых льдин; в излучинах или узких местах русло постепенно забивается этими образованиями и возникает затор, уровень воды поднимается, скорость течения падает и река замерзает с образованием торосов. Начальная толщина льда в этих условиях составляет около 10-20 см.
Нарастание толщины прозрачного ледяного покрова при отсутствии снегопада идет снизу. При снегопаде ледяной покров перегружается, и вода по трещинам выступает на поверхность льда. Под снегом вода долго не замерзает, образуя впоследствии мутный лед, насыщенный пузырьками воздуха.
Во льду обычно встречается некоторое количество примесей — включений воздуха или газов и солей. Газообразные включения во льду получаются или непосредственно из атмосферы, или из замерзающей воды (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Воздушные включения в озерном ледяном покрове
Воздушные включения во льду бывают в виде мелких сферических полостей или удлиненных замкнутых ячеек, встречаются также открытые поры и трещины.
При спокойном замерзании воды в самых верхних слоях ледяного покрова преобладают кристаллы с оптическими осями, направленными параллельно поверхности замерзания, а ниже — кристаллы с вертикальными осями. По данным Б.А. Савельева [138], в озерном ледяном покрове кристаллы с оптическими осями, параллельными поверхности замерзании, встречаются примерно до глубины 18 см, а ниже все кристаллы имеют оптические оси, перпендикулярные к плоскости замерзания. По мере удаления от поверхности часть кристаллов выклинивается, а поперечный размер оставшихся кристаллов увеличивается.
При замерзании воды с перемешиванием оси кристаллов льда располагаются хаотически, поэтому ледяной покров рек в целом можно считать изотропным.
Самый верхний слой льда из слежавшегося снега (снеговой лед) имеет зернистую ноздреватую структуру.
Структура льда представляет одну из основных его характеристик, однако зависимость прочности льда от его структуры не имеет пока точного количественного выражения. Самым прочным является нижний слой прозрачного льда. Расположенный выше мутный лед по прочности уступает прозрачному примерно в 1,5-2 раза. Снеговой лед ввиду его малой прочности обычно во внимание не принимается.
1.2. Основные закономерности деформирования льда
В случае приложения ко льду какой-либо силы он начинает деформироваться, при этом в зависимости от различных факторов он ведет себя как упругое, пластическое или хрупкое тело, т.е. деформируется упруго, пластически или хрупко разрушается.
Одним из основных характерных свойств льда по сравнению с другими кристаллическими телами являются его отчетливо выраженные пластические свойства. Под воздействием нагрузки лед может изменить свою форму без изменения объема, как бы течь. Поэтому пластические деформации льда иногда сравнивают с течением очень вязкой жидкости.
Область проявления чисто упругих свойств настолько мала, что ее практически не удается выделить. Обычно при любой величине напряжения наряду с упругими деформациями наблюдаются пластические деформации. Упругие деформации происходят в момент приложения нагрузки, а непосредственно за упругими начинаются пластические деформации.
Общая деформация обычно состоит из двух частей: упругой, т.е. обратимой деформации, и пластической — остаточной. По данным К.Ф. Войтковского [27], уже в течение первых пяти минут действия силы величины пластической деформации льда превышают упругую деформацию.
Механические свойства льда, т.е. способность льда сопротивляться воздействию внешних сил, значительно изменяются в зависимости от температуры. Чем ближе температура льда к точке его плавления, тем сильнее проявляются его пластические свойства и уменьшается прочность.
Для льда с ориентированным направлением кристаллов при сжатии в направлении, перпендикулярном к направлению оптических осей кристаллов, скорость деформации несколько больше, а предел прочности — меньше, чем при сжатии в направлении осей кристаллов.
Если напряжение в изгибаемом образце льда превысит некоторый предел, то вслед за стадией установившейся скорости деформации наступает стадия ускоряющейся деформации, заканчивающаяся разрушением образца.
Хрупкое разрушение льда наблюдается при увеличении напряжения в нем до некоторого предела — предела прочности, и в ряде случаев при действии динамических нагрузок. При определении деформации ледяного покрова последний можно рассматривать как пластинку бесконечных размеров. Такое допущение можно сделать и для речного льда, если длина распределения круговой волны изгиба льда под нагрузкой мала по сравнению с шириной реки. Подобное допущение вполне реально и, кроме того, оно позволяет пренебречь влияниями краевых, условий, предполагал, что действующие на значительном расстоянии от нагрузки внутренние усилия стремятся к нулю.
При выводе дифференциального уравнения изогнутой поверхности сойкой упругой плиты предполагается, что материал ее изотропен. Ледяной покров не является изотропным материалом и применение к нему подобного решения будет оправдано только в том случае, если требуемые для расчета физико-механические характеристики будут даны в виде среднеинтегральных значений для ледяного покрова в целом. Другими словами, для упрощения задачи мы будем иметь дело с абстрагированным изотропным ледяным покровом, основные свойства которого соответствуют среднеинтегральным значениям характеристик действительного ледяного покрова.
Всякое изменение напряженного состояния льда сопровождается переходом некоторого количества воды из одного агрегатного состояния в другое на границе раздела воды и льда.
Пренебрегаем влиянием перемещения нижней границы, обусловленного фазовым переходом льда в воду под действием нагрузки на несущую способность ледяного покрова.
Принимаем, что физико-механические свойства ледяного покрова однородны в горизонтальных направлениях.
1.3. Упругие характеристики ледяного покрова, модуль упругости и модуль сдвиг а льда
В естественных условиях поведение ледяного покрова, лежащего на упругом жидком основании при действии кратковременной нагрузки, приближается к упругому. С.А. Бернштейн [8] на основании своих наблюдений за поведением ледяного покрова под воздействием движущейся нагрузки считает вполне допустимым в этих условиях характеризовать ледяной покров как мнимоупругое тело. Присоединяясь к мнению С.А. Бернштейна, С.С. Голушкевич [41] вводит понятие «фиктивной» упругости, возникающей благодаря возвратной реакции поверхности воды.
Несомненно, что в ледяном покрове под воздействием нагрузки происходят процессы локального характера, на которые указывал Б.П. Вейнберг [26], но наличие идеально упругой подстилающей поверхности приводит к почти полному аннулированию остаточной деформации.
Учитывая высказанные соображения, следует отметить весьма важную особенность в работе ледяного покрова: при кратковременном действии нагрузки, не превышающем величины его грузоподъемности из расчета в упругой стадии, ледяной покров ведет себя как упругое тело и к нему применимы классические дифференциальные уравнения теории упругости.
Решение последних возможно только в том случае, если известны следующие упругие характеристики ледяного покрова: модуль упругости и коэффициент Пуассона. Кроме того, необходимы сведения об изменении упругих характеристик в ледяном покрове по слоям и во времени.
Модуль упругости характеризует сопротивляемость льда упругой деформации при растяжении или сжатии. При одностороннем сжатии и растяжении зависимость между относительной деформацией и нормальными напряжениями для льда можно выразить законом Гука.
где ε — относительная деформация сжатия или растяжения;
σ — величина нормального напряжения;
Е — модуль упругости, являющийся коэффициентом пропорциональности, связывающим нормальное напряжение и относительную деформацию.
Для определения модуля упругости применяются два метода: статический и динамический. Сущность статического метода заключается в измерении величины деформации после приложения нагрузки при испытании образцов льда на сжатие, растяжение или изгиб. Динамический метод основан на вычислении модуля упругости по данным замеров скорости распространения по льду упругих колебаний.
Многочисленными исследователями произведено большое количество опытов по определению модуля упругости льда. Анализ полученных данных (приложение 1 [12]) приводит к следующему выводу: величина модуля упругости определяется в основном размером нагрузки (напряжением), уменьшаясь по мере увеличения последней. Разница же в структуре льда и направлении осей кристаллов относительно действия сил не вызывает существенного различия полученных значений модуля упругости.
В теории упругости считается, что деформации происходят в момент приложения нагрузки и полностью исчезают при ее удалении. У льда же сильно проявляется явление упругого последействия и обратимые деформации проявляются не сразу после приложения нагрузки, а нарастают в течение некоторого времени. Соответственно, при удалении нагрузки эта часть деформаций исчезает также не сразу. Поэтому величины упругих (обратимых) деформаций льда зависят в отличие от деформаций чисто упругих тел, от времени, в течение которого приложена нагрузка. Соответственно будет зависеть от времени и модуль, характеризующий зависимость величины деформации от нагрузки.
1.3.1. Опытное определение, модуля упругости озерного льда в полевых условиях
Для определения модуля упругости льда, авторами в период 17-18 января 1970 г. проводились опыты, в которых применялся статический метод исследования. В ледяном слое на озере были выпилены четыре консольные балки (рис. 1.2), размеры и основные характеристики которых приведены в табл. 1.1.
Рис. 1.2 Ледяные консоли, подготовленные к эксперименту для определения модуля упругости льда
Рядом исследователей [27], [138], в том числе и С.К. Уховым [162], модуль упругости определялся на основе экспериментальных данных по начальному прогибу ледяных баночек, загруженных испытательной па-грузкой.
В наших опытах была поставлена цель исследовать закономерность изменения значения модуля упругости льда в зависимости от величины внешней нагрузки и продолжительности ее действия.
Геометрические характеристики ледяных консольных балок
Дата проведения опыта
Температура воздуха, °С
Размеры ледяных консольных балок, см
Момент сопротивления сечения, см 3
Максимальное напряжение при изгибе σ, кгс/см 2 в зависимости от величины нагрузки Р, кгс
Как правильно убирать снег и лед на участке зимой? на сайте Недвио
Проживание в своем собственном загородном доме имеет массу преимуществ. Но в то же время это еще и большая ответственность. Так, например, зимой, в отличие от жизни в квартире, домовладельцу приходится выполнять дополнительные работы по уходу за участком, в частности его своевременной уборки от снега и льда.
Между тем, в этом вопросе все не так просто, как кажется на первый взгляд. Оказывается долбить лед ломом зимой — не лучшая идея, так как это может повредить поверхности дорожек и газона, а убирать снег лопатой тоже следует с умом и не кидать его куда попало. О том как правильно убирать снег и лед на участке зимой и о том, какие нюансы следует учесть, мы и расскажем в данной статье.
Уборка участка зимой. Почему нельзя сбрасывать снег на газон?
Самая частая ошибка домовладельцев в процессе уборки участка зимой — это скидывание снега с дорожек и тротуаров на газоны. Это кажется самым простым и легким решением, однако оно вредит вашему газону. Почему?
Во-первых, тяжелый и плотный слой снега может привести к тому, что замерзшие травинки под ним сомнутся и сломаются. Во-вторых, образуя огромные снежные кучи на газоне, вы нарушите его естественную микрофлору — газон не сможет получать в нужном количестве воздух и микровещества, что несомненно отразиться на его качестве весной.
Толстый слой снега особенно опасен для газона во время весенних оттепелей, потому что под плотным снежным покровом на нем может развиться опасная болезнь — снежная плесень. Лечить от нее газон будет очень долго и сложно.
Что же делать в таком случае? Совсем не скидывать снег на газон? Вовсе нет. Просто его следует распределить на газоне равномерно, невысоким, нетяжелым и неплотным слоем.
Такое решение будет даже полезным для вашего газона, поскольку снежная подушка создает естественную, природную защиту травы от сильных морозов. И эту подушку вы можете оставить на газоне вплоть до середины-конца февраля, удалив затем плотный замерзший слой снега, чтобы обеспечить более эффективный доступ газона к воздуху.
Также учтите, что замерзшую зимой траву очень легко повредить. Поэтому в холодное время года рекомендуется не ходить и не бегать по газону (независимо от того покрыт ли он снегом или льдом). Собранный снег с проезжей части вашего участка лучше хранить вдали от газона, особенно если вы планируете использовать для удаления льда дорожную соль.
Как убирать снег и лед на дорожках, парковке, тротуарах загородного участка?
Хорошо, с газонами мы разобрались. Но как тогда правильно делать уборку снега и льда на дорожках, тротуарах и парковочном месте на участке?
Во-первых, следует учитывать особенности поверхности (бетон, плитка, тротуарный кирпич и т. д.). Во-вторых, снег лучше всего сгребать к углам участка и забору. В-третьих, следует использовать правильные инструменты.
Основным инструментом, безусловно, является лопата для уборки снега. Она может быть квадратной или прямоугольной, пластиковой или стальной, с деревянной ручкой или из пластика — здесь решение может быть любым, главное, чтобы было удобно вам.
Также многие домовладельцы для уборки снега на участке предпочитают использовать электрические и бензиновые снегоуборщики. Это мощные и эффективные устройства, однако они прекрасно справляются с грубой работой (когда нужно быстро очистить участок от большого количества неплотного снега, к примеру последствий метели), однако они почти бесполезны если вам необходимо точечно и качественно очистить, к примеру, тротуарную плитку от мокрого снега. Поэтому здесь в любом случае вам пригодятся лопаты.
Как избавиться от льда?
Сложнее всего, конечно, бороться со льдом на участке. Ни лопаты, ни снегоуборщики не справятся с уже замерзшим снегом. Многие домовладельцы для удаления льда с участка используют различные тяжелые и острые инструменты, такие как:
- ломы;
- кирки;
- молотки;
- и даже кувалды.
Однако следует учитывать, что такие инструменты следует использовать аккуратно и только в крайнем случае. Так как, в сочетании с грубой силой, они могут легко повредить вашу брусчатку, плитку и даже асфальт. Для безопасного удаления замерзшего снега или соскабливания льда с дорожек на участке эксперты рекомендуют использовать специальные инструменты с пластиковыми или резиновыми наконечниками.
Их вы можете найти на строительных рынках и специализированных садовых магазинах.
Немеханические методы уборки снега и льда
Есть и другие, проверенные методы как лучше избавиться от льда на дачном участке.
Посыпание участка песком
Традиционно эффективным способом борьбы со льдом на участке является песок. К тому же посыпание дорожек и тротуаров песком абсолютно безопасно для здоровья и не наносит вреда их поверхности.
Однако минус этого метода заключается в том, что это нужно делать очень часто, поскольку песок быстро сдувается ветром, либо разносится обувью и шинами автомобилей.
Посыпание участка галькой
Еще одним популярным средством обработки участки от льда является посыпание его сверху микрощебнем, мелкой галькой или гранитной крошкой. Они тяжелее и дороже песка, но имеют более острую структуру.
Как правило, ими посыпают въезды / выезды на участок, место для парковки автомобиля, потому что такие материалы обеспечивают лучшее сцепление шин с дорогой на льду. Кроме того, гранитная крошка не сдувается ветром и является многоразовым материалом — после зимы вы можете смести ее в мешок или контейнер и использовать в следующем сезоне.
Посыпание участка солью
Для предотвращения образования льда и скользких поверхностей на участке вы также можете купить техническую соль и рассыпать ее в нужном месте. Под воздействием соли уже через несколько часов лед растает как будто его и не было.
Современные технические соли для дорог и тротуаров отличаются очень эффективным составом и безвредны для обуви, животных и окружающей среды. Они продаются в удобных мешках по 25, 50 кг, а также навалом. Благодаря этому можно запастись солью сразу насколько вам нужно, еще до зимнего сезона и более низким ценам.
Однако следует учитывать, что для удаления льда на участке лучше избегать использования поваренной соли и других размораживающих химикатов. Поскольку многие из них наносят вред растениям в саду, а иногда могут привести к выцветанию и появлению пятен на поверхности тротуарной плитки или брусчатки.
Как снег и лед могут повредить деревья и кусты на участке?
Снег и лед также представляют опасность для растений в нашем саду. Большое количество снега, лежащего на ветвях, может деформировать или даже сломать кроны деревьев и кустарников. К тому же растение может еще и опрокинуться под весом сугробов, особенно если речь идет о хвойных деревьях и кустарниках с небольшими стеблями.
Чтобы предотвратить повреждение растений снегом на участке, следует регулярно с них стряхивать снег. Если вы заметили на участке поврежденные снегом кусты или деревья (когда их ветки сильно согнулись к земле), следует после стряхивания снега плотно обвязать поврежденные ветви веревкой. Так у нас есть шанс, что растение снова поправится.
Если ветка растения уже обломалась, ее следует срезать как можно скорее, чтобы она не порвала дерево дальше, а ранней весной срежьте зубчатую кору или обрежьте пень, оставшийся от ветки. Затем на рану нужно нанести препарат, ускоряющий заживление (такие как Фунабен, Лак Бальзам, Эко Бальзам и др).
Сильные морозы, которые часто случаются в конце января и феврале (иногда также в начале марта) представляют серьезную угрозу для некоторых видов деревьев (особенно тех, что с гладкой корой).
Следует внимательно наблюдать за кустарниками и деревьями в солнечные морозные дни. В такие дни стволы деревьев быстро прогреваются с юга и юго-запада, а после захода солнца — они также быстро остывают. Такое быстрое изменение температуры приводит к растрескиванию коры и образованию ран на растении, через которую могут проникать вирусы, бактерии и грибки, вызывающие заболевания древесины.
Наиболее подвержены повреждению коры фруктовые и декоративные деревья, к примеру:
- бук;
- граб;
- каштан;
- слива;
- и декоративная вишня.
Чтобы избежать повреждения коры, стволы и ветви фруктовых деревьев следует заранее отбелить раствором извести. Стволы молодых декоративных деревьев рекомендуется завернуть и укрыть соломой или картоном.
Весной вы также для этих целей можете посадить плющ вокруг деревьев. Его вечнозеленые листья, со временем, покроют ствол растения, и в следующем году вам не понадобится дополнительная защита от солнца.
Если морозная трещина на дереве уже образовалась, ее следует как можно быстрее заделать специальными составами, чтобы предотвратить инфекцию. Таким образом, весной, когда дерево достаточно прогреется, трещина закроется сама собой за счет заживляющей ткани.
Большие трещины на дереве зимой заметить несложно, чего не скажешь о микротрещинах и скрытых повреждениях. Для этого применяют другой метод: если вы заметили отслоение коры в определенной части ствола дерева, вы можете слегка постучать по этому месту (если звук глухой, значит есть повреждения). В этом случае выступающую кору можно прибить к стволу обратно с помощью маленьких нержавеющих гвоздей, а сверху нанести специальный защитный состав.
Была ли эта статья для вас полезной? Пожалуйста, поделитесь ею в соцсетях:
Не забудьте добавить сайт Недвио в Закладки. Рассказываем о строительстве, ремонте, загородной недвижимости интересно, с пользой и понятным языком.
Источник https://vodamama.com/led.html
Источник https://docplan.ru/Data1/52/52239/index.htm
Источник https://nedvio.com/kak-pravilno-ubirat-sneg-i-led-na-uchastke-zimoj/