veststuВестник Сибирского государственного университета путей сообщенияBulletin of Siberian State University of Transport1815-9265Сибирский государственный университет путей сообщения10.52170/1815-9265_2024_70_49veststu-94Research ArticleСТРОИТЕЛЬСТВО И АРХИТЕКТУРАBUILDING AND ARCHITECTUREО взаимодействии речного льда с опорами мостов (обзор)On the interaction of river ice with bridge supports (review)ДонецА. Н.DonetsA. N.

Александр Николаевич Донец, доцент, кандидат технических наук

кафедра «Мосты»

Новосибирск

Alexandr N. Donets, Associate Professor, Candidate of Engineering

Bridges Department

Novosibirsk

donetsan@me.comВетошкинА. Д.VetoshkinA. D.

Александр Денисович Ветошкин, студент

факультет «Мосты и тоннели»

Новосибирск

Alexandr D. Vetoshkin, student

Bridges and Tunnels Faculty

Novosibirsk

muskaru2013@yandex.ruКазановЛ. Е.KazanovL. E.

Лев Евгеньевич Казанов, студент

факультет «Мосты и тоннели»

Новосибирск

Lev E. Kazanov, student

Bridges and Tunnels Faculty

Novosibirsk

4563500@mail.ruСибирский государственный университет путей сообщенияРоссияSiberian Transport UniversityRussian Federation202430092024034961Copyright © Донец А.Н., Ветошкин А.Д., Казанов Л.Е., 20242024Донец А.Н., Ветошкин А.Д., Казанов Л.Е.Donets A.N., Vetoshkin A.D., Kazanov L.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikstu.ru/jour/article/view/94

   В рамках государственной программы по освоению Арктической зоны Российской Федерации планируется строительство новых мостов и различных гидротехнических сооружений. Для освоения данных территорий ежегодно сооружается большое количество ледовых переправ и зимников, поскольку большинство низовьев больших (судоходных) рек Сибирского и Дальневосточного регионов находятся в суровых климатических (северных) условиях. В связи с этим в статье выполнен обзор работ по оценке ледовых воздействий на опоры мостов и других искусственных сооружений. Кроме того что пресноводный лед по своим физико-механическим свойствам и кристаллическому строению значительно отличается от морского, лед в верховье и низовье одной и той же реки также может различаться ввиду неопределенного количества притоков различного химического состава. По этой причине проблема взаимодействия ледяных полей и опор мостов, подходов к оценке прочности речного и «технического» льда весьма актуальна и обширна. В статье рассмотрены различные механизмы разрушения пресноводного льда при его контакте с поверхностью опоры моста на реках, протекающих по территории Российской Федерации. Приведены схемы образования вертикальных и горизонтальных трещин в зоне контакта льда и опоры. Также отмечена необходимость учета масштабного эффекта, оказывающего значительное влияние на результаты оценки прочностных характеристик льда. Рассмотрены как существующие инженерные методы расчета и моделирования работы льда по нормативной документации, так и уточненные методы, учитывающие анизотропию физических свойств льда, его упругопластическую работу и фазовые переходы при деформировании. Отмечены перспективные подходы к построению критериев прочности льда, показаны возможные пути дальнейших исследований.

   Due to the state program of the Arctic zone development of the Russian Federation, it is planned to build new bridges and various hydraulic engineering structures. For the development of these territories, a large number of ice crossings and winter (ice) roads are built annually, since most of the large (navigable) rivers lower courses of in the Siberian and Far Eastern regions are located in hard climatic (northern) conditions. In connection with the above, the article provides an overview of the works of ice impacts estimation on bridge piers and other railway and motorway engineering structures (R&M ES). Not only does freshwater ice differ significantly from sea ice in its physico-mechanical properties and crystal habit, but ice in the same river in the upper and lower reaches may also differ due to an indefinite number of influxes of different chemical composition. For this reason, the problem of ice fields interaction and bridge piers, approaches to the strength assessment of river and technical ice is very relevant and extensive. The article discusses various mechanisms of freshwater ice destruction in contact with the surface of the piers on the rivers flowing through the territory of the Russian Federation. There are given diagrams of the vertical and horizontal cracks formation in the contact zone of ice and supports. It is also pointed out that it is necessary to consider the scale effect, that has a significantly alleets on the results of the strength characteristics assessing of ice. Both existing engineering methods for calculating and modeling ice behavior according to reference documents and refined calculation methods are considered, taking into account the anisotropy of the physical ice properties, its elastic-plastic behavior and elastic-plastic behavior during deformation. Prospective approach to the derivation of ice strength criteria are noted, and possible ways of further research are shown.

пресноводный ледопоры мостовледовые переправыпрочность льдамасштабный эффектуточненные методы расчетакритерии прочности льдаупругопластическая работакратковременное нагружениемгновенное нагружениефазовые переходыледяное полеразрушение речного льдаfreshwater icebridge piersice crossings and winter (ice) roadsice strengthscale effectrefined calculation methodsof ice strength criteriaelastic-plastic behaviorshort period loadinginstantaneous loadingphase transfersice fielddestruction of river iceReferencesIce Research laboratory // Tayer school engineering at Dartmouth : [сайт]. 2024. URL: htths://icelab.engineering.dart-mouth.edu (дата обращения: 18. 03. 2024).Ice Research laboratory. Tayer School Engineering at Dartmouth. URL: htths://icelab.engineering.dartmouth.edu.Васильев Н. К., Иванов А. А., Шаталина И. Н. Методы упрочнения и армирования льда для конструкций гидротехнических сооружений из ледяных и льдогрунтовых композитов // Вестник НГУ. Серия математика, механика, информатика. 2013. Т. 13, № 3. С. 31–37.Vasiliev N. K., Ivanov A. A., Shatalina I. N. Methods of strengthening and reinforcing ice for structures of hydraulic structures made of ice and ice-ground composites. Vestnik Novosibirsk State Uiversity. Series: Mathematics, Mechanics, Informatics. 2013;13(3):31–37. (In Russ.).Нелинейные модели механики сплошных сред в расчетах конструкций гражданских и транспортных объектов / В. М. Круглов, Л. Ю. Соловьев, К. В. Королев, А. Н. Донец ; Сибирский государственный университет путей сообщения. Новосибирск: Издательство СГУПС, 2024. 389 с.Kruglov V. M., Solovyov L. Yu., Korolev K. V., Donets A. N. Nonlinear models of continuum mechanics in calculations of structures of civil and transport facilities. Siberian Transport University. Novosibirsk: Publishing house of Siberian Transport University 2024. 389 p. (In Russ.).Коржавин К. Н. Воздействие льда на инженерные сооружения. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1962. 203 с.Korzhavin K. N. The effect of ice on engineering structures. Publishing house of the USSR Academy of Sciences. 1962. 203 p. (In Russ.).ААНИИ. Арктический и антарктический научно-исследовательский институт : [сайт]. URL: https://www.aari.ru (дата обращения: 18. 03. 2024).AARI. Arctic and Antarctic Research Institute [Official site]. URL: https://www.aari.ru/en.Исследование влияния скорости деформирования при испытаниях пресноводного льда на прочность при раскалывании, сжатии и трещиностойкости / С. А. Новиков [и др.] // Сборник материалов III Научной конференции Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения». Саров, 2004. Т. 2. С. 882−896.Novikov S. A. [et al.]. Investigation of the influence of the deformation rate during tests of freshwater ice on the strength during splitting, compression and crack resistance. Collection of Materials of the III Scientific Conference of the Volga Regional Center of the Russian Academy of Sciences. Modern Methods of Designing and Testing Rocket and Artillery Weapons. Sarov; 2004. Vol. 2. P. 882–896. (In Russ.).Grats E. T., Schulson E. M. Preliminary observations of brittle compressive failure of columnar saline ice under triaxial loading // Annals of Glaciology. 1994. Vol. 19. P. 33−38.Grats E. T., Schulson E. M. Preliminary observations of brittle compressive failure of columnar saline ice under triaxial loading. Annals of Glaciology. 1994;19:33−38.Постников П. М. Взаимодействие ледяных полей с гидротехническими сооружениями и опорами мостов в низовьях рек Сибири и Севера : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Постников Павел Михайлович. Новосибирск, 1986. 195 с.Postnikov P. M. Interaction of ice fields with hydraulic structures and bridge supports in the lower reaches of the rivers of Siberia and the North. Dissertation for the degree of the Candidate of Engineering. Postnikov Pavel Mikhailovich. Novosibirsk, 1986. 195 p. (In Russ.).Птухин Ф. И. Статистический метод оценки масштабного эффекта у льда // Известия СО АН СССР. 1964. № 6, вып. 2. С. 70–79.Ptukhin F. I. Statistical method for estimating the large-scale effect of ice]. Izvestiya SB of the USSR Academy of Sciences. 1964. No. 6, Iss. 2. P. 70–79. (In Russ.).Птухин Ф. И., Бутягин И. П. О причинах и количественной оценке масштабного эффекта у льда // Вопросы гидротехники. Новосибирск, 1972. Вып. 47. С. 112–121.Ptukhin F. I., Butyagin I. P. On the causes and quantitative assessment of the large-scale effect of ice. Issues of hydraulic engineering. Novosibirsk; 1972. Iss. 47. P. 112–121. (In Russ.).Лавров В. В. Деформация и прочность льда. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1969. 206 с.Lavrov V. V. Deformation and strength of ice. Leningrad: Gidrometeoizdat; 1969. 206 p. (In Russ.).Цуприк В. Г. Законы разрушения кромки ледового покрова при его взаимодействии с поверхностью опоры // Проблемы освоения георесурсов Дальнего Востока. Москва: Горная книга, 2014. Вып. 6. С. 114–133.Tsuprik V. G. Laws of destruction of the edge of the ice cover in its interaction with the surface of the support. Problems of Development of Geo-resources of the Far East. Issue 6: Mining Information and Analytical Bulletin. Selected articles (special issue). Moscow: Gornaya kniga; 2014. No. 12. P. 114–133. (In Russ.).Коржавин К. Н. Работы ледорезов мостовых опор в условиях ледохода сибирских рек // Труды НИИВТа. Томск, 1938. Вып. 3.Korzhavin K. N. The work of ice cutters of bridge supports in conditions of ice drift of Siberian rivers. Proceedings of NIIVT. Vol. III. Tomsk; 1938. (In Russ.).Афанасьев В. П., Долгополов Ю. В., Швайштейн З. И. Давление льда на морские отдельно стоящие опоры // Труды ААНИИ. 1971. № 300. С. 101–104.Afanasyev V. P., Dolgopolov Yu. V., Shvaishtein Z. I. Ice pressure on marine free-standing supports. Proceedings of AANIA. 1971;(300):101–104. (In Russ.).Croasdale K. R., Morgenstern N. R., Nuttall J. B. Indentation tests to investigate ice pressures on vertical piers // Journal of Glaciology. 1977. Vol. 19, No. 81. Р. 309–312.Croasdale K. R., Morgenstern N. R., Nuttall J. B. Indentation tests to investigate ice pressures on vertical piers. Journal of Glaciology. 1977;19(81):309–312.Hyrayama K., Schwarz I., Wu H.C. Ice forces of vertical pile: indentation and penetration // Proc. IAHR Ice Symp. Hanover, New Hampshire, USA, 1975. Р. 429–441.Hyrayama K., Schwarz I., Wu H. C. Ice forces of vertical pile: indentation and penetration. Proceedings IAHR Ice Symp. Hanover, New Hampshire, USA; 1975. P. 429–441.Цуприк В. Г. Об учете влияния диаметра опор и толщины льда при определении ледовой нагрузки на гидротехнические сооружения шельфа // Исследования морских гидротехнических сооружений для освоения шельфа. Ленинград: Издательство ЛПИ, 1980. С. 84–94.Tsuprik V. G. On taking into account the influence of the diameter of the supports and the thickness of the ice in determining the ice load on the hydraulic structures of the shelf. Studies of Marine Hydraulic Structures for the Development of the Shelf. Leningrad: Publishing house of the Leningrad Polytechnic Institute; 1980. P. 84–94. (In Russ.).Kärnä T., Järvinen E. Symmetric and asymmetric flaking prosses // Proc. 15<sup>th</sup> Intern. Conf. on Port and Ocean Eng. under Arctic Cond. (POAC-99). Helsinki, Finland, 1999. Vol. 3. Р. 988–1000.Kärnä T. and Järvinen E. Symmetric and asymmetric flaking prosses. Proceedings of the 15<sup>th</sup> International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC-99). Helsinki, Finland; 1999. Vol. 3. P. 988–1000.Методические указания по определению ледовых нагрузок на опоры мостов / АО ЦНИИС. Москва, 1993. 170 с.Methodological guidelines for determining ice loads on bridge supports. Research Institute of Transport Construction. Moscow; 1993. 170 p. (In Russ.).Булатов С. Н. Прочность льда и ледяного покрова. Новосибирск: Наука, 1966. 154 с.Bulatov S. N. The strength of ice and ice cover. Novosibirsk; 1966. 154 p. (In Russ.).Коржавин К. Н. Исследование механических свойств речного льда // Труды НИИВТа. Новосибирск, 1940. Т. 4, вып. 2. 35 с.Korzhavina K. N. Investigation of the mechanical properties of river ice. Proceedings of the NIIVT. Novosibirsk; 1940. Vol. 4, Iss. 2. 35 p. (In Russ.).Витман Ф. Ф., Шандриков Н. П. Некоторые исследования механической прочности льда // Труды Арктического института. Ленинград, 1938. Т. 110. С. 83–100.Wittman F. F., Shandrikov N. P. Some studies of the mechanical strength of ice. Proceedings of the Arctic Institute. Leningrad; 1938. Vol. 110. P. 83–100. (In Russ.).Пинегин В. Н. Предварительное сообщение об исследовании прочности речного льда в связи с температурными изменениями // Вестник сибирских инженеров. Томск, 1924. Т. 4. С. 13–24.Pinegin V. N. Preliminary report on the study of the strength of river ice in connection with temperature changes. Bulletin of Siberian Engineers. Tomsk; 1924. Vol. 4. P. 13–24. (In Russ.).Арнольд-Алябьев В. И. Исследование прочности льда Финского залива 1923, 1927 и 1928 гг. // Известия ГГО. Ленинград, 1929. № 2. С. 15–28.Arnold-Alyabyev V. I. Investigation of the ice strength of the Gulf of Finland in 1923, 1927 and 1928. Proceedings of the GGO. Leningrad; 1929. No. 2. P. 15–28. (In Russ.).Петров И. Г. Выбор наиболее вероятных значений механических характеристик льда // Труды ААНИИ. Ленинград, 1976. Т. 331. С. 4–41.Petrov I. G. Selection of the most probable values of the mechanical characteristics of ice. Proceedings of the AANII. Leningrad; 1976. Vol. 331. P. 4–41.A phenomenological high strain rate model with failure for ice / K. S. Carney [et al.] // International Journal of Solids and Structures. 2006. No. 43. P. 7820–7839.Carney K. S. [et al.]. A phenomenological high strain rate model with failure for ice. International Journal of Solids and Structures. 2006;(43):7820–7839.Sain T., Narasimhan R. Constitutive modeling of ice in the high strain rate regime // International Journal of Solids and Structures. 2011. No. 48. P. 817–827.Sain T., Narasimhan R. Constitutive modeling of ice in the high strain rate regime. International Journal of Solids and Structures. 2011;(48):817–827.Numerical modeling of ice behavior under high velocity impacts / J. Pernas-Sanchez [et al.] // International Journal of Solids and Structures. 2012. No. 23. P. 32–45.Pernas-Sanchez J. [et al.]. Numerical modeling of ice behavior under high velocity impacts. International Journal of Solids and Structures. 2012;(23):32–45.A phenomenological high strain rate model with failure for ice / K. S. Carney [et al.] // International Journal of Solids and Structures. 2006. No. 43. P. 7820–7839.Carney K. S. [et al.]. A phenomenological high strain rate model with failure for ice. International Journal of Solids and Structures. 2006;(43):7820–7839.Хилл Р. Математическая теория пластичности. Москва, 1956. 467 с.Hill R. Oxford The mathematical theory of plasticity. Clarendon press; 1950.Филоненко-Бородич М. М. Механические теории прочности. Москва, 1961. 91 с.Filonenko-Borodich M. M. Mechanical theories of strength. Moscow; 1961. 91 p. (In Russ.).Круглов В. М., Томилов А. А., Сачков И. В. Об оценке прочности льда в трехосном напряженном состоянии // Транспортное строительство. 2015. № 9. С. 13–17. URL: https://rucont.ru/efd/487694 (дата обращения: 22. 03. 2024).Kruglov V. M., Tomilov A. A., Sachkov I. V. On the assessment of the strength of ice in a triaxial stressed state. Transport Construction. 2015;(9):13–17. (In Russ.). URL: https://rucont.ru/efd/487694.Круглов В. М., Смолянин А. Г. Критерий прочности льда в плоском напряженном состоянии // Гидротехническое строительство. 2017. № 10. С. 48–50. EDN: ZQJLAN.Kruglov V. M., Smolyanin A. G. Criterion of ice strength in a flat stressed state. Hydrotechnical Construction. 2017;(10):48–50. (In Russ.). EDN: ZQJLAN.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.