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Normal Stress Effects in the Creep of Ice

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

David F. McTigue
Affiliation:
Fluid Mechanics and Heat Transfer Division I, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico 87185, U.S.A.
Stephen L. Passman
Affiliation:
Computational Physics and Mechanics Division 1, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico 87185, U.S.A.
Stephen J. Jones
Affiliation:
National Hydrology Research Institute, Environment Canada, Ottawa, Ontario K1A 0E7, Canada
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Most non-linear fluids for which the appropriate measurements have been made exhibit non-zero and unequal normal stress differences in shearing flows. Power-law models such as Glen’s law cannot represent this phenomenon. The simplest constitutive equation that does embody normal stress effects defines the second-order fluid. An exact analytical solution for biaxial creep of such a fluid is fit to data from four tests on polycrystalline ice. The model gives an excellent representation of both primary and secondary creep. The fits provide values for the three material constants. These coefficients indicate positive first and second normal stress differences. One consequence is the prediction that a steady open-channel flow will exhibit a longitudinal free-surface depression of up to several meters for sufficiently thick ice on steep slopes. In addition, the compressive principal stress at the channel margin is decreased and the tensile principal stress is increased in magnitude over those predicted by models without normal stresses. The normal stresses thus favor the formation of crevasses. Furthermore, the angle these crevasses form with the channel margin is decreased.

Résumé

Résumé

La plupart des fluides non linéaires pour lesquels des mesures adequates ont été réalisées montrent des différences non nulles et inégales de la contrainte normale dans les écoulements de cisaillement. Des lois-puissance telles que celles de Glen ne peuvent rendre compte de ce phénomène. La plus simple de ces équations d’état qui incorpore les effets de la contrainte normale définit un fluide du second ordre. Une solution analytique exacte pour un fluage biaxial d’un tel fluide est comparée aux données de quatre tests sur de la glace polycristalline. Le modèle donne une excellente représentation à la fois du fluage primaire et du secondaire. Les ajustements donnent des valeurs pour les trois constantes du matériau. Ces coefficients indiquent des différences positives pour la première et la seconde contrainte normale. Une des conséquences est la prédiction pour un chenal ouvert en état de régime d’une dépression longitudinale à la surface libre de plusieurs mètres pour une épaisseur suffisante de glace sur de fortes pentes. De plus, la contrainte principale de compression décroit au bord du chenal et la contrainte principale de traction croit en amplitude au delà de celles prédites par des modèles sans contraintes normales. Les contraintes normales favorisent alors la formation des crevasses. Dans ce cas, l’angle de ces crevasses avec le bord est réduit.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die meisten nichtlinearen Flüssigkeiten, für die geeignete Messungen angestellt wurden, zeigen beim Fliessen unter Scherung von Null verschiedene und ungleiche Differenzen der Normalspannung. Modelle mit Potenzgesetzen, wie etwa das Glen’sche Fliessgesetz, können dieser Erscheinung nicht gerecht werden. Die einfachste Grundgleichung, die Effekte der Normalspannung miteinbezieht, definiert die Flüssigkeit zweiter Ordnung. Eine exakte analytische Lösung für das biachsiale Kriechen einer solchen Flüssigkeit passt zu den Daten von 4 Versuchsreihen mit polykristallinem Eis. Das Modell liefert eine ausgezeichnete Darstellung sowohl des primären wie des sekundären Kriechens. Die Anpassungen ergeben Werte für die drei Materialkonstanten. Diese Koeffizienten deuten auf positive erste und zweite Differenzen der Normalspannung. Als Folgerung lässt sich vorhersagen, dass stetiges Fliessen in offenen Kanälen bei ausreichend dickem Eis auf steilen Hängen eine Längsabsenkung der freien Oberfläche bis zu einigen Metern ergibt. Ausserdem verringert sich die Hauptdruckspannung am Rande des Kanals und die Hauptdehnungsspannung erweist sich als höher als die von Modellen ohne Normalspannung vorausgesagte. Die Normalspannungen begünstigen so die Biuldung von Spalten. Weiterhin wird der Winkel zwischen diesen Spalten und dem Kanalrand verringert.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1985
Figure 0

Fig. 1. Definition sketch for the biaxial creep test.

Figure 1

Fig. 2. Fits of Equation (22) to data for primary and secondary creep. Parameters determined by regression are shown in Table I.

Figure 2

Table I. Constitutive Coefficients, Temperature, and Confining Pressure Forfour Biaxial Creep Tests

Figure 3

Fig. 3. Definition sketch for channel flow.

Figure 4

Fig. 4. Calculated surface depression as a function of channel slope and radius for a semicircular channel, using mean values from Table I.