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On the Analysis of Longitudinal Stress in Glaciers

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

R.M. McMeeking
Affiliation:
Department of Theoretical and Applied Mechanics, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois 61801, U.S.A.
R.E. Johnson
Affiliation:
Department of Theoretical and Applied Mechanics, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, Illinois 61801, U.S.A.
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Abstract

In the standard solution for the stresses in a glacier or ice sheet obeying Glen’s law, the down-slope component of the weight is supported by the basal shear stress, and the longitudinal deviatoric stress is second order. However, it has been found necessary to account for the longitudinal stress gradient when relating surface to bed topography with empirical data. In addition, during rapid stretching of the glacier, perhaps during a surge, the longitudinal stress gradient becomes comparable to or larger than the shear stress, and the standard solution is not entirely valid. In this paper, we consider the analysis of the stresses and strain-rates in a glacier when the longitudinal deviatoric stresses are comparable to the basal shear stresses. In some circumstances the down-slope component of weight is not borne completely by basal shear stress to leading order and some of the weight is shifted to the longitudinal deviatoric stress gradient. This case has also been examined. The results are used to obtain expressions for basal shear stress in terms of glacier thickness, slope, surface strain-rate gradient, and ice properties.

Résumé

Résumé

Dans la solution standard pour les contraintee dans un glacier ou une calotte de glace obéissant à la loi de Glen, la composante du poids vers l’aval est équilibrée par la contrainte de cisaillement à la base et la composante longitudinale du déviateur des contraintes est du second ordre. Cependant il est nécessaire de prendre en compte le gradient longitudinal des contraintes pour relier la topographie de surface à celle du lit avec des données empiriques. De plus, lors de rapides extensions du glacier, comme pour un surge, le gradient de contrainte longitudinal devient comparable ou supérieur à la contrainte de cisaillement et la solution standard n’est plus totalement valable. Dans cet article, nous envisageons l’analyse des contraintes et des déformations dans un glacier lorsque les contraintes longitudinales déviatrices sont comparables aux contraintes de cisaillement à la base. Dans certains cas la composante du poids vers l’aval n’est pas équilibrée totalement par la contrainte de cisaillement basale au premier ordre et une partie du poids est responsable d’un gradient longitudinal de contrainte. Ce cas a aussi été examiné. Les résultats sont utilisés pour obtenir des expressions pour la contrainte de cisaillement à la base en fonction de l’épaisseur de glace, de la pente, du gradient de déformation en surface et des propriétés de la glace.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

In der Standardlösung für die Spannungen in Gletschern oder Eisschilden, die dem Glen’schen Fliessgesetz folgen, wird die hangabwärts gerichtete Komponente des Gewichts durch die Scherspannung am Untergrund aufgenommen, während die Ablenkungskraft in der Längsrichtung von 2. Ordnung ist. Es erwies sich jedoch als notwendig, den Längsspannungsgradienten zu berücksichtigen, wenn die Oberflächengestalt mit dem Untergrund über empirische Daten in Beziehung gesetzt werden soll. Ausserdem wird bei schnellen Beanspruchungen des Gletschers, etwa während eines Ausbruchs, der Längsspannungsgradient vergleichbar mit oder sogar grösser als die Scherung; dadurch verliert die Standardlösung ihre volle Gültigkeit. In dieser Arbeit stellen wir die Analyse der Spannungs- und Verformungsraten in einem Gletscher für den Fall dar, dass die ablenkende Längsspannungen den Scherspannungen am Untergrund vergleichbar sind. Unter gewissen Umständen wird die hangabwärts gerichtete Gewichtskomponente nicht völlig durch die Scherspannung am Untergrund aufgenommen; ein Teil des Gewichts geht vielmer in den Gradienten der ablenkienden Läangsspannung ein. Dieser Fall wurde ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse werden zur Aufstellung von Ausdrücken für die Scherspannung am Untergrun in Abhängigkeit von Dicke, Gefälle, Verformungsrate an der Oberfläche und Eiseigenschaften herangezogen.

Information

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

Fig.1. Sliding law – relationship between basal shear stress and basal velocity.

Figure 1

Fig.2. A segment of the glacier showing the coordinate system.

Figure 2

Fig.4. Functions arising in expressions for stress in glaciers. The solid line is I1(z) and the dashed line is with that of I2(z)

Figure 3

Fig.3. Schematic of a rapidly sliding glacier segment constrained by slowly moving portions.