Hostname: page-component-74656f9884-54qdv Total loading time: 0 Render date: 2026-11-09T21:40:07.756Z Has data issue: false hasContentIssue false

Mechanical behaviour and structure of snow under uniaxial tensile stress

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Hidek Narita*
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan 060
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Abstract

The mechanical behaviour of snow was studied at — 10°C under uniaxial tensile stress in a range of cross-head speed 6.8 - 10–8 to 3.1 - 10–4 ms–1 and snow density 240-470 kg m–3.It was found from the resisting force-deformation curves that the snow was deformed in two different ways: namely, brittle and ductile deformation at high and low strain-rates, respectively. The critical strain-rate dividing the two deformation modes was found to depend on the density of snow. In ductile deformation, many small cracks appeared throughout the entire specimen. Their features were observed by making thin sections and they were compared with small cracks formed in natural snow on a mountain slope.

The maximum strength of snow was found to depend on strain-rate: at strain-rates above about 10–5 s –1, the maximum strength increased with decreasing strain-rate but below 10–5 s–1 it decreased with decreasing strain-rate.

Résumé

Résumé

On a étudié les comportements mécaniques de la neige à — 10°C sous une contrainte de tension uniaxiale dans une gamme de vitesse de déformation de 6,8- 10–8 à 3,1 - 10–4 m s–1 et de densité de 240 à 470 kg m–3. D’après les courbes déformation⁄force résistante, on a trouvé que la neige se déformat de deux manières différentes, à savoir des déformations de rupture et plastique avec des vitesses de déformation respectivement rapides et lentes. La vitesse critique séparant les deux types de déformation a été trouvée fonction de la densité de la neige. Dans la déformation plastique beaucoup de petites fissures apparaissent dans toute la masse de l’échantillon. Ces particularités ont été observées en pratiquant des coupes minces et ont été comparées aux petites fissures qui se forment dans la neige naturelle sur une pente en montagne.

On a trouvé que la résistance maximum de la neige dépendait de la vitesse de déformation: à des vitesses de déformation supérieures à environ 10–5 m s–1, la résistance maximum croît si la vitesse de déformation décroît, mais en dessous de 10–5 m s–l elle décroît quand se réduit la vitesse de déformation.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Das mechanische Verhalten von Schnee wurde bei —10°C unter einer einachsigen Zugspannung im Bereich einer Geschwindigkeit des Einspannkopfes von 6,8- 10–8 bis 3,1 - 10–4 m s –1 und bei einer Schneedithle zwischen 240 und 470 kg m–3 untersucht. Aus den Diagrammen für Widerstandskraft und Deformation ergab sich, dass sich der Schnee auf zwei verschiedene Arten verformte, nämlich spröde bei hohen Deformationsgeschwindigkeiten, geschmeidig hingegen bei niedrigen. Für die kritische Deformationsgeschwindigkeit an der Grenze zwischen beiden Verformungsarten zeigte sich eine Abhängigkeit von der Schneedichte. Bei der geschmeidigen Verformung erschienen viele kleine Sprünge durch die ganze Probe; ihr Verlauf wurde an Dünnschliffen untersucht und mit dem kleiner Sprünge in natürlichem Schnee eines Gebirgshanges verglichen.

Die maximale Festigkeit des Schnees erwies sieh abhängig von der Deformationsgeschwindigkeit: bei Deformationsgeschwindigkeiten über etwa 10–5 s–1 wuchs die maximale Festigkeit mit abnehmender Deformationsgeschwindigkeit, doch unter 10–5 s–1 nahm sie mit der Deformationsgeschwindigkeit ab.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © The Author(s) 1980 
Figure 0

Fig. 1. Schematic diagram of the experimental apparatus. 1. Snow specimen; 2. Load cell; 3. Connector; 4. Ascending rod; 5. Decelerators; 6. Motor.

Figure 1

Fig. 2. Typical resisting force-strain curves. Type a, strain-rate 8.33- 10–4 s–1, density 370 kg m –3. Type b, strain-rate 9.15 - 10–5s–1, density 298kgm–3. Type c, strain-rate 2.96 - 10 –5 s–1, density 445 kg m–3. Type d, strain-rate 9.54- 10–7 s–1, density 337 kg m–3.

Figure 2

Fig. 3. Photograph of cracks. The arrows show the direction of elongation.

Figure 3

Fig. 4. Photographs of snow specimens at the final stage of tests. a, b, c, and d correspond to types a, b, c, and d in Figure 2.

Figure 4

Fig. 5. Relations between the maximum strength and the strain-rate. Deformation types are specified by the symbols:(type a),(type b), (type c), and(type d).

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Fig. 6. Plot of the strain-rate against the density. The meaning of the symbols is the same as in Figure 5.

Figure 6

Fig. 7. Relations between the strain when cracks appeared and the strain-rate.

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Fig. 8. Thin sections of snow in the type c deformation. The arrows show the direction of elongation. (a) Strain-rate 9.5 - 10–7 s–1, Strain 13.6%, density 440 kg m–3 (b) Strain-rate 7.7 - 10–6s–1, strain 13.3%, density 410 kg m–3. (c) Strain- rate 4.1 - 10–6 s–1, strain 12.7%, density 425 kg m–3.

Figure 8

Fig. 9. Thin section of snow sample under the natural tensile conditions in the vicinity of a tension crack on a mountain slope. The arrows show the direction of maximum inclination of the slope.