Лёд и Снег • 2013 • № 1 (727)
УДК 551.324.5:551.321:620.179.17
Физическое моделирование контакта ледника с ложем (эксперименты)
© 2013 г. В.П. Епифанов1, А.Ф. Глазовский2, Н.И. Осокин2
1Институт проблем механики имени А.Ю. Ишлинского РАН, Москва; 2Институт географии РАН, Москва
evp@ipmnet.ru
Статья принята к печати 2 декабря 2012 г.
Акустическая эмиссия, ледник, методы испытания, поверхностная скорость, реология, физическое моделирование.
Acoustic emission, glacier, physical modelling, rheology, surface velocity, test methods.
Проведены комплексные исследования адгезионной прочности соединения льда с подложкой, предусматривающие анализ амплитудно-частотных характеристик сигналов акустической эмиссии (АЭ) в диапазоне частот от 15 до 20 тыс. Гц. Данные физического моделирования процессов адгезионного разрушения льда подтверждены результатами полевых исследований ледников Центральный Туюксу и Молодежный в Заи-лийском Алатау. Получена экспериментальная зависимость адгезионной прочности соединения льда с серпентинитом (подложкой) от температуры (от 0 до -25 °С) при осевом сдвиге в условиях стеснения. Показано, что адгезионный контакт лёд-подложка начинает разрушаться намного раньше достижения максимальных напряжений сдвига, причём для участков деформационных кривых (трение покоя и скольжения) получены диаграммы сигналов АЭ в координатах амплитуда-частота-время. Показано влияние соотношения продольных и поперечных сдвиговых напряжений на адгезионную прочность соединения льда с подложкой. В среднем диапазоне частот собственных акустических спектров ледников установлено периодическое уменьшение частоты заполнения сигналов АЭ. Аналогичный эффект смещения сигналов АЭ по оси частот в сторону низкочастотного диапазона получен при испытании образцов пресноводного льда и обусловлен расширением масштаба разрушения. Результаты исследований можно использовать для дистанционного изучения кинетики накопления трещин в придонных слоях ледникового льда.
Введение
До настоящего времени проблема взаимодействия ледника с ложем остаётся наименее изученной ввиду затруднённого доступа к объекту исследования. При попытках установки измерительной аппаратуры в тоннелях, проходящих по ложу, нарушалось естественное поле напряжений; кроме того, они носили точечный характер [14], а измерительная аппаратура недостаточно соответствовала задаче исследования. Теоретические исследования также не позволяли получить достоверные ответы на интересующие вопросы, поскольку базировались на значительных допущениях и либо на примерзании льда к ложу, либо на его скольжения по нему [15]. В настоящем исследовании разрабатывается комплексный подход, основанный на использовании деформационной акустической эмиссии (АЭ) в сочетании с физическим моделированием движения льда по ложу, определении реологических свойств льда при сложном сдвиге, оценке влияния соотношения продольных и поперечных сдвиговых напряжений, определении адгезионной прочности соединения льда с подстилающей горной породой и измерениях физико-механических характеристик ледникового льда. Методические основы такого подхода заложены в исследованиях
пресноводного льда [3—9]. Принципиально новое в данном исследовании — использование акустического диапазона частот вместо сейсмического, что позволяет не только оценивать расстояние до источника излучения, но и получать сведения о механизмах деформаций. Это возможно благодаря соизмеримости длины акустической волны с масштабом процессов разрушения на разных уровнях структурной организации льда.
Можно предложить несколько способов идентификации источника излучения и сигнала АЭ. К наиболее наглядным относится физическое моделирование процессов, происходящих в источнике. В предварительных экспериментах показано, что каждому процессу/источнику соответствуют свои характеристики сигнала: частота, амплитуда, его форма, длительность и последовательность во времени [8]. По ним можно составить атласы сигналов для типичных источников и, пользуясь основными закономерностями распространения упругих волн во льду, оценить расстояние до источника, а также деформацию/ трансформацию сигнала при распространении в леднике [9]. С точки зрения практической целесообразности, проще и дешевле дистанционно регистрировать на ледниках сигналы АЭ с помощью относительно простой современной аппаратуры, чем проводить сложные подледниковые экспери-
менты. В перспективе фундаментальное изучение процессов взаимодействия ледникового льда с ложем позволит разработать дистанционный метод оценки локальной устойчивости ледников и прогноз их подвижек.
Постановка проблемы и объекты исследований
В процессе исследований по взаимодействию ледникового льда с ложем необходимо было выполнить следующее:
1) оценить влияние термодинамических условий на ложе и его уклоне (соотношение продольной и поперечной сдвиговой компонент напряжений во льду) на реологические характеристики льда, адгезионную прочность соединения льда с подстилающей горной породой и спектры АЭ в состоянии трения покоя и трения скольжения;
2) записать акустические колебания в ледниках от удалённых источников и наметить пути исследования механизмов движения льда на ложе ледников с помощью АЭ;
3) оценить возможность использования выявленных закономерностей для дистанционного контроля кинетики накопления повреждений во льду в зоне контакта с ложем ледника.
Площадки для измерений сигналов АЭ и комплексных измерений на ледниках Центральный Туюксу и Молодежный выбирали с учётом поля поверхностной скорости движения льда (рис. 1). Особенности ледника Центральный Туюксу — крайне редкая сетка поверхностных трещин в области абляции (ниже 3600 м) и явно выраженный поперечный уклон его поверхности, особенно вблизи сужения русла (на верхней площадке измерений). Поэтому лёд в придонных слоях находится под действием продольных и поперечных сдвиговых напряжений, соотношение которых, по-видимому, должно существенно влиять на адгезионную прочность соединения льда с подстилающей горной породой.
Методика экспериментальных исследований
Для количественной оценки совместного влияния сдвиговых компонент напряжений на адгезионную прочность соединения льда с ложем выполнены модельные эксперименты по испытанию льда на осевой и сложный сдвиги в условиях бокового стеснения, имитирующие движение льда по ложу, с записью параметров АЭ.
Устройство для испытаний льда на сдвиг (рис. 2) представляет собой круглый в плане гладкий стержень 1 из серпентинита, коаксиально расположенный в цилиндрической оболочке 2. Снизу на стержень надет концентратор в виде кони-
ческой втулки 3 с углом при вершине около 7°. Сопряжение конической втулки со стержнем выполнено так, чтобы втулка перемещалась вдоль оси стержня с минимальным трением. Торцевая сторона втулки контактирует с оболочкой, при этом в нижней части образуется герметически замкнутая полость. Боковое стеснение создавалось замораживанием воды в зазоре 4 между оболочкой и стержнем. Толщина свода сформировавшейся ледяной корки — не менее 2,5 мм. Для мелкокристаллического льда со средним диаметром кристаллов 0,3 мм и меньше отношение толщины свода к диаметру кристаллов составляет более восьми, что по этому параметру исключает влияние толщины на результат измерений. Разрушение непосредственно по поверхности контакта лёд—серпентинит обеспечивалось с помощью концентратора напряжений [3]. После замораживания воды собранное устройство (стержень с намороженным льдом, оболочкой и концентратором напряжения) помещали на опору 6 плиты испытательной машины таким образом, чтобы стержень, к которому прикладывали осевую силу Р, мог смещаться вдоль своей оси, а втулка при этом оставаться закреплённой на плите, т.е. неподвижной. При испытании регистрировали осевое смещение стержня, осевую силу и характеристики сигналов АЭ. Подобная схема испытания имитировала условия на ложе ледника при отсутствии поперечного уклона. В случае испытаний льда на сложный сдвиг базовую оснастку, которую использовали при испытаниях на осевое нагружение, дополняли приспособлением 5, позволяющим раздельно прикладывать осевую силу Р и крутящий момент пары сил P1P1 в плоскости, ортогональной оси образца. В приспособление 5 входили: шаровая опора, захват, подшипник скольжения и направляющая втулка (на схеме не показаны), что позволяет создавать в адгезионном слое контролируемые сдвиговые продольные и поперечные напряжения и соотносить измеренные реологические характеристики пресноводного льда, полученные на лабораторных образцах, с аналогичными характеристиками ледникового льда в условиях залегания.
Измерительная акустическая линия для записи АЭ состояла из акустического пьезопре-образователя типа KD или B10 [8], предусили-теля типа CEFC (model № SB1140), акустической платы, ноутбука и соединительных электрических кабелей [1]. При лабораторных исследованиях акустический датчик жёстко крепили к исследуемому образцу; в полевых условиях акустический контакт обеспечивали с помощью ледобура, на котором крепили датчик. Первичную обработку
Рис. 1. Топография ледника Туюксу (а) и распределение поверхностных скоростей, м/год (б). Координатная шкала на (а) дана в метрах
Fig. 1. Tuyuksu Glacier topography (а) and surface velocity (m a-1) pattern (б). Scale coordinates on (a) are given in meters
сигналов вели с помощью программы 8рее1гаЬаЪ. Подробное описание устройств, схемы измерительной акустической линии, а также методики измерений АЭ даны в работах [8, 9].
Результаты измерений Переход от трения покоя к трению скольжения.
На рис. 3 приведены деформационные кривые для пресноводного льда при осевом сдвиге в функции времени в условиях бокового стеснения и
характерные диаграммы сигналов АЭ для фиксированных отрезков времени (в системе координат частота—амплитуда—время). В первом приближении этот эксперимент можно рассматривать как физическое моделирование локальной подвижки льда по ложу ледника. Переход от трения покоя к трению скольжения проявляется на кривых зависимости осевой силы от времени (кривая 1) и смещения от времени (кривая 2) в виде экстремальн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.