Разработка новых композиционных материалов повышенной прочности на основе льда

В виду отсутствия развитой транспортной инфраструктуры в Арктическом регионе, Сибири и на Дальнем Востоке, ледяной покров часто используется в качестве грузонесущих платформ, ледовых переправ и зимних аэродромов. Подобные сооружения устраивают в условиях достаточно суровой зимы с устойчивыми отрицательными температурами воздуха, при этом лед должен обладать высокой прочностью и грузоподъемностью. Если толщина ледяного покрова не достаточна для его безопасной эксплуатации, используют различные традиционные методы повышения его несущей способности (намораживание льда, усиление его деревянным колейным настилом и пр.). Практический опыт показывает, что физико-механические свойства ледяного покрова, усиленного данными методами, могут сильно зависеть от различных внешних и погодных факторов. Кроме того, лед не является прочным материалом и при отсутствии упругого основания (воды) способен разрушаться под собственным весом. Таким образом, несущая способность сплошного льда в основном определяется силами поддержания упругого основания. В связи с этим, перспективным направлением исследований является разработка новых технологий упрочнения относительно тонкого ледяного покрова толщиной до 0.4 м. Для этой цели могут быть использованы различные способы упрочнения как в виде внедрения в лед стержневых элементов с различными физико-механическими свойствами, так и использование плоских, пространственных и цилиндрических каркасов. Ледяной покров в этом случае будет рассматриваться как композитный материал повышенной прочности, который даже при предельных нагрузках, вызывающих трещинообразование, позволит сохранять несущую способность, благодаря обеспечению сплошности и соответственно более эффективному использованию сил поддержания воды при нагружении. В ходе реализации проекта будет выполнен экспериментально-теоретический анализ напряженно-деформированного состояния композиционных материалов разработанных на основе льда, усиленного армирующими каркасами и элементами с различными физико-механическими свойствами. На основе имеющихся авторских разработок предложена численная модель динамики разрушения композиционных образцов при различных скоростях нагружения и с учетом ледовых условий, в которых функционирует ледяное сооружение. С помощью критерия ледоразрушения выполнена оценка несущей способности армированного ледяного покрова. Проанализировано напряженно-деформированное состояние от момента зарождения трещин до их полного раскрытия и потери несущей способности льда, характер работы армирующих элементов. Для проверки работоспособности предложенного алгоритма выполнены серии модельных экспериментов по разрушению предложенных образцов на специальном нагружающем стенде и в опытовом ледовом бассейне.