механические свойства снега
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СНЕГА
Способность снега сопротивляться приложенным нагрузкам, включая возможность упругого и пластического деформирования под действием напряжений. М. с. с. имеют практическое значение при использовании снега как строительного материала, при расчете устойчивости снежного покрова на склоне, анализе условий возникновения и движения снежных лавин, при выявлении условий передвижения по снегу, конструировании снегоуборочных машин и пр. М. с. с. связаны с физическим состоянием снега и окружающей среды; они неодинаковы для отдельных кристаллов и зерен и снежного покрова в целом, где проявляются особенности поликристаллической структуры и слоистости. Так же как и кристаллы снега, снежный покров характеризуется анизотропией механических свойств.
Первые попытки изучения М. с. с. основывались на несостоятельной аналогии с механикой грунтов. Для снега невозможно равновесное состояние, т. к. между его жестким скелетом и поровым заполнением происходят непрерывные фазовые переходы. Кроме того, в естественных условиях при температуре, близкой к точке плавления, в случае приложения к снегу даже небольших нагрузок в точках соприкосновения кристаллов возникает явление режеляции, что быстро меняет М. с. с. Широкие исследования М. с. с. начались в 40-х годах XX в.; значительный вклад в механику снега в 60-х и 70-х годах внесли К. Ф. Войтковский, Ц. Иосида, Б. Залм и М. Меллор.
К М. с. с. относят упругие свойства снега (константы упругости) и прочность снега, т. е. его способность сопротивляться разрушению и образованию остаточных деформаций при воздействии разного рода напряжений. Механические свойства зависят от внутреннего сцепления и трения в снегу, его жесткости, пластичности, ползучести; важную роль играет вязкость снега.
Деформация снега под нагрузками складывается из нескольких механизмов: а) упругих деформаций снежинок и связей между ними, б) деформаций ледяных частиц, в) изменения связей между ними с их частичным или полным разрушением, г) относительных перемещений между зернами. Начальные деформации включают компоненты "а", "б", "в", затем за счет компонент "в" и "г" происходит медленный процесс ползучести снега, когда снег подвергается непрерывным пластическим деформациям при воздействии постоянной нагрузки или механического напряжения. Для количественной оценки перечисленных механизмов деформации применяют различные подходящие реологические модели: Максвелла, Кельвина — Фойгта.
Упругие свойства снега характеризуются модулем упругости (модуль Юнга), модулем сдвига и коэф. поперечной деформации (коэф. Пуассона). Упругие свойства проявляются при распространении в снегу упругих продольных и поперечных волн. Скорость их распространения существенно зависит от анизотропии зерен снега и связей между ними. В свежем снегу она меньше в вертикальном направлении, чем в горизонтальном, т. к. снежинки укладываются длинной стороной вдоль горизонтальных слоев. В слоях глубинной изморози, для которых характерна вертикальная столбчатость, наблюдается обратная картина. Если к снегу приложена нагрузка и напряжения не превышают предела прочности льда и связей между частицами, то начальная деформация снега может быть упругой. Вслед за начальной деформацией начинают развиваться и преобладать пластические деформации. Модуль упругости снега Ec резко увеличивается по мере его уплотнения и зависит также от температуры и структуры снега. По данным М. Меллора, Ec растет от 102 до 107 кПа при изменении плотности снега от 100 до 800 кг/м3.
Прочность снега характеризуется его сопротивлением прилагаемым нагрузкам. C этой целью производят испытания образцов снега: на одноосное сжатие для определения сопротивления снега сжатию (раздавливанию), на растяжение для определения сопротивления снега растяжению (разрыву), на срез или сдвиг для определения сопротивления снега сдвигу. Наибольшее сопротивление снега сжатию (раздавливанию) является пределом его прочности. Разрушение снега обычно имеет стадийный характер: при разрушении начальной структуры снега образуется новая структура, которая в свою очередь может быть разрушена и заменена другой без нарушения сплошности. Сопротивление снега сдвигу тс определяется силами сцепления между зернами снега и силами внутреннего трения в снегу, которые зависят от строения, плотности и температуры снежного покрова, а также от условий нагружения и деформирования:
тс = τ' + s
Здесь τ' — сопротивление снега сдвигу при отсутствии нормального давления на поверхность среза s; φ — коэф. внутреннего трения. Однако сейчас допускается, что эта зависимость, широко используемая в механике грунтов, не подходит для снега [24]. Предельное сопротивление снега растяжению Op значительно меньше, чем сжатию оС) и зависит от времени действия нагрузки и плотности образца. При длительном растяжении определенное значение σρ установить нельзя, т. к. образец будет в конце концов разорван даже при малых растягивающих усилиях.
Для характеристики прочностных свойств снега (см. табл.) обыч- · но используют результаты испытаний, проводимых при быстром приложении нагрузки на образец. М. с. с. зависят от многих факторов — плотности снега, его структуры и температуры, предыстории развития и предшествующих деформаций, вида напряжения, наличия в снеге свободной воды, скорости приложения нагрузок. В целом для прочностных характеристик снежного покрова установлено, что сопротивление снега растяжению, сдвигу и сжатию растет с увеличением плотности и понижением температуры. Сопротивление сжатию для одних и тех же образцов снега примерно вдвое больше сопротивлению на растяжение и сдвиг, которые приблизительно равны по величине. Максимальные прочностные характеристики получаются при быстром приложении нагрузки. При медленном нагружении прочностные характеристики значительно меньше.
[s]image_114.png[/s]
При обработке и уборке снега машинами используется предельное сопротивление снега резанию арез, т. е. усилие, необходимое для вырезания снежного покрова с поперечным сечением 1 м2. Это интегральный показатель, т. к. при резании снега машинами преодолеваются сопротивления сжатию, разрыву и сдвигу. При механизированной обработке снега происходит, кроме его резания, перемещение снега по отвалам плугов и снега по снегу. На рисунке приведены значения коэф. трения снега по снегу и снега по металлу в зависимости от плотности снега и температуры воздуха. При росте скорости резания от 1,5 до 11,2 м/с значение арез может возрастать втрое. Трение скольжения твердого тела по снегу (полозья саней, лыжи и пр.) происходит с выделением тепла и образованием жидкой водяной пленки, поэтому оно невелико. Минимальных значений 0,04—0,06 коэф. трения достигает при температурах, близких к 0°С.
[s]image_115.png[/s]
Коэффициенты трения снега по снегу <�рс и снега по металлу φΜ в зависимости от плотности снега р и температуры воздуха.
Хорошо известна пластичность снежного покрова, т. е. его способность необратимо изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры под действием внешних сил. В естественных условиях пласты снега нередко изгибаются при сползании со склона, образуют складки и скручиваются в улитки, а свежевыпавший снег с небольшой плотностью при приложении нагрузки меняет не только форму, но и объем, т. е. ведет себя как вязкая сжимаемая жидкость.
Методы и приборы для определения М. с. с. недостаточно разработаны; для снежного покрова большое значение имеет масштабный эффект из-за наличия в снегу большого числа микро- и макронеоднородностей, поэтому экспериментальные данные о М. с. с. в большинстве случаев носят иллюстративный характер.
Лит.: [38, 120, 280, 302, 316]
А. К. Дюнин, К. С. Лосев
