Обоснование ресурсосберегающих технологических решений при строительстве лесных дорог тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.01, кандидат наук Ковалева Наталья Владимировна

• Ковалева Наталья Владимировна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Ковалева Наталья Владимировна

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ОБЪЕКТОВ ЛЕСНОЙ ДОРОЖНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

1.1 Общие положения о состоянии лесозаготовительной отрасли РФ

1.2 Состояние лесотранспортной инфраструктуры: обзор

научных исследований данного направления

1.3 Способы строительства лесовозных дорог

1.4 Прочностные показатели лесовозных автомобильных дорог

1.5 Процессы уплотнения на лесовозных автомобильных дорогах

1.6 Основные выводы по главе и постановка задачи исследования

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ УПЛОТНЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВО-ГРУНТОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЛЕСНОЙ ДОРОГИ

2.1 Методологические аспекты предлагаемой методики

2.2 Анализ структуры, элементного состава и классификация почво-грунтов

2.3 Модуль общей деформации и модель уплотняемого слоя почво-грунта

2.4 Моделирование изменений пористости и деформаций уплотняемого почво-грунта

2.5 Моделирование влияния пористости на толщину слоя почво-грунта грунта при его уплотнении

2.6 Определение степени уплотнения почво-грунта грунта при его фильтрационной консолидации

2.7 Выводы по главе

3 ОПЫТ СТРОИТЕЛЬСТВА ЛЕСНОЙ ДОРОГИ С ЗАДАННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЕФОРМИРУЕМОСТИ

3.1 Оценка запаса древесины, вывозимой с расчетной лесосеки

3.2 Оценка несущей способности дороги

3.3 Инженерно-изыскательские работы при строительстве дороги

3.4 Исследование характеристик исходных почво-грунтов

3.5 Строительство опытной лесной дороги

3.6 Сметно-финансовый расчет строительства дороги по технологии

«из канав»

3.7 Выводы по главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕФОРМИРУЕМОСТИ ПОЧВО-ГРУНТОВ ОПЫТНОЙ ЛЕСНОЙ ДОРОГИ

4.1 Методика отбора почво-грунтовых монолитов естественной (ненарушенной) структуры

4.2 Методика высушивания почво-грунтовых образцов до постоянной массы

4.3 Определение требуемого числа измерений

4.4 Пробный эксперимент по определению плотности скелета почво-грунта

4.5 Исследование физических характеристик почво-грунтов

4.6 Определение модуля общей деформации почво-грунта

4.7 Выводы по главе

5 ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕСНОЙ ДОРОГИ ПО ВЕЛИЧИНЕ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ

5.1 Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных модулей деформации

5.2 Обоснование технологических решений по обеспечению требуемых характеристик деформируемости лесной дороги

5.3 Рекомендации по содержанию и ремонту лесной дороги

5.4 Выводы по главе

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование ресурсосберегающих технологических решений при строительстве лесных дорог»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Общая лесопокрытая площадь Российской Федерации составляет около 1180 млн. га, что, в свою очередь, занимает почти 70% всей территории страны. При достаточно обширных эксплуатационных запасах лесов на сегодняшний день осваивается менее 50% расчетной лесосеки. Одной из основных причин освоения лесных ресурсов на низком уровне является неразвитая дорожно-транспортная инфраструктура, а также большая удаленность существующих лесных дорог от предприятий лесозаготовительной отрасли.

Формирование густой сети лесных дорог, отвечающих требуемым транспортно-эксплуатационным характеристикам, является благоприятной предпосылкой для высоких показателей оценки эффективности строительства, проведения лесохозяйственных мероприятий, а также для поддержания конкурентоспособности в условиях насыщенного рынка.

Общая протяженность автомобильных дорог в лесном фонде РФ составляет 1617,7 тыс. км, из них 514 тыс. км приходится на лесные дороги временного действия, в частности, на лесовозные ветки и усы. Ветки, назначение которых заключается в сборе лесотранспортных потоков с усов для дальнейшей доставки лесоматериалов к магистралям, являются важнейшим звеном дорожно-транспортной сети при освоении лесосырьевой базы (ЛСБ). В то же время характер функционирования веток предполагает ограниченность во времени эксплуатации. Таким образом, конструкция веток должна отвечать определенным прочностным характеристикам, в частности обладать требуемой (но не избыточной) несущей способностью, достаточной для обеспечения бесперебойной вывозки запланированного к заготовке объема леса с наименьшими затратами на проектирование, строительство, содержание и ремонт дороги.

Несмотря на то, что в настоящее время имеется ряд научных, в том числе зарубежных, обоснований и практических рекомендаций в области

технологических решений по строительству лесных дорог с учетом ресурсосбережения (трудовые ресурсы, технологии производства работ, дорожно-строительные машины и материалы), конкретные методические указания по проектированию и строительству таких дорог, позволяющие заранее обеспечить заданную несущую способность дорожного полотна к настоящему времени недостаточно проработаны. Очевидно, что решение задачи по обоснованию показателей прочности лесовозных дорог и разработка методики их проектирования и строительства на основе обеспечения заданной величины этих показателей является актуальной задачей.

Степень разработанности. Анализ публикаций по теме диссертации, в том числе Интернет-ресурсов, показал, что в настоящее время выполнен значительный объем исследований в области обоснования и проектирования сетей лесовозных автомобильных дорог, включая магистрали, ветки и усы. При этом вопросы проектирования и строительства магистралей и усов рассмотрены достаточно полно. Превалирующее большинство проанализированных исследований по вопросам проектирования и строительства веток связаны с применением комплексов дорожно-строительной техники на стадии разработки и перемещения грунта, доставляемого из существующих карьеров. В сложившихся условиях хозяйствования, а также развития арендных отношений наиболее остро встает проблема возведения веток из местных материалов при минимальных затратах. Данная проблематика требует решения вопросов, связанных с проектированием и строительством подобных дорог с обеспечением требуемых технико-экономических показателей и срока службы.

Цель работы - обоснование ресурсосберегающей методики проектирования и строительства лесных дорог на основе обеспечения требуемых значений модуля деформации дорожного полотна.

Задачи исследований. Исходя из актуальности темы и цели работы, сформулированы следующие задачи исследований:

1. Провести анализ существующих технологических решений при строительстве лесных дорог, используемой техники и материалов. Определить наиболее перспективный подход к разработке ресурсосберегающего способа строительства лесных дорог.

2. Обосновать номенклатуру показателей несущей способности лесных дорог и их требуемых значений.

3. Разработать методику расчета выбранных показателей несущей способности дорожной конструкции, позволяющую определить требуемые свойства дороги на стадии проектирования.

4. Провести проектирование и строительство экспериментального участка лесной дороги на основе разработанной методики расчета показателей несущей способности почво-грунта.

5. Провести экспериментальные исследования по определению реальных значений показателя несущей способности на участках дороги.

6. Оценить адекватность предложенной методики расчета путем сравнения теоретических (расчетных) и экспериментальных значений.

7. С использованием полученных результатов обосновать практические рекомендации по обеспечению требуемых показателей несущей способности на всем протяжении проектируемой лесной дороги.

8. Сформулировать рекомендации по содержанию и ремонту лесных

дорог.

Объектами исследований являются лесные дороги (лесовозные ветки), технологические процессы при их возведении и эксплуатации.

Методы исследований. При обосновании методики были использованы:

1. Методы моделирования процессов функционирования машин.

2. Методики моделирования уплотняемого почво-грунта с упрочнением.

3. Лабораторные методы определения физико-механических характеристик лесных почво-грунтов по ГОСТ 30416-2012, ГОСТ 120712000, ГОСТ 5180-84, ГОСТ 25100-2011.

4. Пенетрационный экспресс-метод определения упругих характеристик лесных почво-грунтов.

5. Методы статистической обработки результатов испытаний.

Научная новизна исследования заключается в экспериментальном

обосновании применения термина «лесной почво-грунт» как материала при возведении дорожного полотна лесовозных веток. Предложен и обоснован модуль деформации как показатель несущей способности, позволяющий учитывать пошаговое изменение его величины при воздействии дорожно-строительной машины. Предложена методика проектирования и расчета дорожного полотна лесовозных веток на основе обеспечения требуемого модуля деформации. Даны новые практические рекомендации по проектированию и строительству лесовозных веток методом «из канав».

Значимость для теории и практики. Разработана методика проектирования лесных дорог (веток), основанная на определении и оценке модуля деформации почво-грунта на поверхности и в теле дорожного полотна. Предложена модель уплотнения исходного материала дорожного полотна под различными видами нагрузок, вызываемых дорожно-строительной машиной, с последующей естественной консолидацией. Предложен комплекс технологических решений проектирования и строительства лесных дорог способом «из канав», отличающийся расширенным использованием местных почво-грунтов, а также уменьшением требуемых строительных машин и механизмов до одного экскаватора за счет его применения не только для разработки почво -грунта, но и для уплотнения земляного полотна лесных дорог. Возводимое дорожное полотно по данной технологии обладает требуемой несущей способностью, является достаточным для транспортировки необходимых объемов

древесины и способствует достижению положительного экономического эффекта.

Научные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования характеристик деформируемости лесных

дорог.

2. Модель уплотнения почво-грунта в системе «уплотняющее устройство - уплотняемый материал».

3. Комплекс технологических решений проектирования и строительства лесных дорог, технико-экономическая эффективность которого обеспечена использованием местных почво-грунтов, а также использованием экскаватора не только для разработки почво-грунта, но и для его уплотнения в теле земляного полотна.

4. Результаты экспериментальных исследований характеристик деформируемости почво-грунтов земляного полотна опытной лесной дороги.

5. Рекомендации по обеспечению достаточного модуля деформации почво-грунта земляного полотна лесных дорог.

Обоснованность и достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследований подтверждается данными, полученными в процессе строительства опытной лесной дороги, расположенной на территории Инновационно-технологического кампуса Петрозаводского государственного университета, проведения на ней экспериментальных исследований, а также положительным опытом внедрения разработанных рекомендаций и методики в производство.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на 64-й научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных (Петрозаводск, 2012); международной научно-технической конференции «Первый Европейский лесопромышленный форум молодёжи» (Воронеж, 2014); международной научной конференции «Современное состояние, тенденции развития, рациональное использование и сохранение биологического разнообразия

растительного мира» (Минск - Нарочь, 2014); международном форуме «Классический университет в пространстве трансграничности на Севере Европы: стратегия инновационного развития» (Петрозаводск, 2014); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2014); XV международной интернет-конференции «Лесной комплекс: состояние и перспективы развития» (Брянск, 2015); международной научно-практической конференции «Молодежный форум: технические и математические науки» (Воронеж, 2015).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, из них 4 работы в изданиях из перечня ВАК и одно учебное пособие.

Реализация работы. Результаты исследований и рекомендации по методике проектирования и расчета модуля общей деформации дорожной конструкции использованы в практической деятельности ООО «Петрозаводское ДРСУ». Также основные результаты диссертационных исследований внедрены и используются в учебном процессе Петрозаводского государственного университета в курсе «Проектирование и строительство лесовозных дорог» при чтении лекций и проведении практических работ по направлению подготовки 35.03.02-Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств (профили «Лесоинженерное дело», «Технология деревообработки»).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 199 страниц, 60 рисунков, 44 таблицы. Список использованных источников включает 160 наименований.

1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОДХОДОВ ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ОБЪЕКТОВ ЛЕСНОЙ ДОРОЖНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

1.1 Общие положения о состоянии лесозаготовительной отрасли РФ

Согласно Лесному кодексу Российской Федерации [72] в отношении лесных участков и лесных насаждений могут возникать вещные права, а именно, право собственности, право бессрочного пользования, право ограниченного пользования чужими лесными участками, право аренды, право безвозмездного срочного пользования. В частности, право аренды нашло широкое применение в странах северной Европы и в сложившихся условиях современной отечественной лесной промышленности стало весьма распространенной формой взаимоотношений между лесозаготовительными компаниями (потребителями) и государством (собственником лесов). На рисунке 1 показано распределение площадей арендованных земель в лесном фонде Северо-Западного региона России [160].

Респ. Коми Архангельская обл. Респ. Карелия Мурманская обл. Вологодская обл. Ленинградская обл. Новгородская обл. Псковская обл.

4,1

13,3

0,4

3,7

3,7 =1 4,8

■ 1,4

=1 3,9 0,4 =1 2,4

10,1

14

9.5

8.6

3

6,3

28,8

■ Арендованные земли

□ Лесной фонд*

0 10 20 30 40 Площадь лесных земель, млн. га

Рисунок 1 - Распределение площадей арендованных земель в лесном

фонде Северо-Запада РФ

* Лесной фонд включает все леса, кроме лесов, расположенных в военных районах, крупных городах, поселках и сельскохозяйственных угодьях.

5

Подобные отношения предполагают для арендатора большую ответственность по части управления лесами, что, с одной стороны, предопределяет увеличение возможностей в области организации производственных процессов, а с другой - значительно повышает затраты на их реализацию. Предприятия лесной отрасли стран северной Европы готовы к такого рода реформам и реагируют на них нейтрально, однако, для российских лесозаготовительных компаний это серьезный вызов успешности деятельности. Прежде всего, эти изменения означают повышение требований к безопасности и производительности труда, необходимость внедрения в производство современных технологических решений, а также достижение и поддержание эффективности функционирования всего процесса «заготовка-вывозка» в целом [73]. Лесозаготовительные компании должны не только осуществлять рентабельную деятельность, но и тщательно планировать весь лесозаготовительный процесс.

Увеличение ответственности неоднозначно влияет непосредственно на организации-потребителей. Крупные и малые лесозаготовительные компании имеют равную долю обязательств, но в силу своей специфики реализуются на рынках (внешних и внутренних) по-разному. В частности, крупные предприятия способны претерпевать подобные преобразования и при этом продолжать развиваться, функционировать и поддерживать конкурентоспособность, а малые - сталкиваются с трудностями. Главной причиной «способности-неспособности» является, прежде всего, рост капиталовложений.

В этой связи арендаторы, обладая ограниченными ресурсами в отличие от государства, заинтересованы в поиске и внедрении в производственные процессы технологических решений, направленных на минимизацию инвестиций.

Прежде всего, деятельность лесозаготовительных предприятий направлена на освоение лесных массивов. Однако статистика показывает, что

на сегодняшний день из возможных 1180 млн. га лесопокрытой площади России, эксплуатируется менее 50% расчетной лесосеки [104].

Освоение лесных ресурсов напрямую оказывает влияние на экономику страны: как внутреннюю, так и внешнюю (международный рынок), а это, в свою очередь, снабжение лесной, лесоперерабатывающей и народнохозяйственных промышленностей сырьем, предоставление рабочих мест населению, топливо и т.д.

Одной из основных причин неполного освоения лесных ресурсов является неразвитая дорожно-транспортная инфраструктура, а также большая удаленность существующих лесных дорог от предприятий лесозаготовительной отрасли. Наращивание сети является весьма капиталоемким процессом.

Следует отметить, что малые лесозаготовительные предприятия, будучи не способными создавать новую и наращивать существующую сеть лесных дорог на арендуемом участке, зачастую примыкают к крупным предприятиям, что сдерживает более эффективное функционирование последних.

Очевидно, в сложившихся условиях необходимым является изучение современного состояния лесной дорожно-транспортной инфраструктуры, поиск ресурсосберегающих технологических подходов при проектировании и строительстве лесных дорог, а также разработка методов их совершенствования. Ресурсосбережение лесозаготовительных предприятий нацелено на экономию финансовых средств, технического оснащения, сырьевых ресурсов и кадрового состава.

Регионы Северо-Запада России - Республика Карелия, Республика Коми, Архангельская область, Вологодская область, Псковская область, Ленинградская область, Новгородская область и Мурманская область играют ключевую роль в российском лесном секторе и относительно хорошо развиты по сравнению с другими регионами страны. На рисунках 2, 3, 4 отражены данные статистического анализа лесопромышленной отрасли

России [160], полученные при совместных исследованиях Петрозаводского государственного университета и Финского Научно-исследовательского Института Леса в рамках международного проекта ППС ЕИСП «Карелия» «Новые трансграничные решения в области интенсификации ведения лесного хозяйства и повышения степени использования топливной древесины в энергетике».

Респ. Коми Архангельская обл. Мурманская обл.

Респ. Карелия Вологодская обл. Псковская обл. Новгородская обл. Ленинградская обл.

2 1

9,5

2

7,3

И1~

2,1 ■2,7 =1 3,4 ■ 2,4 =1 3,8

22,4

29,0

■ Осваиваемая площадь

□ Общая лесопокрытая площадь

0 10 20 30 40

Площадь, млн. га

6

Рисунок 2 - Площадь лесных земель

Респ. Коми Архангельская обл. Мурманская обл.

Респ. Карелия Вологодская обл. Псковская обл. Новгородская обл. Ленинградская обл.

к

0 10 20 30

Рубки, млн. м3

Прочие рубки

Рубки промежуточного пользования

Рубки главного пользования

Расчетная лесосека

Рисунок 3 - Допустимые и фактические рубки

Минимальный оптимум Респ. Коми Архангельская обл. Мурманская обл.

Респ. Карелия Вологодская обл. Псковская обл. Новгородская обл. Ленинградская обл.

0,4 =1 1,2 0,1 _1 2,1 0,6 -1 2,1 0,8 _1 2,8 ■ 0,3 5,1

0,1

0 1 8

0,7

10

,7 ] 10,2 10,4

■ Зимние дороги □ Лесные дороги

0

5

10

15

Плотность дорог, км/1 тыс. га

Рисунок 4 - Плотность лесных дорог регионов Северо-Запада РФ

Приведенные данные показывают, что освоение лесных ресурсов происходит на недостаточном уровне и плотность сети лесных дорог большинства регионов Северо-Запада России не соответствует минимальным нормативам, что сдерживает эффективную работу лесного сектора.

1.2 Состояние лесотранспортной инфраструктуры: обзор научных исследований данного направления

Согласно Распоряжению Правительства Российской Федерации от 17 июля 2012 года № 1283-р «Об утверждении Перечня объектов лесной инфраструктуры для защитных лесов, эксплуатационных лесов и резервных лесов» лесная дорога является объектом лесной инфраструктуры и представляет собой комплекс инженерно-технических сооружений, предназначенный для движения специальных транспортных средств и включающий в себя лесные участки в границах полосы отвода дороги, а также расположенные на них или под ними конструктивные элементы и дорожные сооружения, являющиеся ее технологической частью. Лесные

дороги относятся к дорогам промышленного транспорта и подразделяются на лесовозные и лесохозяйственные.

Лесохозяйственные дороги предназначены для проведения работ по лесовосстановлению, уходу за подростом, охране лесов от пожаров, вредителей леса и прочих лесохозяйственных мероприятий [29]. В зависимости от расчетной интенсивности движения Кда. (авт/сут) автотранспорта лесохозяйственные дороги делятся на три типа:

- первый тип - 25 < Кда. < 50 авт/сут;

- второй тип - Кдв. < 25 авт/сут;

- третий тип - Кдв. = 1 (единичный проезд).

Лесовозная автомобильная дорога является технологическим элементом всего лесозаготовительного процесса и представляет собой комплекс инженерных сооружений, предназначенных для обеспечения безопасного и бесперебойного движения лесовозных автопоездов и автомобилей с расчетными нагрузками и заданными скоростями. Конструкцию лесовозной дороги можно охарактеризовать тремя проекциями:

- поперечный профиль - проекция на вертикальную плоскость перпендикулярно оси дороги;

- продольный профиль - вертикальная проекция по оси дороги;

- план дороги - проекция на горизонтальную плоскость.

На рисунке 5 показаны структурные составляющие лесовозной дороги в поперечном разрезе.

Рисунок 5 - Структурные составляющие лесовозной дороги в поперечном разрезе

В зависимости от расчетного максимального объема перевозок грузов лесовозные автомобильные дороги согласно российской классификации делятся на 4 технических категории [116] (таблица 1.1).

Таблица 1.1 Технические категории лесовозных дорог

Категория дороги Максимальный объем вывозки, тыс. м

1-л более 1000

11-л от 500 до 1000

111-л от 150 до 500

ТУ-л до 150

В зависимости от времени действия лесовозные дороги подразделяются на дороги круглогодичного пользования и дороги сезонного пользования. Дороги круглогодичного пользования функционируют на протяжении всего календарного года и срок их службы обусловлен сроком существования ЛСБ.

Дороги сезонного пользования рассчитаны на сезонную эксплуатацию в течение лесозаготовительного периода и бывают летние и зимние. Конструкции той или иной сезонной лесовозной дороги отличаются в зависимости от почвенно-грунтовых условий осваиваемой местности: летние дороги устраивают на участках с плотными сухими почво-грунтами, а зимние дороги - в заболоченных и переувлажненных зонах.

Также лесовозные автомобильные дороги классифицируется в зависимости от их функционального назначения на три вида [143]: магистрали, ветки и усы. Первые являются дорогами постоянного действия и служат для сбора лесотранспортных потоков с веток и усов. Ветки и усы, в свою очередь, являются дорогами второстепенного или временного действия и предназначены для вывозки заготовленной древесины с придорожных складов и лесосек соответственно. Такая сеть лесных дорог является наиболее экономичным вариантом транспортного освоения лесного массива

[71].

Магистрали, занимающие 5-8 % от общей протяженности лесотранспортной сети, устроены наиболее основательно и являются самыми капиталоемкими объектами дорожной инфраструктуры. Ветки и усы ввиду сезонности эксплуатации и меньшего периода действия имеют более облегченную конструкцию и составляют 12-15% и 80% соответственно.

Предельное расстояние вывозки древесины по лесовозным дорогам является показателем оптимальной плотности транзитных путей региона, при которой эффективность освоения лесных ресурсов достигает необходимого максимума, и определяется такими факторами, как рельеф местности, наличие местных каменных материалов, тип покрытий лесовозных дорог, качество ресурсов. Предельное расстояние вывозки по лесовозным дорогам составляет 30-50 км [64]. Древесные ресурсы, располагающиеся на больших расстояниях, признаются экономически недоступными, а их вывозка - нерентабельной.

Согласно [118] в среднем по России каждый год необходимо строить 2,2 тыс. км круглогодичных дорог и 9,3 тыс. км временных дорог. Однако темпы строительства лесных дорог в период с 1990 по 2015 годы недостаточны для эффективного функционирования лесозаготовительной отрасли России.

В настоящее время исследования, направленные на развитие и совершенствование лесотранспортных сетей являются одними из наиболее актуальных для лесохозяйственной отрасли. Это отмечено и в публикациях зарубежных ученых.

Решениям данной проблемы посвящены работы В.И. Алябьева [2, 3], Д.М. Афоничева [5-8], О.Н. Бурмистровой [25, 26], Ю.Ю. Герасимова [3335], Б.А. Ильина [43-46], А.А. Камусина [53-55], В.К. Катарова [59, 61], А.Н. Кочанова [65], И.Н. Кручинина [67], В.М. Лукашевича [78, 124], Л.С. Матвеенко [82, 83], М.Т. Насковец [84-87], Ф.А. Павлова [90, 91], Э.О. Салминена [104], В.И. Скрыпника [106, 107], А.В. Скрыпникова [108-110], А.П. Соколова [112, 113], С.И. Сушкова [69, 122, 123], В.С. Сюнева [31, 36, 73, 124], И.Р. Шегельмана [139-143], Л.В. Щеголевой [144-146], Т. Karjalainen [57, 151], S. Karvinen [56, 152], E. Välkky [32], R. Haarla [149, 150], P. Mönkkönen [155], Nurminen T. [156]. Перечисленными учеными опубликованы научные статьи, написаны монографии, учебные пособия, разработаны методические рекомендации в области строительства и эксплуатации лесных дорог.

Формирование качественной и ухоженной густой дорожно-транспортной сети лесных дорог позволяет достигнуть благоприятных результатов [33]:

- обеспечение положительного экономического эффекта;

- сокращение расстояния трелевки (вывозки);

- оптимизация использования систем машин;

- повышение производительности труда;

- круглогодичность и бесперебойность функционирования;

- сохранение высокого качества поставляемой древесины;

- возможность проведения лесовосстановительных и лесоводственных мероприятий;

- выполнение рекреационных функций;

- защита леса от пожаров путем обеспечения доступа спасательных служб.

Ю.Ю. Герасимовым [34] предложено осуществлять задачу по оптимизации сети лесных дорог путем сравнения затрат на транспортировки лесоматериалов с затратами на строительство и представлены зависимости для определения оптимального расстояния трелевки и оптимальной плотности дорог.

При формировании качественной и густой сети лесных дорог наиболее важным, а иногда решающим, фактором являются финансовые вложения. С целью их уменьшения ученые проводят эффективную научную работу в области обоснования и разработки методов проектирования и строительства сети лесовозных дорог. Следует отметить, что все большее внимание на данных этапах привлекают экологические аспекты и ресурсосбережение.

В работе [142] И.Р. Шегельманом предложен ресурсный подход в развитии лесотранспортной инфраструктуры, позволяющий увеличить в лесопромышленных районах России важнейшие ресурсные показатели. В частности, при использовании данных решений представляется возможным повысить уровень освоения расчетной лесосеки, численность кадрового состава лесного сектора экономики, вовлечь в промышленный оборот лесные земли, повысить качество работ по лесовосстановлению, уровень пожарной безопасности, степень экономической доступности располагающихся на лесных территориях древесных и недревесных ресурсов, включая минерально-сырьевые.

Финский исследователь Йори Ууситало в работе [129] говорит о необходимости оценки рентабельности строительства лесных дорог посредством расчета оптимальной плотности дорожной сети. Автор

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ковалева Наталья Владимировна, 2016 год

- оптимизация использования систем машин;

- повышение производительности труда;

- круглогодичность и бесперебойность функционирования;

- сохранение высокого качества поставляемой древесины;

- возможность проведения лесовосстановительных и лесоводственных мероприятий;

- выполнение рекреационных функций;

- защита леса от пожаров путем обеспечения доступа спасательных служб.

Ю.Ю. Герасимовым [34] предложено осуществлять задачу по оптимизации сети лесных дорог путем сравнения затрат на транспортировки лесоматериалов с затратами на строительство и представлены зависимости для определения оптимального расстояния трелевки и оптимальной плотности дорог.

При формировании качественной и густой сети лесных дорог наиболее важным, а иногда решающим, фактором являются финансовые вложения. С целью их уменьшения ученые проводят эффективную научную работу в области обоснования и разработки методов проектирования и строительства сети лесовозных дорог. Следует отметить, что все большее внимание на данных этапах привлекают экологические аспекты и ресурсосбережение.

В работе [142] И.Р. Шегельманом предложен ресурсный подход в развитии лесотранспортной инфраструктуры, позволяющий увеличить в лесопромышленных районах России важнейшие ресурсные показатели. В частности, при использовании данных решений представляется возможным повысить уровень освоения расчетной лесосеки, численность кадрового состава лесного сектора экономики, вовлечь в промышленный оборот лесные земли, повысить качество работ по лесовосстановлению, уровень пожарной безопасности, степень экономической доступности располагающихся на лесных территориях древесных и недревесных ресурсов, включая минерально-сырьевые.

Финский исследователь Йори Ууситало в работе [129] говорит о необходимости оценки рентабельности строительства лесных дорог посредством расчета оптимальной плотности дорожной сети. Автор

предлагает представить оптимизацию плотности лесотранспортной сети как теоретическую модель перевозки, сводящую оптимизацию к сравнению затрат на транспортировку древесины с затратами на строительство дороги. Ограничениями теоретической модели выступают границы осваиваемого лесного участка. Модель предполагает:

- вывозку лесоматериалов к дороге по обе стороны;

- равномерное распределение лесоматериалов в лесу по зонам вывозки;

- трелевку к дороге по кратчайшим направлениям.

Также автором приведены зависимости для определения оптимальной плотности лесовозных дорог и оптимального расстояния трелевки древесины.

В работе [3] В.И. Алябьевым обоснованы важные направления по усовершенствованию и повышению эффективности транспортировки древесины. Ими являются: рационализация административно-производственной структуры лесотранспортных и дорожно-строительных подразделений, формирование (проектирование и использование) рациональной системы лесотранспортных и погрузочно-разгрузочных машин, автоматизация управления лесотранспортным процессом.

Согласно выделенным автором направлениям модернизация лесопромышленного комплекса способствует ускоренному развитию на всех этапах производственно-технологического процесса.

В работе [35] Ю.Ю. Герасимовым и А.П. Соколовым рассмотрены вопросы применения новых информационных технологий и математических методов для решения задачи проектирования сетей лесовозных автомобильных дорог (ЛАД). Авторы отмечают, что одним из направлений повышения эффективности строительства и эксплуатации ЛАД является всестороннее обоснование планов строительства, а также транспортных планов, которое может быть организовано с применением новых информационных технологий и современных методов поддержки принятия решений, основанных на имитационном моделировании и математическом

программировании. Эти методики отличаются от традиционно применяемых тем, что они позволяют учитывать гораздо большее число разных факторов и делать это точнее. Кроме того, благодаря применению современных средств они способствуют сокращению расходов на проектирование, строительство и эксплуатацию ЛАД. Авторами описан подход к разработке компьютерной информационно-вычислительной системы (КИВС) для проектирования сети ЛАД, предназначенной для использования на предприятиях. Предлагаемая методика базируется на решении задачи Штейнера на графах. Основными результатами функционирования представленной КИВС являются пространственные и конструктивные характеристики сети ЛАД, оптимизированные с точки зрения рентабельности ее строительства, а также долгосрочные планы вывозки древесины, оптимальные вследствие эффективности использования транспортных средств и маршрутов движения.

Еще Б.А. Ильиным [43] было отмечено, что при проектировании лесных автодорог используется метод сравнения вариантов конструкции дорожной одежды по критерию минимума строительных затрат на строительство единицы площади дорожной одежды. Однако этот метод, реализованный в пакетах прикладных программ САПР-АД, имеет весьма ограниченность в возможностях. С целью решения однозначно поставленной проблемы автор приводит эмпирическую зависимость Г. Ларсена [153] для определения оптимальной дорожной конструкции лесовозных дорог по критерию ежегодных дорожных затрат, отнесенных на 1 км дороги. Однако предложенный Ларсеном метод имеет ряд недостатков в силу необходимости использования при расчетах коэффициентов, зависящих от уровня развития техники и технологий. В этой связи Ильин Б.А. приводит неравенство, позволяющее обосновать выбор оптимального варианта дорожной конструкции, и предлагает использовать с этой целью укрупненные показатели стоимости, средние скорости движения и полезной нагрузкой на автопоезд.

В работе [45] того же автора проведен анализ состояния и возможных направлений развития научно-обоснованных подходов в области создания дорожно-транспортных сетей в лесных массивах. Отмечена острая необходимость поиска оптимальных решений при проектировании и строительстве лесовозных дорог ввиду роста объемов лесозаготовок. Проанализированы исследования в рассматриваемой области отечественных ученых: Н.М. Невесского, С.А. Сыромятникова, М.М. Корунова, В.В. Щелкунова, В.Л. Ларионова, Г.А. Борисова, О.Н. Бурмистровой, Б.С. Герасимова, В.Г. Сурикова и других, а также зарубежных ученых: Larrson G., Tan J., Rowman J. и Hessler R.

В частности Дж. Таном [159] разработан метод назначения возможных маршрутов вывозки лесоматериалов с лесных участков, основанный на применении географических информационных систем (ГИС). Данный метод позволяет определять наиболее выгодное проложение лесовозных дорог исходя из местных условий - существующие дороги, ручьи, реки заболоченность, рельеф местности, безлесные участки и т.д. Также отмечены исследования Дж. Роумена и Р. Хесслера [157] по применению аналитического метода для создания транспортных систем лесных дорог (ТСЛД) с предварительным выбором схемы размещения лесовозных дорог. Отечественные исследователи такие, как Г.А. Борисов в 1978 и В.Т. Суриков в 1992 году разработали метод автоматизированного размещения дорожных сетей в лесу по принципу одноэтапного строительства лесовозных дорог. Однако было отмечено, эти исследования требуют дальнейшего совершенствования путем более широкого применения вычислительной техники. Перспективным представлена разработка алгоритмов и программ, основанных на теоретических принципах создания ТСЛД, с применением трехэтапного метода решения задач по размещению лесотранспортных путей.

В работах В.М. Лукашевича [78] и И.Р. Шегельмана [140] рассмотрены исследования в области эксплуатации зимних дорог. В источнике [140]

предложена методика обоснования периодов эксплуатации зимних лесовозных дорог на примере Сегежского района Республики Карелия. В частности, проведен анализ среднесуточных температур и высоты снежного покрова в данном районе, а также даны рекомендации по временным периодам эксплуатации снежных, снежно-ледяных и ледяных дорог.

Монография Скрыпникова А.В. и соавторов [108] содержит анализ развития методов расчета транспортно-эксплуатационных качеств лесных автомобильных дорог на всех стадиях реализации проекта. Представлен метод оценки проектных решений на основе разработанной программы моделирования лесных автомобильных дорог. Определены закономерности основных схем движения воды в земляном полотне и в дорожной одежде для назначения мероприятий по повышению их прочности. Выполнен поиск оптимальных конструкций дорожных одежд с учётом мероприятий по повышению их несущей способности. Разработан алгоритм поиска оптимального транспортного плана для сети дорог. Установлены пути расчёта деформаций дорожных покрытий с назначением соответствующих ремонтных работ. Создано информационно-аналитическое обеспечение процесса управления транспортно-эксплуатационными качествами лесных автомобильных дорог.

В работах [106] и [107] В.И. Скрыпника описаны исследования минимизации затрат при транспортном освоении лесозаготовительными предприятиями лесных массивов с целью повышения эффективности функционирования первичной лесотранспортной сети в реальных природно -производственных условиях. В этой связи автором приведены методика и зависимости для определения условий, согласно которым целесообразно прокладывать ус в пределах осваиваемой лесосеки, снизив при этом расстояние трелевки. Доказано, что при прокладке уса в пределах лесосеки суммарные затраты на трелевку, прокладку магистральных волоков, временных дорог и транспортировку до точки примыкания уса к лесосеке

будут меньше на 10-30 %, чем при варианте трелевка до погрузочного пункта, расположенного вне лесосеки.

В работах [6] и [7] профессор Д.Н. Афоничев отмечает, что на уменьшение транспортных расходов при вывозке лесоматериалов с лесосек влияют параметры примыкания лесовозных усов к веткам, требующие оптимизации, а также их размещение в пределах самих лесосечных зон.

В работе [6] автором представлены зависимости по определению оптимального угла примыкания лесовозных усов к веткам, а также обоснована целесообразность размещения лесовозных усов с примыканием их к веткам под углами отличными от прямого в различных частях зоны тяготения к ветке.

В работе [5] Д.Н. Афоничев установил оптимальную протяженность лесовозного уса в пределах лесосеки. Полученные автором аналитические зависимости для расчета оптимальной протяженности лесовозного уса и оптимальной длины его грунтового участка показывают, что протяженность лесовозного уса в пределах лесосеки зависит от размеров лесосеки и от соотношения удельных стоимостей строительства, содержания и ликвидации уса, магистрального волока, вывозки и трелевки древесины. Отмечено, что достижение большего экономического эффекта возможно при прокладывании лесовозного уса в глубину лесосеки на протяжении 50-70% от ее глубины.

В работе [8] тем же автором предложен энергоемкий способ транспортного освоения ЛСБ, при использовании которого снижение энергозатрат направлено на вывозку лесоматериалов с лесосек и представляется возможным за счет:

- прокладывания лесовозных веток с оптимальным смещением к пункту примыкания магистрали;

- прокладывания лесовозных усов в области тяготения к лесовозным веткам, расположенных с глубинной стороны относительно ЛСБ, под тем же оптимальным углом;

- прокладывания лесовозных усов с расположением их под прямым углом к ветке в области ее тяготения с глубинной стороны ЛСБ.

Автором установлено, что дополнительный пробег транспортных средств и дополнительная грузовая работа по ветке в пять раз больше, чем дополнительный пробег и дополнительная грузовая работа по усам при прокладке усов к ветке под углом равным оптимальному углу примыкания ветки к магистрали.

Проведенный анализ литературных источников показал, что более тщательно авторами проработаны вопросы строительства лесовозных усов из местных материалов, а веток - из привозного грунта. Очевидно, что исключение этапа транспортировки грунта из карьера к месту строительства и использование в конструкции лесовозных веток только местного материала позволит достичь положительного экономического эффекта.

Ветки, также обладающие временным характером и занимающие промежуточное место в лесотранспортной сети, являются наиболее ответственными дорожными сооружениями при освоении лесосырьевой базы и должны обеспечивать бесперебойные вывозки запланированного к заготовке объема леса. Именно ветки после освоения лесных массивов могут и должны оставаться в работоспособном состоянии для проведения лесохозяйственных мероприятий.

Среднегодовая потребность в строительстве лесовозных веток для поддержания заготовки и вывозки древесины на уровне экономически доступного размера пользования лесом определяется по следующей формуле [8]:

хв = Кв*| (1.1)

К в = Р , (1.2)

а*1в*кК0Н

где H - размер неистощительного экономически доступного

3

пользования лесом, тыс. м ;

q - удельный запас экономически доступных ресурсов на 1 га лесной

-5

площади, м /га;

кр - коэффициент развития дорожной трассы;

а - коэффициент, учитывающий часть доходных запасов древесины, временно оставляемых у построенных участков лесовозных веток по условию примыкания лесосек;

1в - среднее расстояние между лесовозными ветками, км;

ккон - коэффициент концентрации экономически доступных ресурсов.

В то же время строительство веток должно быть дешевым и при этом получаемая конструкция должна отвечать прочностным требованиям.

1.3 Способы строительства лесовозных дорог

Подготовительный этап строительства, включающий восстановление и закрепление трассы, прорубку просеки, подготовку дорожной полосы, осушительные работы и разбивочные работы, носит общий характер независимо от типа будущей конструкции [83]. Однако технологические решения, применяемые при возведении земляного полотна и устройстве дорожной одежды, напрямую зависят от целевого назначения будущей дороги, а также от природно-производственных условий. При этом выбор той или иной конструкции должен обеспечивать минимум капиталовложений.

Основной формой земляного полотна, составляющей до 90% протяженности лесовозной дороги, являются насыпи. Их возводят из местных или привозных материалов. Использование местных почво-грунтов, как правило, приемлемо в условиях I и II типа местности по увлажнению. На увлажненных или заболоченных участках, относящихся к III типу, для увеличения несущей способности насыпь рекомендуется возводить из привозных дорожно-строительных материалов, однако, возможно и применение местных материалов с укреплением слабых участков поперечными лежневыми настилами из бревен, порубочными остатками и

растительными отходами. Пни, извлеченные при их корчевке, также используются в строительстве, путем их переворачивания корневой системой вверх и укладки в тело земляного полотна [33].

Отсыпку насыпи производят тремя способами [60]:

- послойный способ (грунтовые слои отсыпаются последовательно один на другой до проектной отметки);

- способ «с головы» (насыпь отсыпают сразу до проектной отметки);

- комбинированный способ.

Разработку выемки глубиной до 6 м осуществляют лобовым способом, при котором земляное полотно сооружают сразу до проектной отметки. В случае глубоких выемок применяют способ ярусной разработки [104].

При выполнении земляных работ используют комплект машин, в состав которого входят ведущие и комплектующие (вспомогательные) машины. Выбор того или иного комплекта зависит от способа возведения. В таблице 1.2 представлены рекомендуемые комплекты машин для строительства земляного полотна ЛАД [103].

Таблица 1.2 - Рекомендуемые комплекты машин для строительства

земляного полотна лесовозных дорог

Ведущая машина Комплектующие машины Способы строительства земляного полотна

1 2 3

Возведение насыпей из боковых

Бульдозер Рыхлитель, каток, автогрейдер резервов / придорожных канав высотой до 1,5 м; насыпей из выемок

и сосредоточенных резервов. Дальность транспортировки до 100 м

Экскаватор / фронтальный погрузчик Бульдозер, каток, автогрейдер Возведение насыпей из привозного грунта (из карьеров); насыпей из выемок. Дальность транспортировки 0,5 км и более

Окончание таблицы 1.2

1 2 3

Экскаватор Бульдозер, каток, автогрейдер Возведение насыпей из боковых канав; разработка выемок в отвал

Фронтальный погрузчик Бульдозер, каток, автогрейдер Возведение насыпей из выемок и сосредоточенных резервов. Дальность транспортировки до 150200 м

Автогрейдер Рыхлитель, каток Возведение насыпей из боковых резервов / придорожных канав высотой до 0,8 м

Однако некоторые комплектующие машины при устройстве насыпей из местных материалов могут быть исключены из проекта производства строительства и заменены одноковшовым экскаватором. На участках с переувлажненными почво-грунтами, где проходимость бульдозеров затруднена или невозможна, это является наилучшим решением.

Ввиду возможности оснащения экскаватора сменным навесным оборудованием увеличивается количество выполняемых им рабочих операций и, как следствие, растет производительность машины. В частности, экскаватор может быть оснащен двумя типами ковшей - это планировочный поворотный ковш с режущей кромкой и неповоротный ковш, оборудованный зубьями. Первый ковш позволяет быстро и качественно выполнять планирование поверхности отсыпанного земляного полотна, а также боковых откосов и придорожных водоотводных канав, одновременно получаемых при строительстве земляного полотна. Второй - за счет наличия зубьев более удобен и операбелен при снятии растительного слоя, корчевке пней, устройстве каменных набросок.

Таким образом, в источниках [80, 103], авторами отмечено, что в настоящее время к наиболее распространённым дорожно-строительным машинам, используемым при строительстве лесных дорог, относятся одноковшовые гидравлические экскаваторы, конкурентные преимущества которых объясняются их достаточно высокими для современных условий

технико-экономическими характеристиками. Данное утверждение, а также тенденции развития как конструкций дорожно-строительных машин, так и технологий дорожного строительства с применением этих машин, указывают на актуальность проблемы повышения эффективности применения и расширения функциональных возможностей одноковшовых гидравлических экскаваторов при строительстве лесовозных дорог.

В статье [80] расчётным путём определена теоретическая, техническая и эксплуатационная производительность экскаваторов. Авторы делают вывод о том, что наиболее существенное значение имеет расширение технологических возможностей гидравлических экскаваторов. Однако внимание авторов статьи фокусируется на конструктивных аспектах, относящихся к разработке новых видов и форм сменного рабочего оборудования, а также к автоматизации систем управления за счет применения бортовых компьютеров и микропроцессорной техники в целях автоматизации процесса функционирования ковша. Данный процесс включает в себя позиционирование ковша, копание, перемещение ковша с грунтом, разгрузку и установку ковша в исходное положение для очередного цикла копания. Вопросы уплотнения почво-грунтов в данной статье не рассматриваются.

В рамках расширения технологических возможностей гидравлических экскаваторов целесообразно предусмотреть их использование в качестве устройства для уплотнения материала дорожного полотна лесной дороги. Вывод о перспективности такой автоматизации можно сделать, если принять во внимание успешный опыт применения бортовых компьютеров в современных многооперационных лесосечных машинах. Однако для эффективного использования дорожно-строительных машин необходима не только модернизация узлов одноковшовых экскаваторов и автоматизация их функционирования. Необходимо также решение ряда задач, связанных с разработкой новых технологий, включая анализ и моделирование взаимодействия экскаватора и грунта с учетом его физико-механических

свойств, которые могут изменяться в широком диапазоне и тем самым усложняют решение данных задач. В этой связи появляется класс задач, в которых предметом изучения является система «местность - машина».

Определенная стадия в развитии теории решения многочисленных задач класса «местность - машина» представлена в книге М.Г. Беккера [16]. Современное состояние проблем в данной области отражено в работах Бурмистровой О.Н. [121], Носова С.В. [88] и многих других авторов.

Анализ современных методов строительства дорожного полотна [52] позволяет говорить о том, что в целях интенсификации лесного комплекса целесообразно возводить лесные дороги по технологии, максимально использующей существующий ресурс [57]. В условиях Северо-Запада России целесообразно возводить насыпь лесовозных дорог, перемещая местный почво-грунт из придорожных канав и притрассовых резервов в тело земляного полотна [63]. Этот метод широко применим в странах Скандинавии и также известен как метод «из канав» [33, 60].

Для строительства дороги данным способом подходят все уплотняемые почво-грунты, за исключением мелких пылеватых почво-грунтов фракцией менее 0,002 мм. Земляные работы производят дорожно-строительной машиной - экскаватором с использованием местного почво-грунта в объеме, позволяющем минимизировать использование привозных земляных масс.

Как показал анализ публикаций, вопросы совершенствования ресурсосберегающих технологий строительства лесных дорог, с учетом особенностей взаимодействия уплотняющего устройства и уплотняемого грунта, исследованы недостаточно полно для современных условий. Вероятно, вследствие сложности объекта и предмета исследования, количество работ в данной области относительно невелико, однако интенсивность исследований в данной области с течением времени возрастает по причине их актуальности.

После возведения земляного полотна его оставляют на период длительностью около года, в течение которого происходит естественная

консолидация, подразумевающая самоуплотнение конструкции. Желательно, чтобы дорога «отстоялась» в зимний период, так как снежный покров оказывает дополнительное уплотнение, а воздействие на почво-грунт отрицательных температур с последующим их оттаиванием весной повышают модуль деформации [95].

По истечении срока выдерживания возводится дорожная одежда, формируется поперечный профиль и осуществляется обустройство дороги. Дорожная одежда на лесовозных дорогах может быть следующих типов:

- низшего типа - строятся из оптимальных грунтовых смесей (ОГС);

- гравийные дорожные одежды - устраивают по принципу плотных оптимальных смесей;

- щебеночные дорожные одежды - могут быть устроены способом заклинки или из плотных смесей;

- дорожные одежды из грунтов, укрепленных вяжущими материалами (органическими и неорганическими);

- дорожные одежды из каменных материалов, обработанных органическими вяжущими материалами.

1.4 Прочностные показатели лесовозных автомобильных дорог

Процесс взаимодействия земляного полотна и дорожной одежды с нагрузками очень сложен. В связи с этим необходимо использовать различные характеристики и показатели прочности. К ним относятся объемный вес скелета материала, модуль упругости, модуль деформации, коэффициент Пуассона, предельное сопротивление сдвигу, предел прочности при сжатии, предел прочности при растяжении, коэффициент вязкости, коэффициент надежности [52].

Объемный вес скелета материала, равный весу твердой фазы в единице объема, является основной характеристикой уплотнения почво-грунтов. Его

достаточно удобно и просто определять, однако данный показатель не всегда полно отражает прочностные свойства дорожно-строительных материалов.

Коэффициент Пуассона, характеризующий отношение поперечной деформации образца к продольной, мало влияет на напряженно-деформируемое состояние грунта в теле дорожного полотна [52].

Предельное сопротивление сдвигу характеризует касательные напряжения, вызывающие сдвиг и разрушение материала. В общем виде согласно закону Кулона зависимость между сдвигающими напряжениями и нормально действующим к ним уплотняющим напряжением определяется по следующей формуле [127]:

тпр = с + с^апср, (1.3)

где с - удельное сцепление, кПа; а - нормальное напряжение, кПа;

- угол внутреннего трения, град. На рисунке 6 показаны графики зависимости касательных напряжений от вертикальных сжимающих напряжений. Как видно из рисунка предельное сопротивление сыпучих грунтов сдвигу прямо пропорционально нормальному напряжению.

а б

Рисунок 6 - Графики сопротивления сдвигу: а - сыпучего грунта;

б - связного грунта

Прочность песков в соответствии с законом Кулона характеризуется только углом внутреннего трения и зависит от напряжения, нормального по отношению к плоскости сдвига. Однако подобное предположение является справедливым только по отношению к сухим однородным по составу пескам с частицами шаровидной формы с гладкой поверхностью. Реальный (природный) песчаный грунт не обладает такими свойствами и сопротивление сдвигу обусловлено поверхностным натяжением пленок воды на частицах, сцеплением между этими частицами, имеющими различную форму и размер, а также сцеплением упрочнения ввиду появления цементационных связей.

Предел прочности при сжатии характеризует сжимающие усилия, вызывающие разрушение образца. Данный показатель определяется по следующей зависимости [52]:

Предел прочности при сжатии не полностью отражает структурные особенности дорожно-строительного материала.

Предел прочности при растяжении характеризует растягивающее усилие, вызывающее разрушение материала. Данный показатель применяется при оценке свойств связных материалов типа асфальто- и цементобетона. Данные материалы не используются при строительстве временных лесовозных дорог.

Коэффициент вязкости характеризует величину сопротивления материала, пропорциональную скорости деформирования. Для упругих материалов сопротивление пропорционально величине деформаций. Величина коэффициента вязкости определяется по следующей формуле [52]:

(1.4)

с^/сИ:'

(1.5)

где рВ - дополнительное сопротивление, МПа;

- скорость деформирования, м/сутки. Коэффициент надежности характеризует однородность материала, требуемая величина которой должна быть обеспечена в процессе уплотнения. Коэффициент надежности определяется по зависимости [52]:

Кн = 1-^, (1.6)

■с

где - среднеквадратическое отклонение, МПа; N - норма;

Пс - среднее значение показателя прочности, МПа. Среднеквадратическое отклонение определяется по следующей формуле [52]:

(1.7)

где Пп - значение показателя прочности, определенное во время п-го измерения, МПа;

п - число измерений.

Модуль упругости характеризует упругую деформацию дорожных одежд, конструктивных слоев, а также самого дорожно-строительного материала под воздействием нагрузок и применяется при расчете дорожных одежд методами теории упругости [89]. Модуль упругости может быть определен по формуле:

Еу = (1-Ц2)*^ (1.8)

где - коэффициент Пуассона; р - удельная нагрузка, МПа; Д - диаметр штампа, см; Бу - упругая деформация, см.

Особенностью упругих деформаций грунта является замедленность их протекания.

Модуль деформации, в отличие от модуля упругости, характеризует полную деформацию материала под воздействием нагрузок. Этот показатель является основным в теории расчета нежесткий дорожных одежд. Полная деформация включает как упругую, так и необратимую (пластическую) деформацию. В этой связи целесообразность применения данного показателя обусловлена наличием необратимых (остаточных) деформаций в конструкции [10].

При расчете модуля деформации используют зависимость (3) при К=1 и вместо упругой деформации ву используется значение полной деформации в*

В строительной практике при возведении инженерных сооружений имеют дело с однократным приложением нагрузки на грунт. Поэтому осадку сооружений определяют на основании показателя модуля деформации.

При уплотнении дорожного полотна наиболее важным является вопрос, связанный с процессами сжатия грунта при воздействии на него элементов дорожно-строительных машин. Данный вопрос рассмотрен в работах Н.Я. Хархуты [132, 133].

На рисунке 7 представлена зависимость между напряжениями грунта при уплотняющем ударе и относительными деформациями грунта [52].

Рисунок 7 - Зависимость между напряжениями и деформациями при

ударе трамбовки

Согласно пояснениям Я.А. Калужского и О.Т. Батракова [52] соударение начинается в момент касания падающего груза с грунтом (точка 1 на рисунке 7). В начальной стадии соударения напряжения быстро возрастают в области контакта груза с грунтом, инициируется волновой процесс распространения напряжения и деформаций. Принимается, что скорость распространения волны прямо пропорциональна корню квадратному из модуля мгновенной упругости, деленному на плотность материала. Деформации начинают заметно возрастать только через малый отрезок времени (точка 2). По мере распространения волн напряжений и деформаций объем деформирующегося грунта возрастает, что сопровождается увеличением деформаций (участок 2 - 3). Напряжения на поверхности грунта в данной стадии уплотнения (участок 2-3) растут, но медленнее, чем на участке 1 - 2. Это объясняется тем, что кинетическая энергия падающего груза при деформировании грунта уменьшается. Деформирование и уплотнение грунта повышает его жесткость. Возрастает вязкое сопротивление вследствие увеличения объема уплотненного грунта. Вследствие увеличения массы деформируемого грунта растет инерционное сопротивление деформированию. Напряжения на поверхности контакта достигают максимума в точке 3. Однако деформации грунта в течение некоторого времени продолжают возрастать и достигают максимума (точка 4) через некоторое время после максимума напряжений, что объясняется влиянием инерции и вязкости. Соударение заканчивается в точке 4, так как эта точка соответствует максимальным деформациям грунта. После этого начинается восстановление упругих (обратимых) деформаций (точки 5 и 6). Остаточные (необратимые) деформации, вызванные разрушением связей между частицами в точках контакта и взаимным смещением частиц, соответствуют участку 6-1, не рассмотренному автором. Как правило, остаточные деформации в почво-грунтах значительно превышают упругие и характеризуются модулем деформации. При этом материал испытывает

колебания, которые быстро затухают. При повторном воздействии деформации отсчитываются от точки 6.

Рассмотренные закономерности изменения напряжений и деформаций грунта при возрастании и последующем уменьшении давления на грунт (рисунок 7) характерны не только при соударении с падающим грузом, но также при квазистатическом нагружении, разгрузке и повторном нагружении. Примеры и результаты таких испытаний грунта с тремя циклами «нагружение - разгрузка» описаны в источниках [19, 21].

В то же время прочность конструкции дорожного полотна зависит от состояния земляного полотна, которое, в свою очередь, определяется влажностью почво-грунта, условиями промерзания, скоростью стабилизации прочностных свойств почво-грунта земляного полотна, водопроницаемостью и водонасыщенностью [137].

В работе [10] отмечено, что модуль деформации грунтов зависит от степени их уплотнения и влажности. В этой связи значения модулей деформации поверхностных грунтовых слоев и слоев земляного полотна изменяются в зависимости от водного и температурного режимов, а также от природно-климатических условий, различных как на протяжении года, так и в многолетние периоды эксплуатации дорожно-транспортного объекта.

Таким образом, исследования процессов уплотнения при строительстве лесных дорог позволяют сделать вывод о том, что показателем, наиболее полно и обобщенно описывающим поведение грунта при воздействии нагрузок и, как следствие, деформировании, является модуль деформации.

Также анализ литературы показал, что проблема совершенствования технологий уплотнения грунтов при строительстве дорог не ограничивается только разработкой методик расчета. Для выполнения расчетов необходимы исходные данные в виде результатов испытаний грунтов, прежде всего измерение напряжений и деформаций при различных воздействиях. Экспериментальные данные необходимы для проверки адекватности моделей напряженно-деформированного состояния грунтов [20].

Согласно ГОСТ 12248-2010 «Межгосударственный стандарт. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости» модуль деформации Е в заданном диапазоне напряжений Аа вычисляют по нагрузочной ветви графика зависимости £± = f (а) продольной относительной деформации £± образца от вертикально действующего напряжения а; график данной зависимости приведен в ГОСТ 12248-2010 (рисунок 8):

Е = (1-9)

Аналогично в этом же диапазоне напряжений определяют модуль упругости Еу. Но Аа и Агу принимают по разгрузочной ветви той же зависимости:

Рисунок 8 - К определению модуля деформации и модуля упругости

грунта

Модуль деформации и другие характеристики грунтов определяют при испытаниях образцов в соответствии с указанным выше ГОСТ 12248-2010 и

ГОСТ 20276 «Межгосударственный стандарт. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости», где регламентированы форма и размеры образцов, их отбор, упаковка, транспортирование, хранение, методики испытаний и обработки результатов измерений. При отборе образцов неизбежно нарушается структура грунта. Кроме того, при испытаниях в лабораторных условиях не удается создать нагрузки, идентичные тем, которым сопротивлялся материал образца в ненарушенной структуре грунта. Эти факторы отрицательно влияют на адекватность результатов испытаний, и, как следствие, на достоверность результатов инженерных расчетов по уплотнению грунтов. Чтобы обеспечить достаточную для инженерных расчетов точность расчетов, в расчетных формулах используют различные корректирующие коэффициенты.

Другой путь заключается в испытаниях грунта с ненарушенной структурой в полевых условиях с применением пенетрометров и плотномеров. С развитием информационных технологий такие устройства быстро совершенствуются, позволяя существенно уменьшить затраты времени на определение плотности, модуля деформации и других характеристик грунтов в процессе их уплотнения за счет автоматизации измерений, их обработки и документирования. Применение подобных устройств с интегрированной GPS-системой делает возможным мониторинг изменений физико-механических характеристик грунтов при строительстве и эксплуатации лесных автомобильных дорог, открывая тем самым новые возможности для совершенствования технологий их строительства.

Для реализации этих возможностей необходима разработка математических моделей технологического процесса уплотнения грунта при воздействиях, создаваемых катками и экскаваторами в период строительства дороги и лесовозными автопоездами в процессе ее функционирования. Однако в этой связи появляется относительная сложность в отслеживании

закономерности протекания деформаций нагружаемого грунта в течение всего процесса [102].

1.5 Процессы уплотнения на лесовозных автомобильных дорогах

Совершенствование технологических процессов уплотнения с учетом современных условий имеет большое значение в обеспечении требуемой прочности будущей дороги.

В статье [41] установлено, что при отсутствии дифференцирования грунтов по способу уплотнения, условия эксплуатации приводят в одних случаях к труднодостижимости требуемой плотности, а в других она может быть легко превышена. Согласно стандартному методу термин «требуемая плотность» не связан с расчетными показателями деформативности, прочности и пучинистости. В этой связи невозможно спрогнозировать, снижение надежности конструкции вследствие некоторого недоуплотнения земляного полотна. Автором отмечено, что последние годы предлагается ряд новых способов лабораторного моделирования технологии уплотнения грунтов, однако им свойственны, примерно те же принципиальные недостатки. По мнению автора актуальной является задача разработки методики определения для каждой разновидности грунта зависимости, связывающей способ и степень уплотнения с изменением физико-механических свойств и выявления значения реально достижимой при различных условиях плотности.

Целью уплотнения является обеспечение требуемой прочности и долговечности конструкции дороги и ее отдельных элементов - земляного полотна и слоев дорожной одежды. Прочность и долговечность конструкции определяются структурой материала, от которой зависит и его уплотняемость.

Исследованиями в данной области занимались Батраков О.Т. [13-15], Бируля А.К. [17], Бируля В.И. [18], Иванов Н.Н. [42], Калужский Я.А. [4752], Хархута Н.Я. [132, 133] и другие.

В работе [59] отмечено, что применяемые в дорожном строительстве материалы - почво-грунты обладают дисперсионной многофазной коагуляционной структурой и включают в свой состав твердые минеральные частицы (мицеллы), воду (в различном состоянии), водяной пар и органогенные включения.

На эффективность уплотнения земляного полотна и дорожной одежды прежде всего оказывает влияние используемый метод производства уплотнительных работ. Выбор того или иного метода зависит от свойств уплотняемых материалов.

Основными методами уплотнения, применяемыми в дорожном строительстве, являются укатка, трамбование, вибрирование, а также комбинированный метод, сочетающий все перечисленные в различной вариации.

Наиболее распространенным и универсальным способом, позволяющим получить требуемое качество уплотнения при большой производительности и малой стоимости работ, является уплотнение катками. Данный способ подразумевает привлечение дополнительной технической единицы - катка. В свою очередь, каток применяется при небольшой высоте структурных слоев, а его выбор зависит от типа уплотняемого почво-грунта [128].

Метод виброуплотнения наиболее эффективен для несвязных грунтов, частицы которых при вибрировании приходят в колебательное движение, разъединяются, что уменьшает силы трения и сцепления между ними и облегчает процесс уплотнения.

Согласно взглядам академика П.А. Ребиндера [97], каждому размеру частиц соответствует определенная частота колебаний, при которой

обеспечивается наиболее эффективное уплотнение. Чем меньше размер частиц, тем выше частота колебаний.

По данным Д.Д. Баркана [12], виброуплотнение существенно зависит от величины ускорения частиц почво-грунта.

Трамбование также является эффективным способом уплотнения грунтов. При трамбовании материал уплотняется за счет энергии падающей трамбовки. В результате уплотняющее воздействие будет пропорционально весу трамбовки и высоте ее падения. Следует отметить, что данный способ подходит для уплотнения песчаных и глинистых грунтов при толщине отсыпаемого слоя 0,4-1 м и количестве ударов от 1 до 5.

Для уплотнения дорожных одежд данный метод практически не применяется ввиду ограниченности толщины слоев, не требующих большой силы удара. Однако, в силу значительной глубины прорабатываемого слоя трамбование применяется для уплотнения земляного полотна.

Процесс трамбования производится трамбующими плитами массой 27 т, сбрасываемыми с высоты 1-2 м с помощью крана или экскаватора. Недостатком этого способа является повышенная изнашиваемость крана или экскаватора за счет высоких динамических нагрузок в оборудовании.

Проведенный нами анализ показал, что выбор того или иного способа зависит от типа уплотняемого материала, его гранулометрического состава, а также от толщины слоев, требующих уплотнения.

При строительстве лесовозных дорог по технологии «из канав» процесс уплотнения носит комбинированный характер и сводится к следующим составляющим [100, 101]:

- трамбование - происходит за счет воздействия ковша экскаватора на каждый отсыпаемый почво-грунтовый слой;

- виброуплотнение - происходит при колебаниях экскаватора в переходных режимах его работы;

- укатка - обусловлена проходом движителя экскаватора (гусеничного или колесного).

Заключительной стадией в уплотнении является естественная (фильтрационная) консолидация, заключающаяся в выжимании свободной поровой влаги или сближении частиц почво-грунта [10, 135, 136].

В статье [123] рассмотрен динамический расчет насыпи лесной автомобильной дороги. Предложена методика прогнозирования полной осадки и времени консолидации грунта. Приведены эпюры напряжений с учетом массы насыпи и давления колес лесовозного автопоезда.

Согласно теории фильтрационной консолидации фильтрация подчиняется закону Дарси, показывающему линейную зависимость между скоростью фильтрации (скорость просачивания) и градиентом напора (гидравлический градиент) [135]:

у=Кф*1 , (1.11)

где Кф - коэффициент фильтрации, м/сутки;

I - градиент напора.

Основной характеристикой почво-грунта, определяющей время протекания процесса фильтрационной консолидации, является коэффициент фильтрации.

Доуплотнение почво-грунта в процессе консолидации способствует осадке. Поэтому при строительстве дорог важно правильно прогнозировать скорость осадки. В этом случае на практике используют метод эквивалентного слоя, согласно которому задача расчета скорости осадки заменяется нахождением скорости сжатия такого водонасыщенного почво-грунтового слоя, величина конечной деформации которого эквивалентна деформации всего почво-грунтового массива. Данный метод разработан Н.А. Цытовичем и обеспечивает должную точность в расчете осадок сооружения [136].

Зависимость для определения мощности эквивалентного слоя следующая [136]:

Ь5 = П0* А *Ь, (1.12)

где ( П0 * А) - коэффициент эквивалентного слоя;

Ь - ширина основания сооружения, м.

Таким образом, анализ исследований в области процессов уплотнения показал, что данный этап строительства лесных дорог методом «из канав» необходимо рассматривать как совокупность следующих составляющих -трамбовка, виброуплотнение, укатка и консолидация. Каждая из составляющих является обязательной для достижения требуемой степени уплотнения как отдельных слоев, так и всего дорожного полотна в целом и, как следствие, позволяет обеспечить требуемую несущей способность конструкции.

1.6 Основные выводы по главе и постановка задачи исследования

Обзор научных исследований в области развития лесной дорожно-транспортной инфраструктуры, а также поиска и разработки новых технологических подходов в строительстве лесных дорог с учетом прочностных характеристик показал, что данные направления являются чрезвычайно актуальными в условиях арендно-рыночных отношений. Данная форма отношений предполагает достижение наиболее высоких транспортно-эксплуатационныз показателей при минимальных затратах.

При реализации подобных задач ключевую роль играет ресурсосберегательная и экологическая составляющие. Ресурсосбережение подразумевает не только экономию материальных средств, но и технического оснащения и трудовых ресурсов. Анализ проблемы показал, что наиболее рациональным способом строительства лесных дорог, удовлетворяющим описанным выше требованиям, является возведение дорожного полотна «из канав».

Конструкция дорог должна обладать требуемой прочностью, достаточной для прохождения тяжеловесной лесовозной техники и

обеспечивающей вывозку древесины с расчетной лесосеки на протяжении всего срока ее эксплуатации. Прочность напрямую зависит от степени уплотнения дорожного полотна. Необходимая степень уплотнения наиболее обобщенно характеризуется модулем деформации материала (почво-грунта) дорожного полотна. При строительстве лесных дорог по вышеуказанной технологии процессы уплотнения носят комбинированный характер и происходят в результате сочетания различных режимов и этапов работы экскаватора.

Исходя из описания современного состояния выделенных направлений и обзора научных исследований, сформулирована цель и поставлены задачи диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является обоснование ресурсосберегающей методики проектирования и строительства лесных дорог на основе обеспечения требуемых значений модуля деформации почво-грунта.

Исходя из поставленной цели исследования, выделены следующие задачи:

1. Разработать методику расчета модуля деформации почво-грунта дорожной конструкции, позволяющую определить требуемую несущую способность лесных дорог на стадии проектирования.

2. Провести проектирование и строительство экспериментального участка лесной дороги на основе разработанной методики расчета.

3. Провести экспериментальные исследования по определению реальных значений модуля деформации на разных участках дороги.

4. Оценить адекватность предложенной методики расчета путем сравнения теоретических (расчетных) и экспериментальных значений.

5. Дать практические рекомендации по обеспечению требуемой несущей способности на всем протяжении проектируемой дороги.

6. Дать рекомендации по содержанию и ремонту лесных дорог.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ УПЛОТНЕННОГО СОСТОЯНИЯ

ПОЧВО-ГРУНТОВ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЛЕСНОЙ ДОРОГИ

2.1 Методологические аспекты предлагаемой методики

В данной главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой методики оценки уплотненного состояния почво-грунтов как материала конструкции лесной дороги на этапе ее строительства. При реализации любого из способов уплотнения, описанных в разделе 1.5, необходимо провести анализ системы «уплотняющее устройство - уплотняемый материал».

В современных условиях, с учетом технических возможностей и экономической рациональности, одним из основных критериев выбора технологии строительства является ресурсосбережение. Обоснованный в разделе 1.3 метод строительства «из канав» предполагает, во-первых, использование местных почво-грунтов в качестве дорожно-строительного материала земляного полотна и, во-вторых, использование одноковшового экскаватора на земляных работах, а также в качестве устройства для уплотнения материала конструкции лесной дороги.

Целесообразность реализации данной технологии строительства объясняется следующими взаимосвязанными положениями:

1. Срок службы временных лесных дорог и интенсивность их использования ограничены объемом древесины, запланированным к вывозке. В этой связи использование лесных почво-грунтов, с учетом их физико-механических свойств, может обеспечить достаточную (но не избыточную) прочность и стабильность дорожной конструкции. За счет использования местных ресурсов при строительстве дорог можно уменьшить не только затраты времени и топлива, но и расход привозных материалов. Это, в свою очередь, вызывает не только положительный экономический эффект, но и благоприятно влияет на экологию окружающей среды.

2. Для обеспечения достаточной прочности и, как следствие, необходимой плотности материала полотна лесных дорог можно при соответствующем обосновании исключить использование катков и других специализированных уплотняющих машин статического и динамического действия. Использование современных одноковшовых экскаваторов предполагает выполнение не только функций копания и технологически обусловленного перемещения почво-грунта, но и его уплотнение на этапе возведении лесных дорог.

Таким образом, при использовании технологии строительства «из канав» предлагается расширить функциональные возможности одноковшового экскаватора [131]. С учетом характера разрабатываемой методики целесообразно дополнить их пунктом об использовании экскаватора в качестве уплотняющего устройства.

При реализации данного предложения не потребуется замена ковша другим оборудованием, поскольку тыльная часть внешней поверхности ковша, как показал наш опыт [62], при соответствующем управлении может функционировать как уплотняющее устройство, обеспечивая достаточную степень уплотнения и прочность почво-грунтов как материала дорожного полотна.

Как отмечено выше, при любом способе уплотнения в рассматриваемом технологическом процессе строительства лесных дорог необходим анализ системы «уплотняющее устройство - уплотняемый материал». Целью такого анализа является обоснование рекомендаций по совершенствованию ресурсосберегающих технологических решений при строительстве лесных дорог с использованием местных почво-грунтов и более интенсивного использования одноковшового экскаватора за счет расширения его функциональных возможностей. Обоснование рекомендаций предполагает изучение предшествующего опыта, известного в данной области по литературе и подробно описанного в разделе 1.3.

В рамках исследования внимание уделено проблеме взаимодействия уплотняющего устройства с уплотняемым почво-грунтом при строительстве лесных дорог. Данный вопрос включает в себя ряд достаточно сложных многоплановых задач, целью решения которых является, в частности, анализ взаимодействия колесных [93] и гусеничных [76] движителей лесных машин со слабым почво-грунтом [11]. Как показал приведенный в первой главе диссертации анализ литературы, вопрос уплотнения почво-грунтов как материала дорожного полотна лесных дорог требует продолжения исследований и решения комплекса задач с учетом современных условий, которые связаны с появлением новых машин, а также новых требований рационального природопользования и экономической эффективности технологических решений. При этом одна из практически важных задач заключается в разработке методики оценки уплотненного состояния почво-грунтов при строительстве лесных дорог с учетом особенностей предлагаемой технологии. Решение данной задачи предполагает анализ известных моделей почво-грунтов и разработку новой методики расчета, в которой учтены особенности использования экскаватора как уплотняющего устройства.

Достаточно подробный аналитический обзор методик, применяемых в геотехнических расчетах, приведен в статье А.Г. Шашкина [138], в которой выполнен анализ применимости ряда моделей для описания поведения грунта в условиях нагружения и разгрузки. Приведены способы проверки достоверности результатов расчета. В статье изложена модель расчета деформаций оснований, сложенных глинистыми грунтами, отвечающая основным представлениям физико-химической механики. По итогам анализа и обобщения результатов натурных исследований поведения грунта установлено, что известные модели и программы, например, Hardening Soil Model и программа PLAXIS, не вполне адекватно описывают реальное поведение грунта при нагружении и, особенно, при разгрузке.

Исследуемая нами технология уплотнения почво-грунта предполагает повторение циклов «нагружение-разгрузка». В этой связи актуальной является задача разработки методики моделирования системы «уплотняющее устройство - уплотняемый почво-грунт» с учетом особенностей исследуемой в диссертации технологии строительства лесных дорог [62].

В ряде работ отмечается, что нелинейные модели перегружены математическими зависимостями, нередко не имеющими под собой физических обоснований. При этом сложность моделей при практическом их применении не всегда позволяет пользователю четко представить себе особенности работы моделируемого почво-грунта [138].

Чтобы получить представление о сложности структуры почво-грунтов как о причине затруднений их моделирования и приблизиться к пониманию необходимости построения эмпирической модели уплотняемых почво-грунтов, рассмотрим их структуру на образцах, взятых с лесного участка, расположенного в районе Древлянка и ориентированного под строительство опытной дороги.

В данной работе внимание фокусируется на двух взаимосвязанных характеристиках уплотняемого почво-грунта, а именно, на модуле деформации и осадке почво-грунта. Осадка почво-грунта может рассматриваться как видимое проявление свойства грунта в накоплении остаточных деформаций, которые определяют свойства дорог в процессе их строительства и эксплуатации. Однако остаточные деформации (которые приводят и к образованию колеи) есть следствие не обнаруживаемых визуально физико-механических свойств почво-грунта, интегральной характеристикой которых в рамках данной работы является модуль деформации. Чтобы определить эту характеристику, необходимы инструментальные методы прямых или косвенных измерений, например, с применением пенетрометра, который, в отличие от лабораторных испытаний образцов, позволяет определить модуль деформации почво-грунта без существенного нарушения его структуры. Заметим, что, как показано в далее,

модуль деформации почво-грунта связан определенным соотношением с модулем упругости и с осадкой почво-грунта, что определяется его структурой.

2.2 Анализ структуры, элементного состава и классификация почво-грунтов

Как отмечено выше, известны рекомендации, полученные с применением аналитических методов теории упругости, которые часто используются также в других работах для решения широкого круга задач, в том числе относящихся к механике грунтов. При этом используется модель грунта в виде однородной сплошной среды.

Однако грунты весьма вариабельны по структуре и не представляют собой однородную сплошную среду. В качестве иллюстрации на рисунках 9, 10, 11 и 12 приведены полученные нами микрофотографии образцов грунта, взятого с лесного участка, при увеличении в 35, 300 и 3000 раз. Представленные в данной исследовательской работе микрофотографии и анализ элементного состава материала образцов выполнены на сканирующем электронном микроскопе SU-15101.

1 Техническую поддержку в получении микрофотографий оказали: В.П. Чугин, кафедра информационно -измерительных систем и физической электроники (зав. кафедрой профессор Г.Б. Стефанович).

Рисунок 9 - Частицы песчаного лесного грунта при увеличении в 35 раз. Между частицами грунта видны зазоры.

Рисунок 10 - Частицы песчаного лесного грунта при увеличении

в 300 раз

Рисунок 11 - Фрагмент рисунка 2 при дополнительном увеличении

Стрелки на рисунке 11 указывают на зазоры между частицами лесного грунта, в которых можно видеть дискретные связи, обеспечивающие консолидацию частиц грунта. Образованию таких связей способствует уплотнение грунта и физико-химические процессы в области контакта частиц грунта, что можно рассматривать как слабо выраженное «цементирование».

Подобную картину можно наблюдать при исследовании фрагментов того же образца с увеличением в 3000 раз (рисунок 12).

Рисунок 12 - Частицы лесного песчаного грунта при увеличении

в 3000 раз

Разрушение таких связей на микроуровне (рисунок 11) приводит при уплотнении грунта к проскальзыванию (к сдвигам) частиц друг относительно друга, при этом необратимо изменяется структура грунта. Как следствие, увеличивается модуль упругости и (при повторном нагружении) модуль деформации, что означает увеличение жесткости материала.

Анализ элементного состава, представленный на рисунке 13 исследованных образцов (рисунки 9, 10, 12) на указанном выше электронном микроскопе SU-1510, показал, что в образцах лесного грунта преобладали кислород, кремний, углерод, алюминий, калий, натрий, магний (методика эксперимента не позволяет найти содержание водорода).

Аналогичная картина с некоторыми не аномальными отклонениями характерна для других лесных образцов. Содержание кремния и кислорода объясняется тем, что грунт является песчаным. Содержание алюминия, калия, натрия и магния может указывать на то, что грунт содержит примеси частиц глины. Содержание углерода объясняется тем, что грунт содержит органические примеси, в том числе гумусовые вещества, присутствующие в лесной почве.

Таким образом, для обозначения материала данного грунта можно использовать известный термин «почво-грунт».

Рисунок 13 - Результаты анализа элементного состава образца лесного грунта на сканирующем электронном микроскопе SU-1510

Согласно пункту 3.8 ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация», понятие «грунт» включает любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные

динамичные системы и как часть геологической среды и изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека.

Согласно пункту 3.31 ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» термином «почва» обозначается поверхностный слой дисперсного грунта, состоящий из неорганического и органического веществ и обладающий плодородием.

На практике при строительстве лесных дорог с применением местных материалов применяется смесь грунта и почвы. Для обозначения данной смеси используется указанный выше термин «почво-грунт» [58].

Почво-грунт можно классифицировать как разновидность органо-минерального грунта, поскольку, согласно пункту 3.25 ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация», органо-минерального грунт есть грунт, содержащий от 3 % до 50 % (по массе) органического вещества. В данной классификации не отражена специфика органического вещества лесных почв, отличающая их, например, от агропромышленных органо-минеральных грунтов.

Кроме того, если грунт содержит, например, 2 % (по массе) органического вещества, то возникает неопределенность с классификацией такого грунта, который не может быть отнесен к минеральным грунтам, поскольку согласно пункту 3.20 ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация» минеральный грунт - это грунт, состоящий из неорганических веществ.

Термин «почво-грунт», используемый в работах по физической географии, не является новым и обозначает комплекс почвы с подстилающей ее толщей горных пород [100]. В работах, непосредственно относящихся к теме исследования, данный термин также используется [75].

Отметим, что материалом рассматриваемого образца является песчаный грунт. Согласно ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия» технические требования к пескам как материалу для строительства автомобильных дорог (кроме лесных) ограничивают или не допускают наличия частиц глины, органических веществ и других примесей.

Однако в почво-грунтах, являющихся местными строительными материалами, с учетом ограниченной продолжительности эксплуатации временных лесных дорог, такие примеси не исключаются.

В настоящее время слои дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог рассчитываются по формальным нормативным признакам без учета особенностей их уплотнения [96]. Также не учитывается изменение физико-механических свойств грунта при уплотнении. Изменение указанных свойств объясняется тем, что уплотнение грунта сопровождается разрушением связей между его частицами, перемещением частиц, заклиниванием частиц с появлением сил контактного взаимодействия, которые могут вызвать разрушение частиц.

С точки зрения геометрии уплотнение грунта означает переход к более плотной упаковке его частиц. С точки зрения механики уплотнение грунта и его консолидация может рассматриваться как модификация материала, что проявляется в увеличении его прочности, модуля упругости и модуля деформации.

Анализ результатов электронной микроскопии позволяет утверждать, что разрушение связей между частицами грунта при его уплотнении приводит к проскальзыванию (к сдвигам) частиц друг относительно друга, при этом необратимо изменяется структура грунта. Известно, что для слоев оснований и покрытий лесовозных автомобильных дорог связь между частицами грунта осуществляется непосредственно в местах их контактов. По этой причине упругие деформации зависят от свойств материала неразрушенных контактирующих частиц. Более подробно теория уплотнения земляного полотна на основе механики грунтов и теории упругости и пластичности изложены в источнике [52].

В реальных грунтах возникают как упругие, так и остаточные деформации, причем доля упругих деформаций по сравнению с остаточными значительно меньше [20]. Остаточные деформации появляются и доминируют по следующим причинам. Чтобы получить при уплотнении

грунта указанную выше механическую систему контактирующих частиц, необходимо разрушение связей между частицами, их перемещение и более плотная упаковка, уменьшение пористости, вытеснение воды и воздуха из пор, консолидация грунта с образованием новых связей между его частицами за счет физико-химических взаимодействий.

Адекватность приведенных выше положений о формировании механической системы контактирующих частиц уплотняемого грунта подтверждается результатами анализа технических фотографий, полученных на электронном микроскопе SU-1510. Таким образом, на рисунке 14 видна частица размером около 10 микрометров (0,01 миллиметра), через которую передается нагрузка от вышележащего микрослоя грунта на нижележащий слой.

Рисунок 14 - Фрагмент лесного супесчаного образца

На рисунке 15 представлен элементный состав супесчаного почво-грунтового образца, отобранного на лесном участке.

Рисунок 15 - Результаты анализа элементного состава супесчаного образца лесного грунта

Учет неоднородности грунтов, разрушения связей между частицами грунта, их сдвиги и другие перечисленные выше факторы в аналитических моделях уплотнения грунтов если и выполняется, то с использованием ряда существенных упрощений. Наряду с аналитическими методами в моделях уплотнения грунтов используются численные методы, из которых наибольшее распространение получили метод конечных элементов и метод конечных разностей. Перспективными методами для моделирования эволюции гетерогенных сред, в том числе грунтов при механических и термомеханических воздействиях на различных масштабных уровнях, являются методы частиц и метод клеточных автоматов [94].

2.3 Модуль общей деформации и модель уплотняемого слоя почво-грунта

Числовые значения рассматриваемых в данном разделе характеристик грунта необходимы для использования в качестве исходных данных при моделировании системы «уплотняющее устройство - уплотняемый почво-грунт», разрабатываемой для оценки уплотненного состояния почво-грунтов при строительстве лесной дороги.

С точки зрения пользователя лесной дороги наибольший интерес представляю остаточные деформации земляного полотна под действием автомобилей при вывозке древесины. Эти деформации при одной и той же нагрузке тем больше, чем меньше модуль деформации грунта.

Модуль деформации представляет собой обобщенную характеристику грунта, отражающую как упругие (обратимые), так и необратимые деформации. К необратимым деформациям относятся пластические деформации и деформации сдвига, сопровождаемые разрушением микросвязей между частицами грунта, что рассмотрено выше, в разделе 2.1. Заметим, что анализ данных, представленных на рисунках 8 и 15, может быть выполнен с различных точек зрения. Разрабатывая подход к моделированию слоя уплотняемого грунта, на концептуальном уровне в рамках нашей

работы важно подчеркнуть, что при любом способе уплотнения нас интересует, прежде всего, результат воздействия уплотняющего устройства на уплотняемый грунт. Поэтому, используя понятие секущего модуля упругости, нелинейные зависимости для напряжений и деформаций по рисунку 7 в разделе 1.4 заменим двумя линейными зависимостями, одна из которых соответствует возрастанию давления на грунт, а вторая -уменьшению давления, то есть разгрузке. Графически эти зависимости представлены на рисунке 16 пунктирными линиями.

>

Полная деформация

Рисунок 16 - К определению остаточных деформаций грунта

Подобный подход объясняет увеличение модуля упругости появлением необратимых деформаций грунта при его уплотнении, что с физической точки зрения согласуется с анализом изменений структуры уплотняемого грунта, представленным в разделах 1.4 и 2.2. С физической точки зрения результатом уплотнения является увеличение плотности (до некоторого предела), а значит уменьшение объема некоторого массива грунта, что возможно при условии необратимого его деформирования в определенных

пределах, то есть при условии появления остаточных деформаций. Упругое деформирование грунта не приводит к его уплотнению.

Поскольку при уплотнении реальных грунтов появляются не только остаточные деформации, но и упругие, для обоснования параметров технологии уплотнения грунтов (в том числе почво-грунтов) необходимо рассмотреть эффективность повторных нагружений грунта при его уплотнении в рамках технологических возможностей строительства лесных дорог.

Известно, что при первичном нагружении грунтов проявляются как упругие (обратимые), так и пластические (необратимые, остаточные) деформации (рисунок 16). Известно также, что разгрузка и повторное нагружение приводят к появлению преимущественно упругих деформаций [120]. Следовательно, применительно к задачам диссертационного исследования, можно сделать вывод, что эффективность уплотнения грунта с каждым очередным циклом уменьшается, поскольку необходимым условием уплотнения является накопление указанных выше остаточных деформаций. Подтверждение данного вывода можно найти также в работе [134], в которой приведены результаты испытаний грунтов с влажностью 23, 25 и 28 % при циклических воздействиях нагрузки с частотой 0,067, 0,1 и 0,2 Гц. В цитируемой работе экспериментально установлено, что при увеличении частоты цикла нагружений уменьшается относительная деформация грунта в пределах каждого цикла. Отмечено, чем больше частота цикла нагружений, тем меньше время воздействия нагрузки на грунт, поэтому поровая вода за непродолжительный промежуток времени не успевает вытесняться из пор грунта. При этом в условиях малой водопроницаемости глинистый грунт начинает работать как упругий материал с минимальными неупругими деформациями.

В рамках предлагаемого в диссертации подхода к моделированию деформаций уплотняемого грунта необходимо определить секущий модуль

упругости грунта при первичном нагружении, а также при повторном и последующих нагружениях.

Рисунок 17 - К определению модуля упругости при повторных

нагружениях

Используя представленные на рисунке 17 [119] данные, найдем: - секущий модуль деформации при первичном нагружении:

Е = = 5 18 2 0 1 2 Па « 5 , 2 МПа;

0,0467 '

- модуль упругости по разгрузочной ветви при первичном нагружении, по ГОСТ 12248-2010:

Еу = = 5 14893 61 Па « 5 1 , 5 МПа,

у 0,0 047 '

что почти в 10 раз больше приведенного выше модуля деформации, равного 5,2 МПа.

Заметим, что эти данные согласуются с рекомендацией А.Г. Шашкина [138], согласно которым «при решении статических задач в большинстве

случаев достаточно задавать модуль упругости в 5.. .10 раз больше модуля деформации грунта».

Вычислим секущий модуль деформации по нагрузочной ветви при повторном нагружении (рисунок 17):

Е = = 3 7345 679 Па « 3 7, 3 МПа;

- секущий модуль упругости по разгрузочной ветви при повторном нагружении в интервале давления от 30 кПа до 121 кПа:

91 ППП

Еу = = 2 85 2 6645 Па « 2 8 , 5 МПа;

у 0,0 0 3 19 '

- аналогично, секущий модуль упругости по той же разгрузочной ветви при повторном нагружении в интервале давления от 30 кПа до 242 кПа:

Еу = = 5 071 770 3 Па « 5 0, 7 М П а,

У 0,00418 '

что мало отличается от приведенного выше значения модуля упругости, определенного по разгрузочной ветви при первичном нагружении ( 5 1 , 5 МПа).

При повторных нагружениях различие между модулем деформации и модулем упругости уменьшается.

В зависимости от модуля деформации, согласно ГОСТ 25100-2011, грунты подразделяют на категории:

- очень сильно деформируемые ( Е < 5 МПа);

- сильно деформируемые ( МПа);

- среднедеформируемые ( МПа);

- слабодеформируемые ( Е > 5 0 МПа).

По причине сложности грунта как объекта моделирования и расчета, необходимо проведение предварительных расчетов, анализ результатов которых позволит обосновать выбор корректной модели. В таких расчетах могут быть приняты, например, следующие значения модуля деформации сжимаемого грунта при первом и повторном нагружениях (таблица 2.1) [114].

Таблица 2.1 - Модули деформации грунтов

Модуль деформации при

сжатии, МПа

Грунт при первом нагружении при повторном нагружении

Суглинки пылеватые серые неясно слоистые с растительными остатками, текучие 5,0 10,0

Суглинки легкие пылеватые коричневато-серые слоистые мягкопластичные 5,0 15,0

Супеси пылеватые серые с растительными 5,4 16,2

остатками, с прослоями песка, текучие: (МПа)

Суглинки легкие пылеватые серые слоистые текучепластичные 6,0 18,0

Суглинки пылеватые серовато-коричневые с растительными остатками тугопластичные 7,0 21,0

Супеси пылеватые серые с гравием, галькой, с прослоями суглинка пластичные 12,0 23,0

Супеси пылеватые серые с гравием, валунами с прослоями суглинка твердые 16,0 48,0

Приведенные в таблице 2.1 значения модуля деформации при повторном нагружении, вероятно, несколько занижены [138]. Однако эти

значения соответствуют приведенным в таблице 2.2 нашим данным, полученным при испытаниях образцов почво-грунта на опытном участке лесовозной ветки [62].

Таблица 2.2 - Значения модулей деформации уплотненных почво-грунтов на опытных участках лесовозной ветки

Номер участка дороги; тип почво-грунта Модуль деформации, полученный экспериментально, МПа

1-й участок; песок 23,95

2-й участок; супесь в твердом состоянии 22,01

3-й участок; твердый суглинок 20,59

4-й участок; твердый суглинок 21,40

Несколько заниженные значения модуля упругости (таблица 2.2) объясняются влиянием легко деформируемых растительных остатков в почво-грунтах.

По мере уплотнения грунта определенной влажности возрастает его модуль деформации, уменьшается его пористость и, как следствие, повышается прочность и уменьшаются деформации грунта дорожного полотна. В нижеследующем разделе рассмотрим влияние изменений пористости и деформаций слоя уплотняемого грунта при строительстве лесной дороги.

2.4 Моделирование изменений пористости и деформаций уплотняемого

почво-грунта

Как отмечено в разделе 1.5, в настоящее время актуальной задачей является разработка методики определения для различных типов грунта зависимости, связывающей способ и степень уплотнения с изменением

физико-механических свойств и выявления значения реально достижимой в различных условиях плотности.

В рамках диссертационного исследования разработана модель уплотнения слоя грунта, а также методика определения зависимости, связывающей степень уплотнения грунта с изменением его пористости и деформаций. Следуя методологии математического моделирования, кратко рассмотрим физическую модель процесса уплотнения грунта и математическое описание физической модели.

Описание процесса уплотнения с физической точки зрения сводится к следующей системе понятий и допущений, необходимых для обоснования рассматриваемых далее расчетных формул:

1. Уплотняемый грунт представляет собой пористый материал, поры равномерно распределены по объему грунта.

2. В процессе уплотнения имеют место обратимые (упругие) и необратимые (остаточные, пластические) деформации.

3. Упругие деформации зависят от модуля упругости частиц, образующих скелет грунта.

4. При прочих равных условиях необратимые деформации зависят от пористости грунта, а также от величины и продолжительности действия нагрузки. С увеличением продолжительности действия нагрузки объем пор уменьшается, накапливаются остаточные деформации.

5. Объем частиц, образующих скелет грунта, остается постоянным в процессе уплотнения. С учетом допущения 4 уплотнение приводит к уменьшению доли пор в объеме грунта (в пределе до нуля).

Рассмотрим математическое описание физической модели процесса уплотнения массива грунта, начальный объем которого равен . В процессе уплотнения давление на грунт увеличивается, его объем уменьшается и становится равным . Таким образом, в любой момент времени:

К0 < V < V* и 0 < р < рЛ.

(2.1)

Продолжительность уплотнения разобьем на одинаковые достаточно малые отрезки времени . Соответственно, каждому отрезку соответствует изменение давления .

Пусть в некоторый момент времени и, соответственно, при

давлении объем частиц скелета грунта равен . Объем пор в тот же

момент времени равен . Тогда объем грунта:

Определим долю частиц скелета грунта и долю пор в объеме грунта К:

В момент времени , то есть при объем

частиц скелета грунта останется прежним, равным . Однако их доля в объеме грунта увеличится, поскольку объем пор уменьшится на величину и будет равен:

К^ + К,.

(2.2)

Са = Кг/К;

сь = к„/к.

(2.3)

(2.4)

К* = к„ —д К,.

(2.5)

Соответственно, объем грунта будет равен:

к* = ка + К, — дКь = к - д К,.

(2.6)

Определим долю (концентрацию) частиц скелета в уплотняемом грунте объемом при давлении :

. (2.7)

Анализ физического содержания задачи позволяет сформулировать гипотезу: величина Л V, пропорциональна Лр и объему пор в грунте V, при давлении р. На этом основании можно записать следующее соотношение:

Л V, = (Лр/т) V,, (2.8)

где - не изменяющийся с течением времени параметр модели, зависящий от конструктивно-технологических характеристик уплотняющего устройства и физико-механических свойств уплотняемого грунта. Параметр имеет ту же размерность, что и , подлежит определению по результатам технологического эксперимента. Перейдем к безразмерным переменным. Обозначим:

Л в = ДН. (2.9)

Подставив (2.8) в (2.7), получим с учетом (2.3), (2.4) и (2.9):

Сй + Л Са = Сй/ ( 1-Д в С„) . (2.10)

Преобразуем равенство (2.10), предполагая, что Л Са и Л в Сь достаточно малы и пренебрегая на этом основании произведением . В итоге

получим:

Л Са = СаЛ в СЬ. (2.11)

Учитывая, что:

Са + Сь = 1 , (2.12)

и переходя к пределу при , получим дифференциальное

уравнение:

йса

Са(1-Са)

= й 0. (2.13)

Здесь й 0 = й р / т. Интегрирование с учетом условия при

приводит после преобразований к расчетной формуле для определения в зависимости от безразмерного параметра времени :

£ _ СдрвХрв

а = 1+Са0(ехр е- 1) . ( . )

С учетом (2.12) и (2.14) найдем долю пор в объеме (пористость) уплотняемого грунта:

£ _ _ £ _ __СдрвХрв _ _1 Сао_ _ _СЬ0_ ^

Ь а 1+Са0 (ехрб - 1) 1+Са0 (ехрб - 1) Сь 0 (1- ехрб )+ехр0. ( . )

Для практического применения формулы (2.15) необходимо определить , то есть параметр , который в соответствии с

вышеизложенным может рассматриваться как некоторая технологическая константа. Чтобы найти т, достаточно по результатам пробного уплотнения грунта экспериментально определить его пористость до начала

уплотнения и пористость после уплотнения при фиксированном давлении р. Затем, учитывая, что 0 = р /т, определить т с помощью (2.15).

С методологической точки зрения для практического применения формул важно знать типичные значения исследуемых характеристик. По физическому смыслу безразмерная величина , определяемая как отношение объема пор к полному объему образца грунта, характеризует пористость грунта. Согласно ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация»

пористость обозначают символом п, определяют в процентах и в зависимости от значений пористости (таблица Б.3 того же ГОСТ) грунт классифицируют как:

- непористый, п < 3%;

- слабопористый, 3 % < п < 1 0 0%о;

- среднепористый, ;

- сильнопористый, . Здесь п = 1 0 0 Сь %.

В числе других характеристик грунтов [22] используют также коэффициент пористости, обозначенный в ГОСТ 25100-2011 символом е (традиционно этим символом обозначают также основание натурального логарифма е « 2 , 7 1 8). Коэффициентом пористости или относительной пористостью называют отношение объема пор в образце к объему твердых

частиц, то есть е = - или, с учетом (2.15), е = = С учетом (2.14) и (2.15) получим:

£ь__ сЬ0 __Сьо__..

Ся = Ся0ехр в = ( 1 - СЬо) ехр 0. ( . )

Коэффициент пористости , удельный вес грунта , удельный вес частиц грунта и его весовая влажность связаны следующей формулой [158]:

е = (1^-1 . (2.17)

По определению весовой влажностью называется отношение веса воды в образце грунта к весу твердых частиц грунта. Удельный вес частиц грунта зависит от минералогического состава скелета грунта и их дисперсности. У глин больше, чем у песка при содержании одних и тех же

минералов, образующих грунт. Объясняется это тем, что в глинистом грунте крупность частиц меньше, поэтому удельная поверхность частиц больше, чем в песках; отсюда и большая возможность проявления поверхностных явлений. Удельный вес частиц грунта у5 от его пористости п не зависит [22].

Теоретически пористость изменяется в пределах от нуля (поры отсутствуют) до единицы (скелет отсутствует). Соответственно, коэффициент пористости изменяется от нуля (пор нет) до бесконечности (скелета, а значит и грунта нет). По физическому смыслу пористость не может быть больше единицы, в то время как коэффициент пористости может быть больше единицы (в частности, для сапропеля е > 3 по ГОСТ 251002011). Коэффициент пористости равен единице, если объем пор равен объему твердых частиц. Например, пески пылеватые подразделяют по коэффициенту пористости согласно пункту Б.2.5 того же ГОСТ на плотные ( е < 0, 6 0) , средней плотности ( и рыхлые ( ).

Согласно [22] по величине коэффициента пористости во многом можно судить и о прочности песчаного основания. Таким образом, при

песок является хорошим основанием, а при основание в

естественном состоянии обладает значительной сжимаемостью.

С практической точки зрения, в целях обоснования рекомендаций по строительству лесной дороги с использованием местных грунтов, важно знать, как связаны рассмотренные выше пористость и коэффициент пористости с изменением толщины слоя уплотняемого грунта. Данный вопрос рассмотрен в следующем разделе.

2.5 Моделирование влияния пористости на толщину слоя почво-грунта

при его уплотнении

Используемый для строительства лесной дороги грунт до его уплотнения является весьма рыхлым и, по классификации ГОСТ 25100-2011,