Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведены сбор и статистический анализ данных о влиянии природно-климатических и технологических факторов на состояние массивов мерзлых и оттаивающих почвогрунтов на склонах. Выполнены экспериментальные исследования динамики изменения температур слоев мерзлотного почвогрунта на склонах различной экспозиции, при различных углах уклона. Методика и аппаратура данного этапа работ были апробированы при изучении теплового режима слоев дорожной одежды в Пермском крае, в 2020 г. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48211757. В результате проведенного анализа и предварительных расчетов установлено, что несущая способность почвогрунта, находящегося под воздействием движителя лесной машины, работающей на склоне, определяется четырьмя основными факторами: удельным сцеплением и углом внутреннего трения почвогрунта, шириной пятна контакта движителя с почвогрунтом и углом склона. Разработана математическая модель, учитывающая параметры склона и размеры слагаемых его слоев почвогрунта, величину начального давления на него движителя лесной машины, параметры механики контактного разрушения массива, его основные упругие и прочностные характеристики, переменное состояние влажности для различных участков трассы движения лесных машин. Сформулирована и решена задача гидродинамики и фильтрации жидкости в нарушенном трещинами разрыва массиве оттаивающих почвогрунтов на склонах, на границе с зоной мерзлоты. Решена задача развития деформаций и уплотнения массивов почвогрунтов переменной по глубине влажности на границе с зоной мерзлоты в процессе многократного прохода лесной машины по склону. Установлено влияние основных факторов – физико-механических, природных и технических – на состояние устойчивости локальных участков волока. Полученные результаты обеспечивают более надежный прогноз показателей процесса образования колеи и сохранения плодородных участков почвогрунта при циклическом характере производства лесосечных работ в сложных сезонно-климатических условиях Крайнего Севера. При теоретическом исследовании процесса образования колеи и ее устойчивости при работе лесных машин и трелевочных систем на склонах массива оттаивающего почвогрунта учитывалось, что что поровое давление в почвогрунте вдоль склона в оттаивающем слое массива является величиной переменной и может отличаться от величины нормального давления как в большую, так и в меньшую сторону. Если граница зоны оттаивания является ледяной водонепроницаемой прослойкой, то возникает избыток порового давления и, как следствие, высокая концентрация воды. Склон в этом случае наименее устойчив, поскольку возможен сдвиг участка массива вдоль этой прослойки. Однако уклон склона обеспечивает и процесс интенсивного оттока воды, обусловливает значительный коэффициент ее фильтрации из оттаивающего почвогрунта, что приводит к существенному снижению порового давления (его рассеиванию) по мере приближения к подошве склона. В процессе математического моделирования процесса динамического взаимодействия лесных машин и трелевочных систем с почвогрунтом при работе на склонах, на основании ранее выполненных исследований по взаимодействию колесных движителей лесных машин и почвогрунтов, исходили из того, что динамические нагрузки, передаваемые от шин лесной машины к почвогрунту, должны учитывать соотношение акустических жесткостей материалов сред, которые определяются как произведение их плотностей на скорости продольных волн. Динамическое воздействие колесной лесной машины (трелевочной системы на ее базе) на почвогрунт зависит от параметров жесткости и демпфирования шин. Параметры профиля поверхности движения оказывают существенное значение на величины амплитудно-частотных характеристик колебательного процесса, что в конечном итоге определяет характер протекания динамического воздействия колесной лесной машины (трелевочной системы) на почвогрунт. При теоретическом исследовании устойчивости массива оттаивающего почвогрунта при его динамическом взаимодействии с колесной лесной машиной на склонах было учтено, что при рассмотрении задач взаимодействия и оценки уплотнения почвогрунта под действием динамических нагрузок необходимо определить частотные характеристики колебательного процесса, а именно скорости колебаний, поскольку с квадратом этой величины связаны как кинетическая энергия динамического воздействия, так и возникающие напряжения от динамического удара колесной пары по почвогрунту. В результате теоретического анализа было установлено, что эффект динамического воздействия колесной лесной машины на почвогрунт в направлении, перпендикулярном плоскости склона линейно снижается с ростом угла наклона последнего. Минимальная влажность почвогрунта (на верхних участка склона) после оттока влаги будет стремиться к нижнему пределу пластичности или величине на границе раскатывания, тогда как максимальная влажность на нижних участках (у подошвы склона) будет стремиться к верхнему пределу пластичности или величине на границе текучести. Микронеровности профиля поверхности движения и характеристики волновых колебаний колесной лесной машины (трелевочной системы) предопределяют процессы ее динамического взаимодействия с почвогрунтом. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48334319 https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48271755 https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48048755 https://www.elibrary.ru/item.asp?id=47312342 На этапе экспериментальных исследований физико-механических свойств мерзлотных почвогрунтов использовался оригинальный стенд. Предварительно почвогрунт на участках, где отбирали керны, классифицировали по категориям прочности на основе результатов зондирования. Для образцов почвогрунта по стандартным методикам определяли угол внутреннего трения и удельное сцепление частиц почвогрунта по стандартной методике. Переменными факторами являлись: усилие, с которым штамп воздействовал на почвогрунт; геометрические параметры штампа; уклон наклона поверхности почвогрунта, на который воздействовал штамп. В результате выполнения НИР в 2022 г. получены следующие результаты: создана основа математической модели для прогнозирования степени воздействия лесных машин на почвогрунты лесосек на склонах различного уклона и экспозиции в условиях криолитозоны. Получены новые знания о влиянии факторов температуры и влажности на упругопластические, вязкие и прочностные свойства мерзлых и оттаивающих почвогрунтов в поле статических и динамических нагрузок; расширены представления о закономерностях формирования напряженно-деформированного состояния массивов почвогрунтов на склонах, на границе с зоной вечной мерзлоты; установлены связи между компонентами тензора напряжений и деформаций и размерами зон разрушения при переменных факторах температуры окружающей среды и влажности массива почвогрунта на склоне, на границе с зоной мерзлоты; выявлены особенности фильтрации жидкости и повышения общей влажности почвогрунта и их совместного влияния на снижение его несущей способности и увеличение глубины колеи при работе лесных машин на склонах; дана оценка закономерностей воздействия на мерзлые и оттаивающие почвогрунты лесных машин при их многократном проходе и маневрировании на склонах с различной скоростью движения по одному участку. Получены актуальные сведения о динамике изменения температур слоев мерзлотного почвогрунта на склонах различной экспозиции, при различных углах уклона. В качестве конструктивных решений, обоснована возможность применения системы регулирования электрического усилителя руля для колесных транспортных средств, работающих в условиях горных лесов. Разработаны физическая и математическая модели работы регулятора электрического усилителя руля на примере квазинепрерывного контроллера со скользящим режимом. Проведена оптимизация динамических характеристик системы в прогнозируемом горизонте для управляемой активной подвески и электроусилителя руля. https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/09544070221139549

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Были продолжены работы по сбору фактических материалов о динамике изменения температуры слоев почвогрунта, в зависимости от места массива на склоне. За второй полевой сезон удалось собрать достаточно полные данные, отражающие всю картину изменения температурных режимов слоев массива почвогрунта на склонах. Был доработан оригинальный стенд, представляющий собой грунтовый лоток, для определения физико-механических характеристик почвогрунта, и его поведения при взаимодействии с движителями лесных машин. В теоретическом плане была дана теоретическая оценка изменчивости свойств почвогрунта на склонах, как в пространстве, так и во времени. Для оценки пространственной изменчивости была разработана математическая модель с учетом вариации свойств почвогрунта и классификации отдельных участков лесосек по технологическим свойствам, для лесосек криолитозоны на склонах, и для равнинных участков мерзлых почвогрунтов. Для учета изменчивости свойств мерзлотных почвогрунтов на склонах во времени, была разработана математическая модель с учетом реологических моделей оценки характеристик почвогрунта. При разработке указанной математической модели был учтен эффект дилатансии - увеличения объема (разрыхления почвогрунта) в процессе сдвиговых деформаций. Были разработаны рекомендации по регламентированию технических и технологических требований к освоению лесов криолитозоны на склонах с целью стабилизации показателей эффективности лесозаготовки. Была проведена разработка математической модели, позволяющая осуществлять надежный прогноз глубины образованной колеи и устойчивость участка волока при динамическом взаимодействии колесной лесной машины с почвогрунтом на склонах, с учетом геометрических параметров склона, закономерности колебательного процесса лесной машины с заданными значениями скорости и амортизационными характеристиками элементов колесной пары, профиля участка волока и физико-механических свойств почвогрунта в его границах, веса лесной машины и давления в шинах колесных пар, особенностей оттаивания краевой части массива почвогрунта в непосредственной близости с зоной мерзлоты. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54806974, https://www.elibrary.ru/item.asp?id=50510685 При выполнении натурных экспериментальных исследований были выбраны склоны различной экспозиции, на которых были выполнены почвенные разрезы, и сделано их описание. Была выполнена апробация предложенного на первом этапе НИР (2022 г) способа защиты от негативного воздействия движителей лесных машин на почвогрунты криолитозоны горных лесов на вечной мерзлоте - использования для строительства (укрепления) трелевочных волоков и технологических коридоров современных сборно-разборных дорожных покрытий (пластиковых матов), которые производятся отечественными компаниями. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54769486 Был сделан на анализ результатов естественного лесовосстановления. Для этого стандартным методом пробных площадей был проведен учет результатов естественного лесовосстановления на гарях и вырубках разных лет на склонах. В результате теоретических исследований обоснована оценка технологических свойств оттаивающих почвогрунтов под нагрузкой от движителя лесной машины, позволяющая произвести обоснованную оценку одного из совокупности технологических свойств различных участков массивов оттаивающих почвогрунтов – их прочности на одноосное сжатие - под нагрузкой от действия лесной машины, или трелевочной системы на ее базе, на склонах вблизи с границей зоны вечной мерзлоты. Установлено, что эффективный учет выявленных закономерностей возможен на базе сбора и обработки данных геологических, в первую очередь, гидрогеологических исследований физико-механических свойств и состояний почвогрунтов, слагающих краевую часть поверхности склона. Теоретически и практически доказано, что каждый склон со своими геометрическими параметрами и фактическими данными о мощности оттаивающего слоя почвогрунта, границе зоны мерзлоты и физико-механическими свойствами почвогрунта является уникальным геотехническим объектом. Многообразие параметров движения лесных машин (трелевки) при прогнозах глубины колеи обусловливают необходимость классификация склонов по технологическим свойствам почвогрунтов и критерию работоспособности трелевочных волоков (технологических коридоров). Разработка такой классификации должна базироваться на актуальных гидрогеологических и геомеханических данных о состоянии почвогрунтов, слагающих массив склона. Результаты данного этапа исследований позволили существенно расширить представления о технологических требованиях обеспечения работоспособности трелевочных волоков (технологических коридоров) на склонах оттаивающих почвогрунтов, что способствует более эффективному использованию лесозаготовительной техники в сложных сезонно-климатических условиях. Выполнено обоснование классификации прочности почвогрунтов и их соответствия геотехническим условиям лесозаготовок на склонах оттаивающих почвогрунтов, которая позволяет оценить работоспособность трелевочного волока и его эффективность при использовании различных лесных машин и трелевочных систем. С точки зрения лесорастительных свойств, у склонов южной экспозиции почвы имеют высокую теплообеспеченность, но низкие запасы влаги, что приводит к невысоким общим их лесорастительным свойствам, но лучшей несущей способности. Напротив, у склонов северной экспозиции можно наблюдать высокое содержание влаги и гумуса, что дает значительно лучшие лесорастительные свойства, но меньшую несущую способность. Мерзлотные почвы на склонах отличаются очень большой вариативностью физико-механических свойств (гранулометрический состав) и плодородия, в зависимости от крутизны и экспозиции склона, его места в общем рельефе. Кроме этого, слой мерзлоты на склоне достаточно часто может приводить к образованию плоскости скольжения, приводящей к сползанию надмерзлотного слоя почвогрунта вниз по склону (солюфикацию). При этом уплотняющее воздействие движителей лесных машин, вкупе с увеличением притока тепла после удаления части лесного полога на склоне может усиливать негативный эффект солюфикации, и приводить к оползням. Уплотненный почвогрунт будет промерзать быстрее, вероятно и глубже (при прочих равных условиях), а значит, в результате, уплотнение почвогрунта приводит к снижению прироста древесно-кустарниковой растительности, что коррелируется с известными данными исследований для условий Северо-Запада Российской Федерации. В качестве еще одного перспективного варианта снижения негативного воздействия движителей лесных машин лесные почвогрунты криолитозоны можно рассматривать выкладку ездовой поверхности сети трелевочных волоков из сборно-разборных покрытий из пластиковых матов может монтироваться, а затем и демонтироваться. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=50751977 Безусловно, такие маты стоят достаточно дорого, но они могут быть многократно перемонтированы, а их правильное использование гарантирует предохранение лесных почвогрунтов лесов криолитозоны от негативного воздействия движителей лесных машин. Возможно, что себестоимость выполнения основных лесосечных работ, с использованием оснащения ездовой поверхности трелевочных волоков сборно-разборными пластиковыми матами, а также вывозки заготовленной древесины будет значительно выше традиционных способов проведения лесосечных работ. Очевидно, что решение теоретических и практических задач, направленных, в конечном итоге, на сохранение экологического равновесия в лесах криолитозоны при их хозяйственном освоении будет актуально еще очень значительное время. Это позволяет сформулировать в оптимизации природоемкости направление в области лесопользования в криолитозоне, которое должно учитывать как стоимость заготовки лесных ресурсов, так и стоимость их восстановления, в привязке к единице получаемой готовой продукции, с поиском технических и технологических решений снижения ее природоемкости.