автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды

На правах рукописи

РАТЬКОВА Елена Игоревна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕСНЫХ МАШИН В МЕЖСЕЗОННЫЕ ПЕРИОДЫ

05.21.01 - Технологии и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005545129

Петрозаводск -2013

005545129

Работа выполнена на кафедре тяговых машин ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

Научный руководитель:

Сюнёв Владимир Сергеевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Григорьев Игорь Владиславович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии лесозаготовительных производств ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова»

Лукашевич Виктор Михайлович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры технологии и оборудования лесного комплекса ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Защита состоится 19 декабря 2013 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д.212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, Республика Карелия, Петрозаводск, пр. Ленина, д. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета

Автореферат разослан « » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Р. В. Воронов

Актуальность темы. На территории Северо-Западного федерального округа преобладают почво-грунты, деформационные свойства и низкая несущая способность которых снижают эффективность использования современной лесозаготовительной техники. Ограничения на применение лесозаготовительных машин определяются условиями колееобра-зования, величиной давления движителя на поверхность движения, деформационными и прочностными свойствами почво-грунтов. На таких грунтах снижаются скорость движения и проходимость лесных машин, увеличиваются их колебания, нарушаются экологические нормы применения машин.

Промерзание лесных почво-грунтов в зимний период на достаточную глубину снимает ограничения на применение лесозаготовительных машин. Однако и в зимний период оттепели часто вносят неопределенность в оперативное планирование лесозаготовок. Зимой снег разрушается и лесная машина движется по слою частично промерзшего почво-грунта. В межсезонные (весна, осень) периоды года по причине более интенсивного колееобразования объективно формируются ограничения на количество проходов лесозаготовительной техники, что усложняет разработку лесосеки. В это время работы по заготовке древесины с использованием машин часто прекращаются.

В этой связи актуальной задачей представляется рассмотрение многоплановой проблемы технологически возможной, экономически и экологически целесообразной интенсификации использования путей транспорта леса и дорогостоящей лесозаготовительной техники в межсезонные периоды с учетом требований рационального природопользования. В определенной мере изучение дополнительных возможностей эксплуатации транспортных путей в межсезонные периоды позволило бы откорректировать существующие модели планирования лесозаготовительных работ и уменьшить продолжительность технологических перерывов.

Цель исследования. Целью диссертационной работы является обоснование повышения эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

Задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели:

- экспериментальные исследования влияния циклов «замораживание — оттаивание» на физико-механические характеристики лесных почво-грунтов, залегающих на территории Республики Карелия, в межсезонные периоды;

- совершенствование методики количественной оценки деструктивного воздействия лесных машин на лесные почво-грунты с учетом их физико-механических свойств в межсезонные периоды и наличия лесной подстилки;

- разработка рекомендаций по повышению эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

Объект исследования: лесные почво-грунты, система «ходовая часть лесной машины - лесные почво-грунты».

Предмет исследования: особенности эксплуатации транспортных путей и лесных машин в межсезонные периоды, влияние циклов «замораживание - оттаивание» на физико-механические характеристики лесных почво-грунтов, закономерности и результат взаимодействия ходовой части лесной машины с лесными почво-грунтами с учетом особенностей межсезонных периодов и лесной подстилки.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы:

- лабораторные методы определения физико-механических характеристик лесных почво-грунтов по ГОСТ 30416-2012, ГОСТ 120712000, ГОСТ 5180-84, ГОСТ 12248-2010;

- методы статистической обработки результатов испытаний по ГОСТ 20522-96;

- регрессионный анализ;

- математическое моделирование процессов уплотнения и колее-образования на лесных почво-грунтах.

Для статистической обработки результатов испытаний применялся Microsoft Excel.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выявлены закономерности влияния циклов «замораживание - оттаивание» на физико-механические характеристики лесных почво-грунтов. Получено уравнение регрессии зависимости модуля деформации от числа циклов «замораживание - оттаивание», позволяющее адаптировать существующие модели взаимодействия лесных машин с почво-грунтами к условиям межсезонных периодов.

2. Предложена двухпараметрическая модель для оценки начальной глубины колеи в зависимости от числа проходов лесной машины с учетом лесной подстилки, позволяющая в интегральной форме учитывать особенности деформирования лесного почво-грунта на начальных этапах взаимодействия с движителем лесной машины.

3. Разработаны рекомендации по повышению эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

Значимость для теории. Полученные зависимости влияния циклов «замораживание - оттаивание» на физико-механические характеристики лесных почво-грунтов могут быть использованы в целях уточнения теоретических представлений о процессах колееобразования на почво-грунтах при воздействии лесозаготовительных машин в межсезонные периоды. Показано, что при разработке методики прогнозирования глубины колеи на начальных этапах взаимодействия лесных почво-грунтов с движителем лесной машины с учетом наличия лесной подстилки может быть использовано логистическое уравнение Ферхюльста.

Значимость для практики. Результаты диссертационной работы можно использовать для корректировки существующих моделей взаимодействия лесных машин с почво-грунтами в межсезонные периоды и для прогнозирования глубины колеи с учетом лесной подстилки в целях повышения эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования влияния циклов «замораживание - оттаивание» на физико-механические характеристики лесных почво-грунтов.

2. Рекомендации по корректировке существующих моделей взаимодействия лесных машин с почво-грунтами в межсезонные периоды.

3. Двухпараметрическая модель для оценки глубины колеи, позволяющая на начальных этапах взаимодействия движителя лесной машины с лесным почво-грунтом учитывать особенности деформирования почво-грунта в межсезонные периоды (весна, осень) и лесную подстилку.

4. Рекомендации по повышению эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на VI международной научно-технической интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (Санкт-Петербург, март 2011 г.), международной научно-технической конференции «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии» (ПетрГУ, 20-22 сентября 2011 г.), научно-практической конференции «Механика технологических процессов» (ПетрГУ, 2 ноября 2011 г.), научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции» (ПетрГУ, 17 апреля 2013 г.), на семинарах кафедры тяговых машин лесоинженерного факультета и кафедры систем автоматизированного проектирования строительного факультета ПетрГУ.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс на строительном и лесоинженерном факультетах в курсах «Механика грунтов» и «Механика грунтов и основы почвоведения» и в производственную деятельность на лесозаготовительных предприятиях Прионежского и Сор-тавальского районов Республики Карелия.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе две в изданиях, рекомендованных ВАК, и три в изданиях, зарегистрированных в наукометрической базе данных AGRIS.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы - 139 страниц. Диссертационная работа содержит 27 рисунков, 42 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи работы, научная новизна, теоретическая и практическая значимость результатов, сформулированы основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дана характеристика лесных почво-грунтов и описание их физико-механических свойств, проведен анализ научно-исследовательских работ, посвященных изучению теоретических и экспериментальных подходов к оценке воздействия машин на лесные поч-во-грунты.

Базовыми исследованиями в изучении изменения физико-механических свойств почво-грунтов под нагрузкой являются результаты работ Б. И. Далматова, 3. Г. Тер-Мартиросяна, С. Б. Ухова, Н. А. Цы-товича и др.

Результаты исследований почво-грунтов Карелии приводятся в работах Б. И. Сербы, Ю. М. Левкина, В. А. Самохвалова, С. А. Антонова, В. Г. Симагина и др.

Воздействие движителей лесных машин на почво-грунты рассматривается в работах Г. М. Анисимова, О. Н. Бурмистровой, Г. К. Виного-рова, Ю. Ю. Герасимова, И. В. Григорьева, Г. А. Давыдкова, В. П. Ермольева, В. К. Катарова, А. М. Кононова, В. М. Котикова, И. П. Ксене-вича, В. М. Лукашевича, А. В. Родионова, В. А. Русанова, В. Ю. Савинкова, В. С. Сюнёва, В. Я. Шапиро, Д. И. Шиховнева, В. Д. Шкрума, М. Siren, I. Wasterlund и др.

Вопросы взаимодействия рабочего органа лесных машин с корневой системой растений и почво-грунтом рассматриваются в работах М. В.

Драпалюка, О. Р. Дорняка, Д. Ю. Дручинина, И. Д. Кобякова, А. М. Цы-пука, Ю. А. Ширнина и др.

Снижение интенсивности колееобразования укреплением путей первичного транспорта отходами лесосечных работ исследовалось О. Н. Галактионовым, А. В. Кузнецовым, М. А. Пискуновым, А. С. Федорен-чиком, И. Р. Шегельманом и др.

Анализ литературных источников по теме диссертации показал, что вопросы механического воздействия колесной и гусеничной техники на почво-грунты достаточно хорошо изучены. Однако разработанные модели, экспериментальные исследования и полученные рекомендации относятся к конкретным сезонам: летний период, в том числе в условиях повышенной влажности, и зимний период. Поскольку с экономической точки зрения использование лесных машин целесообразно в течение всего года, кроме периодов явной распутицы, то открытым остается вопрос обоснования их использования в межсезонные периоды. В эти периоды почво-грунты находятся в состоянии промерзания и оттаивания. Длительность таких периодов достаточно высока и составляет в среднем 95 дней в году. В этой связи поведение почво-грунтов, вопросы взаимодействия лесных машин с почво-грунтами в межсезонные периоды актуально, но недостаточно изучено в настоящее время.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрена методика исследования влияния циклов «замораживание - оттаивание» на физико-механические характеристики лесных почво-грунтов. Такие циклы неоднократно повторяются в межсезонные периоды (весна, осень). Известно, что вода, превращаясь в лед, увеличивает свой объем примерно на 9 %. Почво-грунт естественной влажности не способен противодействовать такому увеличению объема содержащейся в нем воды (в форме льда). С изменением объема появляются внутренние силы, разрушающие связи между частицами почво-грунта. Как следствие, могут различаться его физико-механические свойства до замораживания и после оттаивания. Очевидно, особенно заметными эти различия будут в межсезонные периоды, для которых характерна высокая естественная влажность почво-грунтов и повторение циклов «замораживание - оттаивание».

Гипотеза исследования формулируется в следующем виде: замораживание почво-грунта естественной влажности и фазовые превращения воды служат причиной, по которой структура и, как следствие, физико-механические свойства почво-грунта после цикла «замораживание -оттаивание» могут отличаться от свойств того же почво-грунта до его

замораживания. Повторные циклы «замораживание - оттаивание» также могут приводить к увеличению деформируемости и изменению физических показателей почво-грунта.

Для исследования были отобраны суглинки, залегающие на лесной территории Пряжинского и Олонецкого районов Республики Карелия.

Образцы почво-грунтов для испытаний были изготовлены с учетом требований ГОСТ 30416-2012, а их отбор, упаковка, транспортирование, хранение и подготовка - в соответствии с требованиями ГОСТ 120712000. Физические показатели почво-грунта определялись по методике, приведенной в ГОСТ 5180-84. Испытание почво-грунта для определения характеристик деформируемости (коэффициента сжимаемости ш0 и модуля деформации Е0) проводилось методом компрессионного сжатия по ГОСТ 12248-2010. Эти характеристики определялись по результатам испытаний образцов грунта в компрессионных приборах (одометрах), исключающих возможность бокового расширения образца при его нагружении вертикальной нагрузкой. Все эксперименты выполнялись на стандартном лабораторном оборудовании по стандартной методике.

Особенность использованной методики заключается в следующем:

- одна часть образцов испытывалась до замораживания, а другая часть таких же образцов того же грунта испытывалась после одного, двух и трех циклов «замораживание - оттаивание»;

- нагружение проводилось ступенями по 0,05 МПа на первых двух ступенях и 0,1 МПа на третьей ступени с выдержкой по 5 мин.

Замораживание образцов осуществлялось в морозильной камере при температуре -16 °С в течение 12 часов, оттаивание - при температуре +21 °С в течение 9 часов.

Было подготовлено по шесть образцов почво-грунта для каждого испытания. Статистическая обработка результатов испытаний производилась согласно ГОСТ 20522-96.

Приведены результаты испытаний почво-грунтов до замораживания и после нескольких циклов «замораживание - оттаивание», дана оценка влияния циклов на деформационные свойства грунтов.

По результатам испытаний для почво-грунта каждого образца строилась компрессионная зависимость, определялись плотность, влажность, коэффициент пористости, коэффициент сжимаемости и модуль деформации. В табл. 1 приведены средние значения характеристик теку-чепластичного суглинка.

Таблица 1

Средние значения характеристик суглинка текучепластичного _1_до замораживания и после оттаивания_

Состояние Влажность м, д.е. Коэффициент пористости е, д.е. Модуль деформации Е, МПа Коэффициент сжимаемости то, МПа"1 Коэффициент относительной сжимаемости т„ МПа"1

До испытания 0,319 0,907 - - -

Без замораживания 0,283 0,769 3,755 0,591 0,310

1 цикл замораживания 0,258 0,711 3,156 0,700 0,367

2 цикла замораживания 0,254 0,724 3,095 0,718 0,377

3 цикла замораживания 0,247 0,653 2,822 0,784 0,411

Результаты испытаний показали, что при многократных процессах замораживания и оттаивания после каждого цикла «замораживание -оттаивание» модуль деформации суглинка уменьшается, а коэффициент сжимаемости и коэффициент относительной сжимаемости увеличиваются. Наиболее интенсивные изменения происходят в первом цикле. В последующих циклах увеличение коэффициента сжимаемости и коэффициента относительной сжимаемости, а также уменьшение модуля деформации суглинка замедляются (рис. 1).

л

со

Число циклов

Рис. 1. График зависимости средних значений модуля деформации от числа циклов

Получено полиномиальное уравнение регрессии 3-й степени зависимости модуля деформации от числа циклов «замораживание - оттаивание»:

Е = -ОД 249ЛГ3 +1,0186Л^2 - 2,7804ЛГ + 5,6419

где Е - модуль деформации почво-грунта, N - число циклов «замораживание - оттаивание».

Коэффициент детерминации Я2 = 1.

Изменение физико-механических характеристик почво-грунта при многократных циклах «замораживание - оттаивание» представлено в табл. 2.

Таблица 2

Изменение физико-механических характеристик суглинка

текучепластичного при многократных циклах _«замораживание - оттаивание»_

Состояние Влажность м>, д. е. Модуль деформации Е, МПа Коэффициент сжимаемости т0, МПа"1 Коэффициент относительной сжимаемости тп МПа"1

Без замораживания 0,283 (100%) 3,755 (100 %) 0,591 (100%) 0,310 (100 %)

1 цикл -8,750 % -15,953 % 18,459% 18,459%

2 цикла -10,263 % -17,579% 21,505 % 21,505 %

3 цикла -12,767% -24,838 % 32,616 % 32,616%

Экспериментально установлено, что модуль деформации суглинка после первого цикла «замораживание - оттаивание» уменьшается на 16%, после второго и третьего - на 18 и 25 % соответственно по отношению к значению модуля деформации в начальном состоянии до замораживания. Коэффициент сжимаемости увеличивается на 18 % после первого цикла «замораживание - оттаивание», на 22 % после второго цикла и на 33 % - после третьего. Уменьшение модуля деформации, а также увеличение коэффициента сжимаемости и коэффициента пористости при многократном замораживании и оттаивании суглинка объясняется изменением структуры почво-грунта под влиянием циклов «замораживание - оттаивание».

Результаты исследований могут быть использованы для прогнозирования глубины колеи лесных машин в межсезонные периоды и корректировки существующих моделей, разработанных для сезонных периодов.

Например, если глубина колеи, определенная по модели В. К. Ката-рова, равна 10 см, то после двух циклов промерзания и оттаивания она будет составлять 12,1 см, а после трех циклов - 13,3 см.

В третьей главе приведена методика оценки деструктивного воздействия лесных машин на лесные почво-грунты с учетом наличия не-

разрушенной лесной подстилки. Итогом такого воздействия являются уплотнение и начинающееся колееобразование, изменение пористости почво-грунта, залегающего под лесной подстилкой. Лесной почво-грунт при различных древостоях и подстилках уплотняется по-разному. Модуль деформации почво-грунта зависит и от характеристик лесной подстилки, которая обычно разрушается после трех проходов.

Механическое воздействие колесной и гусеничной техники на поч-во-грунты рассматривается в большом числе работ, описанных в первой главе. К настоящему времени разработано множество математических моделей деформирования почво-грунта, предложены расчетные формулы для вычисления глубины колеи. При этом наименее изученными остаются наиболее сложные вопросы, связанные с движением машин по неразрушенной лесной подстилке. Эта проблема значительно усложняется при работе машин в межсезонные периоды (весна и осень).

Для оценки деструктивного воздействия движителей лесных машин на почво-грунты с неразрушенной подстилкой разработана двухпара-метрическая модель определения глубины колеи от числа проходов. С точки зрения математического моделирования расчеты выполняются по эвристическому алгоритму.

Предлагаемая методика. Пусть Н0 - начальная глубина колеи, Я - глубина колеи после некоторого количества проходов N. Рассматривается случай, когда почво-грунт уплотняется с увеличением числа проходов машины, и величина Я не может расти бесконечно. Существует предел роста для Я, равный Нтах. Если Я = Нтах, то скорость роста глубины колеи равна нулю. В математических моделях многих процессов в природе и технике применяется логистическое уравнение Ферхюльста и его модификации. Известно множество применений логистического подхода. Однако для моделирования колееобразования на лесных почво-грунтах данное уравнение не применялось.

Рассматривая переменную величину N как аналог времени и учитывая, что даже при однократном проходе колеса деформации почво-грунта появляются не мгновенно, указанное уравнение можно записать в виде:

^ = г-^-(Ятах-Я). (1)

м ятах

Здесь г — безразмерный параметр модели. Максимальная глубина колеи Нтах заранее неизвестна. Чтобы исключить из рассмотрения Нтах, введем безразмерный параметр модели С = Я0/Яшах, который по фи-

зическому смыслу задачи изменяется в пределах 0 < С < 1. Тогда решение уравнения (1) может быть представлено в виде:

1 + С(ехр(/-Л0-1)

Для практического использования данного решения необходимо определить два параметра: г и С. Чтобы вычислить данные параметры, составим систему двух уравнений, записав выражение (2) для N = 1 и N = 2. Найдем:

г = 1пЯ2(Я0-Я,) (3)

Я0(Я,-Я2) с_ Я0 ехр(г)-Я, Н\ (ехр(г) - 1) '

По физическому смыслу задачи Н2> Н0> 0 .

Исходными данными для прогнозирования глубины колеи в зависимости от числа проходов N являются: Н0 - начальная глубина колеи; Я/ и Я? - глубина колеи соответственно при N = 1 и N = 2. Экспериментально определяемые путем несложных измерений значения Н0, Н} и Н2 в интегральной форме учитывают влияние комплекса таких свойств почво-грунта, как тиксотропные свойства, льдистость и т. д.

Тестирование представленной модели показало, что в целях обеспечения адекватности необходимо учитывать пластические свойства грунта, для чего соотношение (2) дополняется слагаемым и представляется в виде:

Я(А0= Я0 ехр(гА0 +дДГ 1 + С(ехр(гЛГ) -1)

Параметр модели а характеризует сжимаемость грунта и равен увеличению глубины колеи при увеличении числа проходов N на единицу.

По разработанной методике выполнена проверка достоверности результатов расчета глубины колеи.

Для проверки адекватности модели (3)-(5) было проведено сравнение результатов вычислений с независимо полученными экспериментальными данными. Алгоритм расчета весьма чувствителен к изменениям исходных величин, в связи с этим необходима достаточно высокая точность исходных данных.

Пусть по результатам измерений определены следующие значения: Я0 = 4,0000 см; Я, = 4,2904 см; Я2 = 4,6000 см; а = 0,01 см. Тогда по формулам (3) и (4) находим: г = 0,0757 и С = 0,07207. Результаты

дальнейших вычислений по формуле (5) представлены сплошной линией на рис. 2. Кружками на том же рисунке указаны экспериментальные данные, полученные В. К. Катаровым.

Указанные выше параметры модели г и С могут быть определены по экспериментальным данным с некоторыми отклонениями от их истинных значений. Рассмотрен случай, когда эти отклонения не превышают 10%.

Влияние неточностей определения параметра г с увеличением количества проходов машины возрастает, а затем убывает, что показано на рис. 2 тонкими сплошными линиями.

Влияние неточностей определения параметра С монотонно возрастает с увеличением количества проходов машины, что показано на рис. 2 тонкими пунктирными линиями.

70

60

5 50 о

5 40 сц о

й 20 £

10 0

0 20 40 60 80 100

Количество проходов, N

Рис. 2. Экспериментальные (кружки) и расчетные (сплошная утолщенная линия) значения глубины колеи н в зависимости от N

Данная модель в целом адекватно отражает закономерности влияния первых 1-6 проходов машины на глубину колеи, что подтверждается сравнением с независимо полученными экспериментальными данными. Расхождение составляет менее 5 %.

Отличительная особенность методики заключается в том, что расчет не требует большого количества трудно определяемых исходных данных. Недостатком методики является высокая чувствительность к ошибкам округления чисел при определении параметров модели г и С.

В целях обеспечения оперативности при практическом применении методики целесообразно формирование региональной базы данных о свойствах лесных почво-грунтов с учетом их сезонных и межсезонных изменений. В состав этих данных необходимо ввести массив значений параметров предлагаемой модели г и С, указав их средние значения, а также минимальные и максимальные значения для различных почво-грунтов, для времени года и межсезонного периода.

В четвертой главе выполнена экспериментальная оценка применимости моделей взаимодействия движителей лесных машин с почво-грунтами в межсезонные периоды.

Полевые исследования были проведены в два этапа. Первое исследование было проведено в марте 2009 года с применением гусениц на колесах форвардера на лесосеке, расположенной в Медвежьегорском районе, Республика Карелия. В опытах применялся форвардер Ponsse ELK. Второе исследование было сделано в ноябре 2009 года с использованием хворостяной подушки на лесосеке рядом с г. Вышний Волочек в Тверской области. В этом исследовании применялся форвардер John Deere 1410.

На опытных лесосеках почвы были представлены пылеватыми суглинками с относительной влажностью 88 и 93 %. Форвардеры, оборудованные шинами размерностью 710/45 х 26,5 и давлением в камерах 350 кПа, двигались по участкам в одном направлении со скоростью около 4 км/ч. За один проход принимался один рейс форвардера с грузом древесины весом 13 тонн.

На лесосеках были размечены шесть линейных опытных участков (30 м х 4 м). На каждом участке выделялись следующие точки замеров: след от левых колес, след от правых колес и зоны забора проб для измерений свойств почво-грунтов. Глубина колен была определена как среднее из глубин следов правых и левых колес. Для определения уплотнения почвы слой гумуса удалялся, после чего забирались почвенные образцы с помощью почвоотборника. Образцы почво-грунтов брались в выбранных точках из поверхностного слоя глубиной 0-5 см по центру колесных следов в соответствии со стандартной методологией (ГОСТ 12071-2000). Затем почвенные образцы, помещенные в воздухонепроницаемые бюксы, доставлялись в лабораторию, где определя-

лись гранулометрический состав, число пластичности и насыпная плотность образцов почво-грунта.

На каждом из опытных участков проводилось исследование 1 из 4 вариантов (комбинаций движителей форвардеров, контактирующих с поверхностью, типа и относительной влажности почво-грунта IV) при числе проходов форвардера от 1 до 10:

• лесной почво-грунт, обычные колеса с шинами, 1¥= 93% (К\¥93);

• лесной почво-грунт. обычные гусеницы 700 х 26,5, 1У=93% (КТ93);

• хворостяная подушка 15 кг/м2, обычные колеса с шинами,

1¥= 88% (Т\У88);

• хворостяная подушка 15 кг/м2, комбинированные колесные гусеницы 700 х 26,5, 1У=8$% (ТТ88).

Лесосечные отходы укладывались на волок харвестером при выполнении сплошной рубки в смешанном древостое в Тверской области. Вдоль волоков было размечено 10 линейных опытных участков (1-1,5м).

Уплотнение почвы было проанализировано на основе изучения изменений плотности почво-грунта, вызванных движением форвардера.

Кривые зависимости глубины колеи и плотности почво-грунта от совокупного объема вытрелеванной древесины были получены с использованием кубической регрессионной модели. Коэффициент детерминации для глубины колеи составил 0,99; для плотности почво-грунта - 0,80-0,99.

Получено следующее уравнение глубины колеи:

Н = Ъ0 + Ь] V + Ь2 V2 + Ь3 V3, где Н - глубина колеи, м, V - совокупный объем вытрелеванной древесины, м3, Ъ0, Ьь Ь2, Ьз - коэффициенты уравнения.

Уравнение плотности почво-грунта:

Р = а0 + а! V + а2 V2 + а3 V3, где Р - плотность почво-грунта, г/см3, V - совокупный объем вытрелеванной древесины, м3, а0, аь а2, а3 — коэффициенты уравнения.

Коэффициенты кубической модели а; и Ь| приведены в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Коэффициенты Ь; кубической модели _

Вариант Ь0 ь, ь2 Ь3

К\¥93 0,052 0,007 -3,22Е-05 7,45Е-08

КТ93 0,020 0,005 -2,46Е-05 8Д6Е-08

Таблица 4 Коэффициенты а, кубической модели

Вариант а0 а) а2 а3

К\¥93 1,054 0,004 -5,53Е-05 2.02Е-07

КТ93 1,023 0,004 -3,49Е-05 8,30Е-08

Т\¥88 1,060 0,001 -7,97Е-07 -3,32Е-09

ТТ88 1,064 0,001 -6.15Е-06 2,28Е-08

Для оценки адекватности двухпараметрической модели выполнено сравнение значений глубины колеи, полученных экспериментально и вычисленных по логистическому уравнению. Результаты сравнения приведены в табл. 5 и 6.

Таблица 5

Оценка адекватности двухпараметрической модели _для варианта К\У93_

Число проходов Глубина колеи, м, определенная Отклонение в

экспериментально по двухпараметрической модели м %

1 0,156 0,156 - -

2 0,245 0,245 - -

3 0,322 0,322 - -

4 0,388 0,418 -0,031 -7,9

5 0,444 0,435 0,009 2,0

6 0,493 0,446 0,047 9,5

7 0,537 0,454 0,083 15,4

8 0,577 0,461 0,116 20,1

9 0,615 0,467 0,147 24,0

10 0,653 0,474 0,179 27,5

11 0,693 0,480 0,213 30,8

12 0,736 0,486 0,251 34,0

Таблица 6

Оценка адекватности двухпараметрической модели _для варианта КТ93_

Число проходов Глубина колеи, м, определенная Отклонение, в

экспериментально по двухпараметрической модели м %

1 0,094 0,094 - -

2 0,157 0,157 - -

3 0,212 0,212 - -

4 0,261 0,288 -0,027 -10,3

5 0,304 0,301 0,004 1,2

6 0,345 0,310 0,035 10,2

7 0,386 0,318 0,068 17,7

8 0,428 0,325 0,103 24,1

9 0,474 0,332 0,142 29,9

10 0,524 0,339 0,186 35,4

11 0,583 0,346 0.237 40,7

12 0,651 0,353 0.298 45,8

Сравнение результатов деструктивного воздействия машин на лесные почво-грунты (глубина колеи), полученых экспериментально и по упрощенной двухпараметрической модели, показали, что на влажных суглинистых почво-грунтах логистическое уравнение для прогнозирования глубины колеи можно применять на начальных этапах взаимодействия движителя лесной машины с почво-грунтом в пределах первых шести проходов лесной машины. В пределах первых шести проходов машины отклонения значений глубины колеи, полученных с помощью логистического уравнения и экспериментально, составляют менее 5 %.

После полного разрушения лесной подстилки и формирования колеи при большем числе проходов двухпараметрическая модель не отражает закономерности влияния количества проходов лесной машины на процессы колееобразования. При числе проходов более шести отклонения расчетных значений от экспериментальных составляют более 10 %. В этом случае целесообразно использование известных ранее моделей с учетом в них полученных во второй главе характеристик промерзающего грунта.

В пятой главе разработаны рекомендации по повышению эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

Показано, что двухпараметрическая модель может быть использована для приближенного расчета глубины колеи с учетом лесной подстил-

ки и позволяет оценивать влияние реологических свойств почво-грунта на изменение глубины колеи в зависимости от времени.

Даны рекомендации по повышению эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

По результатам проведенных расчетов и полевых исследований было установлено, что на влажных суглинистых грунтах в межсезонные периоды целесообразно применение сортиментного метода лесозаготовок.

Установлено, что применение колесных машин при сортиментной заготовке на мокрых почвах после их оттаивания не отвечает экологическим требованиям для рубок прореживания (глубина колеи должна быть меньше 0,15 м), в то время как реальная глубина колеи достигла величины дорожного просвета форвардера (0,67 м).

При использовании гибридного (колеса + гусеничные ленты) движителя в межсезонные периоды эксплуатации лесных машин образующаяся колея также превышает 0,15 м, но снижение производительности не происходит, поскольку машина продолжает двигаться. Таким образом, применение гибридного движителя на современных колесных машинах (форвардеры) позволяет обеспечить эксплуатационную эффективность при нарушении экологических норм.

Применение хворостяных подушек позволяет обеспечить и экологическую эффективность применения машин.

Основные выводы и рекомендации

1. Установлено, что при многократных процессах замораживания и оттаивания после каждого цикла «замораживание - оттаивание» модуль деформации суглинка уменьшается, а коэффициент сжимаемости и коэффициент относительной сжимаемости увеличиваются. Наиболее интенсивные изменения происходят в первом цикле. В следующих циклах увеличение коэффициента сжимаемости и коэффициента относительной сжимаемости, а также уменьшение модуля деформации суглинка замедляются.

2. Установлено, что модуль деформации суглинка после первого цикла «замораживание - оттаивание» уменьшается на 16 %, после второго и третьего — на 18 и 25 % соответственно по отношению к значению модуля деформации в начальном состоянии до замораживания. Коэффициент сжимаемости увеличивается на 18 % после первого цикла «замораживание - оттаивание», на 22 % после второго цикла и на 33 % - после третьего. Уменьшение модуля деформации, а также увеличение

коэффициента сжимаемости и коэффициента пористости при многократном замораживании и оттаивании суглинка объясняется изменением структуры почво-грунта под влиянием циклов «замораживание -оттаивание».

3. Выявлена закономерность изменения модуля деформации лесного почво-грунта (суглинка в мягкопластичном и текучепластичном состояниях) в зависимости от числа циклов «замораживание - оттаивание». Получено полиномиальное уравнение регрессии 3-й степени зависимости модуля деформации от числа циклов, позволяющее адаптировать существующие модели взаимодействия лесных машин с почво-грунтами к условиям межсезонных периодов:

Е = -0Д249АГ3 +1,01 МЫ2 - 2,7804// + 5,6419, где Е - модуль деформации почво-грунта, N — число циклов «замораживание - оттаивание».

4. Результаты исследований влияния циклов «замораживание - оттаивание» на деформационные свойства почво-грунтов могут быть использованы для прогнозирования глубины колеи в межсезонные периоды эксплуатации лесных машин и корректировки существующих моделей их взаимодействия с почво-грунтами. При многократных циклах промерзания и оттаивания почво-грунта рекомендуется принимать уменьшенное значение его модуля деформации.

5. В расчетах глубины колеи учет наличия лесной подстилки создает большие трудности. Поэтому во многих известных моделях оценки глубины колеи лесная подстилка не учитывается. Для оценки начальной глубины колеи с учетом лесной подстилки разработана двухпараметри-ческая теоретико-экспериментальная модель:

ЩИ) = Я"СХР(ГА° +аЫ.

1 + С(ехр(гЛ0-1)

6. Разработанная двухпараметрическая модель позволяет в интегральной форме учитывать особенности деформирования лесного почво-грунта на начальных этапах взаимодействия с движителем лесной машины. Данная методика адекватно отражает закономерность влияния первых шести проходов лесной машины на глубину колеи в почво-грунтах, что подтверждается сравнением с экспериментальными данными. Отклонения значений глубины колеи при первых шести проходах лесной машины, полученных с помощью логистического уравнения и экспериментально, составляют менее 10 %.

7. Предложенная методика не позволяет прогнозировать влияние количества проходов машины на изменение глубины уже существующей колеи (после 6 проходов). При числе проходов более шести отклонения расчетных значений от экспериментальных составляют более 10 %. После 6 проходов лесной машины могут использоваться другие известные модели с учетом соответствующих корректировок модуля деформации.

8. Обоснована целесообразность применения сортиментного метода лесозаготовок на влажных суглинистых грунтах в межсезонные периоды эксплуатации. При этом установлено, что применение колесных машин на мокрых почво-грунтах после оттаивания не отвечает экологическим требованиям для рубок прореживания (глубина колеи должна быть меньше 0,15 м). Реальная глубина колеи достигла величины дорожного просвета (0,67 м), что резко снижает производительность машины и эффективность ее применения.

9. Применение гибридного движителя (колеса + гусеничные ленты) на мокрых почво-грунтах после оттаивания позволяет обеспечить снижение глубины колеи, не превышающей клиренса машины. Это обеспечивает эффективную эксплуатацию по параметру производительности. Однако глубина колеи по экологическим требованиям остается неудовлетворительной.

10. Использование хворостяной подушки из лесосечных отходов, уложенных по путям движения машин, обеспечивает при применении гибридного движителя экологическую эффективность машин в межсезонные периоды.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ

В изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России

1. Сюнёв В. С., Ратькова Е. И. Методика прогнозирования воздействия лесозаготовительных машин на почвогрунты в межсезонные периоды // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Сер. «Естественные и технические науки». 2012. №6 (127). С. 70-74.

2. Ратькова Е. И., Сюнёв В. С., Катаров В. К. Влияние цикла «замораживание - оттаивание» на модуль деформации и коэффициент сжимаемости суглинков // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Сер. «Естественные и технические науки». 2013. № 4(133). С. 75-78.

В журналах, зарегистрированных в международных и российских базах данных: AGRIS, DOAJ, РИНЦ

1. Ратькова Е. И. Изменения состояния лесных грунтов в переходные периоды: промерзание и оттаивание // Resources and Technology. 2010. Т. 8. С. 123-125.

2. Катаров В. К., Сюнёв В. С, Ратькова Е. И., Герасимов Ю. Ю. Влияние форвардеров на лесные почво-грунты // Resources and Technology. 2012. № 9 (2). С. 73-81.

3. Ратькова Е. И., Сюнёв В. С., Катаров В. К. Воздействие циклов «замораживание - оттаивание» на деформационные свойства лесных почво-грунтов Карелии // Resources and Technology. 2013. Т. 10. № 1. С. 73-89.

В статьях и материалах конференций

1. Ратькова Е. И. Моделирование техногенного воздействия на лесные почво-грунты с учетом особенностей межсезонных периодов // Материалы шестой международной научно-технической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке». СПб.: ЛТА, 2011. С. 227-234.

2. Ратькова Е. И. Методика расчета и экспериментальное исследование механического воздействия лесозаготовительных машин на почво-грунты в межсезонный период // Материалы международной научно-технической конференции «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии» (20-22 сентября 2011 г.) / Петр ГУ. Петрозаводск, 2011. С. 36-37.

3. Ратькова Е. И. Моделирование техногенного воздействия на лесные почво-грунты // Материалы научно-практической конференции «Механика технологических процессов» (2 ноября 2011 г.) / ПетрГУ. Петрозаводск, 2011. С. 45^16.

4. Ратькова Е. И. Влияние цикла «замораживание - оттаивание» на модуль деформации и коэффициент сжимаемости грунта в основании лесовозной дороги // Материалы научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции» (17 апреля 2013 г.) / ПетрГУ. Петрозаводск, 2013. С. 138-141.

Подписано в печать 11.11.2013. Формат 60x84'/е. Бумага офсетная. 1 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Изд. №415

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201454056 РАТЬКОВА Елена Игоревна

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕСНЫХ МАШИН В МЕЖСЕЗОННЫЕ ПЕРИОДЫ

05.21.01 - Технологии и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сюнёв Владимир Сергеевич

Петрозаводск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................4

1 АНАЛИЗ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНЫХ МАШИН

НА ЛЕСНЫЕ ПОЧВО-ГРУНТЫ..........................................................................................7

1.1 Анализ геологических условий Карелии..........................................................7

1.2 Анализ гидрогеологических условий Карелии..............................................20

1.3 Анализ климатических условий Карелии............................................................22

1.4 Анализ работ по исследованию воздействия техники на лесные почво-грунты..........................................................................................................................................32

1.5 Основные выводы по главе..........................................................................................38

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЦИКЛОВ «ЗАМОРАЖИВАНИЕ-ОТТАИВАНИЕ» НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЕСНЫХ ПОЧВО-ГРУНТОВ....................................41

2.1 Постановка задачи................................................................................................................41

2.2 Методика исследования..................................................................................................43

2.3 Результаты испытаний......................................................................................................53

2.4 Выводы по главе....................................................................................................................68

3 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ДЕСТРУКТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНЫХ МАШИН НА ЛЕСНЫЕ ПОЧВО-ГРУНТЫ С УЧЕТОМ НАЛИЧИЯ НЕРАЗРУШЕННОЙ ЛЕСНОЙ ПОДСТИЖИ........................70

3.1 Постановка проблемы........................................................................................................70

3.2 Предлагаемая модель и методика оценки глубины колеи................71

3.3 Проверка адекватности предлагаемой модели и методики............72

3.6 Выводы по главе......................................................................................................................75

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ МОДЕЛЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВИЖИТЕЛЕЙ ЛЕСНЫХ МАШИН С ПОЧВО-ГРУНТАМИ В МЕЖСЕЗОННЫЕ ПЕРИОДЫ .. 76

4.1 Постановка задачи................................................................................................................76

4.2 Регрессионная модель глубины колеи................................................................81

4.3 Оценка применимости моделей..............................................................................85

4.4 Выводы по главе....................................................................................................................85

5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕСНЫХ МАШИН В

МЕЖСЕЗОННЫЕ ПЕРИОДЫ..............................................................................................86

5.1 Влияние лесной подстилки на образование начальной колеи ... 86

5.2 Учет реологических свойств почво-грунта..................................................87

5.3 Применение двухпараметрической модели оценки глубины

колеи............................................................................................................................................................90

5.4 Эффект от оснащения колес форвард ера гусеницами и от применения хворостяной подушки....................................................................................91

5.5 Рекомендации по повышению эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды..................................92

5.6 Выводы по главе........................................................................................................................93

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ........................................................95

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................................98

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

На территории Северо-Западного федерального округа преобладают почво-грунты, деформационные свойства и низкая несущая способность которых снижают эффективность использования современной лесозаготовительной техники. Ограничения на применение лесозаготовительных машин определяются условиями колееобразования, величиной давления движителя на поверхность движения, деформационными и прочностными свойствами почво-грунтов. На таких грунтах снижаются скорость движения и проходимость лесных машин, увеличиваются их колебания, нарушаются экологические нормы применения машин.

Промерзание лесных почво-грунтов в зимний период на достаточную глубину снимает ограничения на применение лесозаготовительных машин. Однако, и в зимний период оттепели часто вносят неопределенность в оперативное планирование лесозаготовок. Зимой снег разрушается и лесная машина движется по слою частично промерзшего почво-грунта. В межсезонные (весна, осень) периоды года по причине более интенсивного колееобразования объективно формируются ограничения на количество проходов лесозаготовительной техники, что усложняет разработку лесосеки. В это время работы по заготовке древесины с использованием машин часто прекращаются.

В этой связи актуальной задачей представляется рассмотрение многоплановой проблемы технологически возможной, экономически и экологически целесообразной интенсификации использования путей транспорта леса и дорогостоящей лесозаготовительной техники в межсезонные периоды с учетом требований рационального природопользования. В определенной мере изучение дополнительных возможностей эксплуатации транспортных путей в межсезонные периоды позволило бы откорректировать существующие модели планирования

лесозаготовительных работ и уменьшить продолжительность технологических перерывов.

Целью диссертационной работы является обоснование повышения эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

Задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной

цели:

- экспериментальные исследования влияния циклов «замораживание - оттаивание» на физико-механические характеристики лесных почво-грунтов, залегающих на территории Республики Карелия, в межсезонные периоды;

- совершенствование методики количественной оценки деструктивного воздействия лесных машин на лесные почво-грунты с учетом их физико-механических свойств в межсезонные периоды и наличия лесной подстилки;

- разработка рекомендаций по повышению эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования влияния циклов «замораживание -оттаивание» на физико-механические характеристики лесных почво-грунтов.

2. Рекомендации по корректировке существующих моделей взаимодействия лесных машин с почво-грунтами в межсезонные периоды.

3. Двухпараметрическая модель для оценки глубины колеи, позволяющая на начальных этапах взаимодействия движителя лесной машины с лесным почво-грунтом учитывать особенности деформирования почво-грунта в межсезонные периоды (весна, осень) и лесную подстилку.

4. Рекомендации по повышению эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выявлены закономерности влияния циклов «замораживание -оттаивание» на физико-механические характеристики лесных почво-грунтов. Получено уравнение регрессии зависимости модуля деформации от числа циклов «замораживание - оттаивание», позволяющее адаптировать существующие модели взаимодействия лесных машин с почво-грунтами к условиям межсезонных периодов.

2. Предложена двухпараметрическая модель для оценки начальной глубины колеи в зависимости от числа проходов лесной машины с учетом лесной подстилки, позволяющая в интегральной форме учитывать особенности деформирования лесного почво-грунта на начальных этапах взаимодействия с движителем лесной машины.

3. Разработаны рекомендации по повышению эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

Полученные зависимости влияния циклов «замораживание -оттаивание» на физико-механические характеристики лесных почво-грунтов могут быть использованы в целях уточнения теоретических представлений о процессах колееобразования на почво-грунтах при воздействии лесозаготовительных машин в межсезонные периоды. Показано, что при разработке методики прогнозирования глубины колеи на начальных этапах взаимодействия лесных почво-грунтов с движителем лесной машины с учетом наличия лесной подстилки может быть использовано логистическое уравнение Ферхюльста. Результаты диссертационной работы можно использовать для корректировки существующих моделей взаимодействия лесных машин с почво-грунтами в межсезонные периоды и для прогнозирования глубины колеи с учетом лесной подстилки в целях повышения эксплуатационно-экологической эффективности лесных машин в межсезонные периоды.

1 АНАЛИЗ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЕСНЫХ МАШИН НА ЛЕСНЫЕ ПОЧВО-ГРУНТЫ

1.1 Анализ геологических условий Карелии

Задачи в области организации и технологии лесозаготовительных работ необходимо решать с учетом природных условий.

Вопросами влияния почвенно-грунтовых условий на выбор параметров машин и механизмов, установления областей и масштабов их применения, обоснования приемов и методов лесосечных работ, выбора сезонных режимов и т.д. занимались Я.С. Агейкин [3], В. А. Александров [5], Г. М. Анисимов [6; 7], Б. М. Большаков [13; 14], В. С. Брейтер [15], О. Н. Галактионов [20; 21], И. К. Иевинь [43], В. Г. Кочегаров [57], В. С. Сюнёв [108; 109], А. С. Федоренчик [116; 117], А. М. Цыпук [119], И. Р. Шегельман [128; 129] и др.

Деформационные и прочностные свойства почво-грунта оказывают прямое воздействие на выбор движителя, скорость передвижения, и, как следствие, на производительность и эффективность работы машины в целом. Максимальные напряжения от давления движителя при этом возникают в поверхностном, почвенном слое.

По эксплуатационным показателям почвенно-грунтовые условия для целей лесосечных работ разделены на четыре категории [110].

Первая категория - «сухие почвы». К ним относятся сухие пески и каменная хрящевая почва. На лесосеках с такими почвенно-грунтовыми условиями возможна работа в течение всего года, с небольшим перерывом ранней весной после таяния снега. Осадки в осенний и летний периоды на проходимость машин не влияют.

Вторая категория - «свежие почвы». К почвам этой категории относятся супесчаные почвы, мелкие суглинки, глинистые пески. Возможен многократный проход машин по одному волоку. В период

весенней и осенней распутицы несущая способность почво-грунтов резко снижается. Осадки в летний период на проходимость машин влияют мало.

Третья категория - «влажные почвы». К ним относятся суглинистые и глинистые почвы, супеси с глинистыми прослойками. Влажность почв в течение всего теплого периода очень высокая. Лесозаготовительная техника быстро разрушает растительный слой и образует глубокие колеи на волоках. В периоды распутицы дожди приводят к сильному загрязнению волоков и погрузочных пунктов, волоки превращаются в плывуны.

Четвертая категория - «сырые почвы». Почво-грунты этой категории наиболее неблагоприятны для лесоэксплуатации. Они избыточно увлажненные, что снижает проходимость машин. В периоды распутицы лесосеки становятся непригодными для проезда, волоки загрязнены даже в сухую погоду.

В Карелии более половины лесных площадей относится к 3 и 4 категории грунтов.

Изучение геологических условий Карелии имеет почти двухвековую давность, но систематическое изучение инженерно-геологических условий началось с 1930 года.

Исследованиями грунтов Карелии занимались Б. И. Серба [99], Ю. М. Левкин, В. А. Самохвалов, С. А. Антонов [61], В. Г. Симагин [101] и др. Инженерно-геологические условия Карелии описаны во многих статьях, монографиях, книгах, отчетах и т. д. [61; 84; 99; 101].

Карелия относится к Фенноскандинавскому (Балтийскому) щиту древнейших пород и расположена в пределах его восточной части.

Фенноскандинавский (Балтийский) щит имеет очень пологий уклон с севера на юг (несколько метров на километр), разделяется перешейками. Он - один из самых крупных и древних на Земле. Мощность земной коры щита изменяется от 35 до 65 км. Литосфера щита разбита на ряд крупных структур и соподчиненных им геоблоков и блоков.

В соответствии с методикой районирования (по И.В. Попову) на территории Карелии выделяются три крупнейших геоструктуры региона, которые разделены глубокими разломами: А - Беломорский геоблок; Б - Карельский геоблок; В - Ладожский геоблок.

Щиты древних платформ, в том числе Фенноскандинавский (Балтийский), сложены преимущественно прочными породами с кристаллизационными связями. Фундамент имеет блоковое строение, его горные породы образуют несколько структурных этажей: сложнодислоцированые и высокометаморфизованные.

На значительной площади Карельского региона (Прибеломорье) на поверхность выходят древнейшие кристаллические образования докембрия (AR - гранито-гнейсовый комплекс), слагающие фундамент протерозойских (PR) отложений.

Наиболее распространенными из них являются осадочные и осадочно-вулканические нижнепротерозойские (PRO толщи в виде узких и широких полос (зон) синклинального строения. Они имеют общее северозападное простирание в центральной и южной части республики (Восточно-Карельская, Западно-Карельская, Восточно-Финляндская зоны), субширотные в северной части (Северо-Карельская зона).

Образования верхнего яруса (PR3) встречаются в южной части Карелии на Онежско-Ладожском перешейке. Они представлены магматическими образованиями - крупными массивами гранитов и габбро-диабазов.

Рифей (PR2) характеризуется незначительным по площади развитием метаморфизированных конгломерато-песчаниковых, кварцито-диабазовых толщ. Эти толщи неправильно изометричны, вытянуты и нарушены разломами.

В южной и юго-восточной частях Карелии докембрийские метаморфические и интрузивные образования перекрываются палеозойскими отложениями (Pz) осадочного чехла Русской платформы.

С поверхности территория Карелии покрыта слоем дисперсных пород верхнечетвертичной системы (Q). Средняя мощность четвертичных отложений составляет 3 - 8 м. Они иногда прерываются выходами скальных пород на дневную поверхность (площадь составляет около 3%). В южной и юго-восточной части Карелии мощности четвертичных отложений составляют от 40 до 170 м. Четвертичные отложения часто насыщены водой.

Четвертичный период (Q) - самый молодой. Его продолжительность около 1 млн. лет, поэтому отложения являются новейшими по времени образованиями и имеют ряд особенностей. Этот период связан с установлением ледникового режима, охватывающего значительные площади материков северного и, отчасти, южного полушария, прерывавшегося более теплыми межледниковыми эпохами.

Для четвертичного периода на территории Карелии характерны:

1. Периодические колебания климата - чередование эпох потеплений и похолоданий. Поэтому инженерно-геологические условия формировались в результате экзогенных процессов.

2. Наличие нескольких материковых оледенений (4-6). С этим связано образование большого числа разновидностей ледниковых отложений (qQ) на значительной площади, равной 72%.

3. Формирование современного рельефа и географической среды.

4. Большое разнообразие грунтов по генезису на коротких расстояниях и глубине (более 200 видов и разновидностей), легко поддающиеся изменению (разжижению, морозному пучению, разрушению).

5. Относительно небольшая продолжительность четвертичного периода, в связи с чем преобладают молодые, рыхлые, малоуплотненные континентальные отложения.

Четвертичная система (С>) Карелии представлена следующими образованиями:

- нижнечетвертичными (СЬ);

- среднечетвертичными (Он);

- верхнечетвертичными (рш);

- современными (С^у) послеледниковыми.

На большей части Карелии поверхностные четвертичные отложения в основном представлены грунтами ледникового комплекса последнего осташковского оледенения (поздневалдайского СЬнУёз), занимающими 72% общей площади, и, в меньшей степени, современными послеледниковыми озерными, морскими и торфяно-болотными образованиями.

Ледниковые отложения образовались в результате процессов, сопровождавших материковое оледенение. Ледяной покров, толщиной 3 -4 км, медленно сползал с возвышенностей Кольского полуострова и Скандинавии, выравнивая, отшлифовывая и вспахивая подстилавшие его отложения.

Основные генетические типы отложений ледниковой формации Карелии:

- моренные q;

- потоково-ледниковые (флювиогляциальные) fq;

- озерно-ледниковые

На территории Карелии ледниковые отложения занимают 72% площади суши. Морена составляет 60%, флювиогляциальные и озерно-ледниковые отложения - 12% от общего объема четвертичного покрова.

Выделяются морены основные и конечные (краевые).

Основная морена - несцементированный разнозернистый мат