Empirical Studies of Ice Sliding

Abstract

An experimental programme has been carried out for studying temperate-ice sliding over rock surfaces with a wide range of roughnesses, for normal and shear stresses comparable to those expected under real ice masses. The limiting static shear stress for acceleration has been found to be directly proportional to the normal load giving a constant limiting coefficient of static friction characteristic of the surface. For a constant applied normal stress N and shear stress τ _b, well below the limiting static shear, a steady velocity V _b results which increases approximately proportionally to τ _b and decreases with increasing N and the roughness of the surface. For high normal stress the velocity becomes approximately proportional to the shear stress cubed and inversely proportional to the normal stress. As the shear stress increases acceleration sets in, which, for different roughness and normal loads, tends to occur for a constant value of the product τ _b V _b . For some surfaces at high normal loads this acceleration was retarded by erosion. For constant-applied-velocity tests a steady shear stress resulted, which tended to become constant with high velocities, and which increased with increasing normal stress but with a reduced coefficient of sliding friction. The relevance of the results to the sliding of real ice masses is discussed with particular reference to the importance of the effect of the relative normal stress, above basal water pressure, to the sliding rate.

Résumé

On a mis au point un programme expérimental pour étudier la glace tempérée est son glissement sur des surfaces rocheuses de rugosité variant dans de grandes proportions, pour des efforts normaux ou un cisaillement comparables à ceux que l’on peut atteindre dans des masses réelles de glace. On a trouvé que la contrainte de cisaillement statique limite pour aboutir à une accélération est directement proportionnelle à la charge normale ce qui donne une valeur limite constante du coefficient de friction statique qui est une caractéristique d’une surface. Pour un effort normal constant N et une contrainte de cisaillement τ _b, bien inférieure au cisaillement statique limite, une vitesse d’équilibre V _b s’établit qui croit approximativement comme τ _b et décroît quand croissent N et la rugosité de la surface. Pour un effort normal important la vitesse devient approximativement proportionnelle au cube du cisaillement et inversement proportionnelle à l’effort normal. Lorsque le cisaillement croît, l’accélération commence qui, pour différentes rugosités, et différentes charges normales tend à maintenir constant le produit τ _bV _b. Pour certaines surfaces à fortes charges normales, cette accélération est retardée par l’érosion. Pour des essais à vitesse constante, on obtient un cisaillement stable qui tend à devenir constant avec des vitesses fortes et croît quand augmente l’effort normal mais avec un coefficient réduit de friction. L’applicabilité des résultats au glissement de masses de glace réelles est discutée avec une référence particulière à l’importance de l’effet de l’effort normal relatif, au-dessus de la pression hydraulique au fond, sur la vitesse de glissement.

Zusammenfassung

Zum Studium temperierten Eises, das über Felsober-flächen verschiedenster Rauhigkeit unter Normal-und Scherspannungen, wie sie unter wirklichen Eismassen zu erwarten sind, gleitet, wurde ein Versuchsprogramm durchgeführt. Die statische Grenzscherspannung für Beschleunigungen ergab sich als direkt proportional zur Normallast, was zu einem konstanten Grenz-koeffizienten der statischen Reibung führt, der für die Oberfläche charakteristisch ist. Bei einer konstanten Normalspannung N und einer Scherspannung τ _b, die weit unterhalb der statischen Grenzscherkraft liegt, ergibt sich eine stetige Geschwindigkeit V _b , die näherungsweise proportional zu τ _b anwächst und mit wachsendem N und höherer Oberflächenrauhigkeit abnimmt. Bei hoher Normalspannung wird die Geschwindigkeit annähernd proportional zur 3. Potenz der Scherspannung und reziprok zur Normalspannung. Mit wachsender Scherspannung setzt Beschleunigung ein, die bei verschiedener Rauhigkeit und Normallast einen konstanten Wert für das Produkt τ _bV _b zustrebt. Bei einigen Oberflächen und hohen Normallasten wurde diese Beschleunigung durch Erosion verzögert. Bei Versuchen mit konstanter Geschwindigkeit ergab sich eine stetige Scherspannung, die bei hohen Geschwindigkeiten einer Konstanten zustrebte und mit wachsender Normalspannung zunahm, jedoch mit abnehmendem Gleitreibungskoeffizient. Die Bedeutung der Ergebnisse für das Gleiten wirklicher Eismassen wird diskutiert, besonders unter dem Aspekt des Einflusses der relativen Normalspannung über dem Wasserdruck am Untergrund auf die Gleitgeschwindigkeit.