Влияние цикла «замораживание - оттаивание» на модуль деформации и коэффициент сжимаемости суглинков

Повсеместное применение современных лесозаготовительных и лесотранспортных машин в значительной степени затруднено по причине недостаточной развитости и несущей способности путей транспорта леса. Ограничения на их применение определяются условиями колее-образования и величиной клиренса, давлением движителя на поверхность транспортных путей и несущей способностью почвогрунтов. Характерным является пример Северо-Западного федерального округа, на лесных территориях которого преобладают почвогрунты, чья несущая способность в безморозный период недостаточна для использования современной лесозаготовительной техники.

Промерзание лесных почвогрунтов на достаточную глубину снимает ограничения на применение лесозаготовительных машин. Однако и в зимний период теплоизолирующее влияние снежного покрова и оттепели часто вносят неопределенность в оперативное планирование лесозаготовок. В межсезонные периоды по причине более интенсивного колееобразования объективно формируются ограничения на количество проходов лесозаготовительных машин, что усложняет

разработку технологических схем освоения лесосеки в условиях развивающейся, но недостаточной дорожно-транспортной инфраструктуры лесопользования. В определенной мере компенсировать недостаточное количество путей лесотранспорта позволит изучение дополнительных возможностей их эксплуатации в межсезонные периоды.

Появляющаяся в этой связи многоплановая проблема технологически возможной и экономически целесообразной интенсификации использования дорожно-транспортной инфраструктуры и дорогостоящей лесозаготовительной техники в межсезонные периоды с учетом требований рационального природопользования приобретает особую актуальность в современных условиях. Соответственно, для решения научно-практических задач, связанных с данной проблемой, требуется разработка как экспериментальных методов, так и методов математического моделирования. При разработке методик решения данных задач необходимо учитывать российский и зарубежный опыт. Данная работа выполнена с учетом условий функционирования лесопромышленного комплекса в Северо-Западном регионе Российской Федерации.

КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Опыт решения ряда задач по развитию транспортной инфраструктуры лесной отрасли Финляндии отражен в работе [2]. Использование этого опыта возможно после его адаптации к условиям российских регионов. Вклад в решение этой задачи вносит работа [9], из которой, в частности, следует, что как в финских, так и в российских методиках проектирования лесных дорог учитываются усредненные зависимости несущей способности грунта от его гранулометрического состава и накопления в нем влаги.

Воздействие колесных движителей на лесные почвогрунты рассмотрено в статье [5], в которой предложены математические модели послойного уплотнения почвогрунта крупногабаритными шинами с развитыми грунтозацепами.

Задача распределения проходов трелевочного трактора по длине волока с учетом колееобразова-ния рассмотрена в статье [10]. Предложено уменьшать в процессе трелевки расчетную рейсовую нагрузку на трактор в зависимости от прогнозируемого увеличения глубины колеи на участках волока со слабой несущей способностью грунта.

В статье [8] сжимаемость почв и грунтов изучена как процесс разрушения их микроструктуры, элементы которой проявляют свойства упругости и вязкопластичности. Предложена модель сжимаемости, основанная на известных представлениях о микроструктуре и выявленном автором эффекте цикличности скорости деформирования почв и грунтов.

Методика определения глубины колеи с учетом прочности грунта смятию предложена в статье [15].

В статье [7] предложена многокомпонентная модель лесной почвы как опорной поверхности движения лесохозяйственных машин.

Краткий обзор других публикаций по затронутой теме приведен в статье [11]. Не останавливаясь на детальном анализе публикаций, заметим, что авторы многих работ отмечают сложность и недостаточную изученность системы «лесозаготовительная машина – почвогрунт». При этом к числу наиболее сложных и актуальных относится названная выше задача моделирования техногенного воздействия на лесные почвогрунты с учетом особенностей межсезонных периодов [12].

Для прогнозирования техногенного воздействия в работе [11] предложена двухпараметрическая модель для определения глубины колеи в зависимости от числа проходов лесозаготовительной машины. В модели используется логистическое уравнение. Аналогичное уравнение использовано в качестве корреляционной зависимости с четырьмя параметрами в методике расчета осадки насыпи на слабых грунтах [14].

Применение логистического уравнения в моделях колееобразования рассмотрено в работах [11], [12].

Анализ представленных выше работ показал, что теоретическое определение глубины колеи после первого прохода колесной или гусеничной машины возможно, если известны модуль деформации, пористость и другие характеристики почвогрунта [6]. Эти характеристики для усредненных почвенно-климатических условий можно найти в справочной литературе [9]. Однако оценка их зависимости от почвенно-климатических условий региона в межсезонные периоды требует продолжения исследований для уточнения представлений о процессах колееобразова-ния на почвогрунтах при воздействии лесозаготовительных машин.

В данной статье рассматривается влияние цикла «замораживание – оттаивание» на физико-механические характеристики почвогрунтов. Такие циклы неоднократно повторяются в межсезонные периоды «зима – весна» и «осень – зима». Известно, что вода, превращаясь в лед, увеличивает свой объем примерно на 9 %. Почвогрунт естественной влажности неспособен противодействовать такому увеличению объема содержащейся в нем воды (в форме льда). С изменением объема появляются внутренние силы, разрушающие связи между частицами почвогрунта. Вследствие этого могут различаться его физические свойства до замораживания и после оттаивания. Очевидно, особенно заметными эти различия будут в межсезонные периоды, для которых характерна высокая естественная влажность почвогрунтов и повторение циклов «замораживание – оттаивание».

Заметим, что внешнее проявление увеличения объема влажного грунта при отрицательных температурах хорошо известно и обозначается термином «морозное пучение».

Значимость изменения физико-механических свойств грунтов в межсезонные периоды находит отражение в строительной классификации грунтов как в России, так и за рубежом. Сравнение российских и финских классификаций грунтов применительно к проектированию, строительству и содержанию лесных дорог приведено в книге [3].

Морозное пучение является проявлением сложных процессов изменений состояния воды и структуры грунта. Детальный анализ этих изменений выходит за рамки данной работы. Рассмотрим только недостаточно изученный, что показал анализ литературы [2], [3], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], вопрос о влиянии цикла «замораживание – оттаивание» на изменения коэффициента сжимаемости и модуля деформации грунта. Рассмотрение этого вопроса необходимо для уточнения представлений о процессах колееобразования в межсезонные периоды.

Очевидно, замораживание почвогрунта естественной влажности и фазовые превращения воды служат причиной, по которой структура и, соответственно, физические свойства почвогрунта после цикла «замораживание - оттаивание» могут отличаться от свойств того же почвогрунта до его замораживания. В данной работе рассмотрено влияние цикла «замораживание - оттаивание» на коэффициент сжимаемости и модуль деформации суглинка.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости грунтов, в том числе мерзлых, изложены в [4]. Лабораторные эксперименты выполнялись на стандартном оборудовании по методике, общепринятой в механике грунтов. Одна часть образцов испытывалась до замораживания, другая часть образцов того же грунта испытывалась после цикла «замораживание – оттаивание». Замораживание образцов осуществлялось в морозильной камере при температуре -8 °C в течение 8 часов. Оттаивание – при температуре +10 °C в течение 8 часов. По результатам измерений для каждого образца определялась компрессионная зависимость, вычислялись коэффициент сжимаемости и модуль деформации. Результаты испытаний приведены в таблице.

Характеристики грунта до замораживания и после оттаивания

Состояние	Коэффициент сжимаемости mv, МПа-1	Коэффициент относительной сжимаемости m0, МПа-1	Модуль деформации Е, МПа
До замораживания	0,546	0,303	10,1
После оттаивания	0,827	0,459	9,1
Изменение, %	+51,5	+51,5	-9,9

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты испытаний показали, что цикл «замораживание - оттаивание» увеличивает коэффициент сжимаемости суглинка на 51 % и уменьшает модуль деформации на 10 %. Эти данные могут быть использованы на практике для прогнозирования глубины колеи на путях транспорта леса. Например, по причине оттепелей, прежде всего в межсезонные периоды, возможно локальное увеличение глубины колеи на некоторых избыточно увлажненных участках волока. Принимая во внимание метеорологические данные о температуре и учитывая характеристики почвогрунтов, можно, например, по известной методике [11] определить величину колеи для конкретного вида лесозаготовительной машины [6]. Если прогнозируемая глубина колеи окажется недопустимо большой, то на данном участке может быть рекомендовано локальное укрепление путей первичного транспорта лесосечными отходами.

Очевидно, целесообразно формирование региональной базы данных о свойствах лесных почвогрунтов различных типов с учетом сезонных и межсезонных изменений [12]. Оперативность практического применения базы данных может быть обеспечена использованием интернет-тех-нологий [1]. Актуальность данной задачи подтверждается опытом России и Финляндии [2], [3].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лабораторными испытаниями образцов суглинка подтверждено, что цикл «замораживание - оттаивание» служит причиной увеличения коэффициента сжимаемости и уменьшения модуля деформации. Практическое значение полученных результатов определяется возможностью их использования для определения прогнозируемой глубины колеи в межсезонные периоды в целях обоснования укрепления путей транспорта леса лесосечными отходами.

* Работа выполнена при поддержке Программы стратегического развития ПетрГУ в рамках реализации комплекса мероприятий по развитию научно-исследовательской деятельности на 2012–2016 гг.

EFFECT OF “FREEZING AND DEFROSTING” ON DEFORMATION MODULE

AND COEFFICIENT OF CLAY LOAM REDUCTION