中央北极地区融季海冰抗弯强度的实验研究

《Cold Regions Science and Technology》：Experimental study on the flexural strength of sea ice during melt season in Central Arctic Regions

　　

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  弯曲强度取自于北极中央海域（84.4°N）采集的全厚度海冰块。
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  融化季节的海冰弯曲强度与冻结季节的海冰弯曲强度存在显著差异。
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  采用Spearman相关系数评估强度与物理参数之间的相关性。
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  融化季节海冰的总孔隙率可超过30%，导致弯曲强度低至0.1 MPa以下。

引言

近年来，全球气候变暖导致北极地区气温显著升高。观测数据显示，从1979年到2013年，北极气温升高了约2.0–2.5 °C，如此显著的增温使北极夏季融化季节每十年延长约5天（Stroeve等，2014）。这进一步导致夏季海冰厚度和覆盖范围持续缩小。因此，为北极航行和资源开发创造了更有利的条件（Chen等，2022；Ravindran等，2021）。在极地海冰与船舶、海洋平台等结构的相互作用中，弯曲破坏是海冰常见的破坏模式，在脊化过程中同样会发生。弯曲破坏期间的冰荷载大小主要取决于海冰的弯曲强度和有效弹性模量。因此，准确确定夏季北极海冰的这两个参数对于极地地区工程结构的冰荷载评估和安全设计至关重要。

海冰的弯曲强度主要采用悬臂梁试验和简支梁试验进行测量（Schwarz等，1981；Timco和O'Brien，1994；Aly等，2019）。其中，简支梁试验样品尺寸较小、操作步骤简单，便于在实验室中实施。相比之下，悬臂梁试验通常在野外进行，其优势在于能够在自然温度梯度条件下测量海冰的弯曲性能（Karulina等，2019；Ji等，2011）。海冰是一种由纯冰、固态盐、卤水、气体和其他杂质组成的复杂天然材料。其内部组成随环境温度变化而显著改变，从而导致其力学性能发生变化（Timco和Weeks，2010）。研究表明，在特定温度范围内，海冰的弯曲强度随温度升高而降低（Dykins，1971；Ji等，2011）。在海冰生长过程中，卤水和气体被限制在纯冰晶格内的亚晶界处，而固态盐则沉淀在液态包裹体内部。所有这些微观结构特征共同影响海冰的弯曲强度。卤水体积常被用作温度和盐度的综合指标来评估海冰的弯曲强度。Frankenstein和Garner（1967）提出了一种基于海冰温度和盐度计算卤水体积的公式，但该公式不适用于高度融化的海冰。大量研究报道表明，海冰的弯曲强度随卤水体积的增加而降低（Blanchet等，1997；Airaksinen，1974；Timco和Frederking，1983）。Timco和O'Brien（1994）进一步提出了生长期海冰弯曲强度与卤水体积平方根之间的负指数关系。Cox和Weeks（1983）开发了一种从实验数据中估算海冰气孔体积、卤水体积和孔隙率的方法。现有实验数据表明，孔隙率作为综合指标，可以反映卤水和气体对海冰弯曲性能的综合影响，且弯曲强度与孔隙率呈负相关（Wang等，2022；Xiu等，2022）。该方法依赖于高质量的密度测量，而在野外条件下通常难以准确获得。因此，关于孔隙率对海冰弯曲强度影响的研究仍然有限。

海冰是一种粘弹性塑性材料，其在载荷作用下的变形主要包括弹性、延迟弹性和粘性分量。在工程中，海冰的名义应力与名义应变之比被定义为有效弹性模量或应变模量（Timco和Weeks，2010）。随着卤水体积的增加，海冰的有效弹性模量趋于降低（Karulina等，2019；Ji等，2011；Blanchet等，1997）。基于野外和实验室试验结果，Vaudrey（1977）提出海冰的有效弹性模量与卤水体积的平方根呈线性关系。此外，加载速率是影响海冰有效弹性模量的另一个因素。Lainey和Tinawi（1984）对实验室制备的盐水冰进行了测量，发现有效弹性模量随应力速率的增加而增大。然而，当应力速率超过100 kPa/s时，有效弹性模量趋于稳定。这种速率相关的力学行为是粘弹性材料的基本特征（Lakes，2009）。在低加载速率下，蠕变等时变变形充分发展，对总应变贡献很大，导致有效弹性模量相对较低。但随着加载速率的增加，蠕变和粘性变形逐渐被抑制，弹性变形成为主导。相应地，有效弹性模量随应变速率升高，并在达到一定程度后趋于稳定。

经过长时间太阳辐射和广泛融化后，夏季北极海冰的内部物理组成发生了显著变化。对于生长期的海冰，卤水体积分数通常低于5%，气孔体积分数通常小于2%（Griewank和Notz，2013；Crabeck等，2016）。在融化季节，北极一年冰的气孔体积分数可超过20%（ISO 19906，2019）。Wang等（2020）发现，北极海冰在8月份的平均气孔体积分数约为15%。夏季北极海冰的密度也明显降低。通常，北极一年冰的密度非常接近纯冰，约为0.917 g/cm³（Hornnes等，2025）。在北极融化季节，Wang等（2018）观察到夏季海冰密度可低至0.6 g/cm³。夏季北极海冰高气孔体积、低盐度和低密度的特征使其与生长期冰的力学行为有根本性差异。对夏季北极海冰的测量表明，气孔体积和孔隙率显著影响其力学性能（Wang等，2025）。然而，Wang等（2025）指出，在样品运输过程中可能发生显著的卤水损失，导致测量得到的气孔体积大幅增加。

ISO 19906（2019）采用了Timco和O'Brien的海冰弯曲强度模型和Vaudrey的有效弹性模量模型——两者均是为生长期海冰开发的，其中卤水体积是关键参数。然而，这些模型可能无法准确表征夏季北极海冰的力学行为。因此，确定融化季节北极海冰的弯曲强度和有效弹性模量，并开发一种适用于表征其弯曲力学性能的方法至关重要。在本研究中，于第13次中国北极科学考察期间，从北极中央海域的两个站点采集了海冰样品。在野外和实验室条件下，通过三点弯曲试验测量了海冰的弯曲强度和有效弹性模量，特别关注了卤水体积、气体体积和孔隙率对力学行为的影响。

章节摘要

海冰样品的采集

在第13次中国北极科学考察期间，进行了海冰野外采样以研究其物理和力学性能。2023年8月13日和19日，分别在北极中央海域的Ice02（82.3°N，173.6°E）和IceL（84.4°N，154.3°E）站点采集了全厚度海冰块，如图1所示。在每个站点，提取了一块大型全厚度冰块（横截面1.5 m × 1.5 m）。去除最上层10 cm和最底层15 cm后，

物理属性的垂直分布

海冰的形成和生长是一个受温度、洋流和风速等多种环境因素影响的复杂物理过程。在此过程中，海冰的物理属性沿生长方向呈现垂直变异性，这反过来影响其弯曲强度。为研究这些变化，在Ice02和IceL站点的海冰上进行了温度、盐度和密度的野外测量。基于测量的整体密度，

卤水体积对弯曲强度的影响

作为反映海冰微观结构的关键物理参数，卤水体积已被广泛用于评估其弯曲行为。基于对一年期海冰的大量弯曲强度试验，Timco和O'Brien（1994）提出了一个根据卤水体积估算弯曲强度的经验公式：$${\sigma }_f=1.76e^{?5.88\sqrt{v_b}}$$

需要注意的是，该经验公式仅适用于冻结季节寒冷环境条件下形成的海冰。图10显示了

结论

基于中国第13次北极科考，从北极中央海域的Ice02和IceL两个站点采集了全厚度冰块，并系统地进行了野外和实验室三点弯曲试验以测量弯曲强度和有效弹性模量。研究重点关注了卤水体积、P-气体体积和孔隙率对夏季北极海冰弯曲行为的影响，主要结论如下：

1. 夏季

CRediT作者贡献声明

俞双：方法论、调查研究、形式化分析、数据管理、初稿撰写。陈晓东：监督指导、数据管理、审阅与编辑。王安良：数据管理。孙凯：数据管理。季顺英：监督指导、经费获取、审阅与编辑。王庆凯：审阅与编辑。段青林：审阅与编辑。Knut Vilhelm H?yland：审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到国家重点研发计划（项目编号：2022YFF0802002，2024YFC2816403）和国家自然科学基金（项目编号：42176241，52192693，52101300；42176208）的资助。

俞双|陈晓东|王安良|王庆凯|孙凯|Knut H?yland|段青林|季顺英