Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
In many constituent entities of the Russian Federation, forest fund areas are located not only on flat terrain, but also on slopes of mountains, hills, and hilly ridge landforms. The operation of forest machines in such conditions is considerably more challenging than on flat terrain, and forests on slopes are particularly sensitive to the negative impact of machinery. As in flat forests, logging operations, silvicultural activities, and fire protection arrangements are necessary on slopes, which cannot be accomplished without the use of specialized forest machines. At present, wheeled forest machines based on tractor chassis predominate both in Russia and worldwide. Excessive impact of propellers on forest soils on slopes can lead not only to rut formation (as observed in flat forests), but also to slope collapse, creating an extremely hazardous situation for both personnel and equipment. The article theoretically substantiates the necessity of accounting for the soil reinforcement effect provided by tree roots when analyzing the interaction between a forest machine propeller and the movement surface on a slope. Based on experimental data, it has been established that the degree of saturation of the soil root layer with pine roots mu reaches 0.65% at an average trunk diameter of d = 0.3 m and a trail width of H = 4 m, while the increase in specific cohesion DeltaC reaches up to 70 kPa at mu = 1.0%. It is demonstrated that the presence of a root system (mu > 0.2%) transfers the edge part of the slope massif to a stable state (stability coefficient Ku > 1) and reduces the rut depth from 0.4 m to the standard value of 0.2 m. The rut depth is inversely proportional to the average diameter of trees near the trail: at d = 0.25 m or more, rut formation does not exceed permissible values. The performed research and assessments contribute to enhancing the reliability of predicting the operability of a skidding trail (technological corridor), as well as the reliability of predictive indicators for logging and reforestation operations in complex geotechnical conditions on slopes when using wheeled forest machines or skidding systems based on them.
skidding trail, slope, root reinforcement, slope stability, rut depth, wheeled forest machine
Введение
Вопросы устойчивости и эффективности работы Вопросы устойчивости и эффективности работы лесных машин на склонах и в условиях слабонесущих почвогрунтов остаются одними из наиболее актуальных в лесозаготовительной науке [1]. Исследованиям взаимодействия колёсных движителей с опорной поверхностью на склонах посвящены работы, в которых разработаны методики учёта буксования, маневрирования и циклических нагрузок [2, 3]. Применение комбинированных движителей позволяет существенно снизить глубину колеи по сравнению с чисто колёсными [4].
Подход к анализу динамических режимов взаимодействия колеса с препятствием недавно предложен в робототехнике. Вводится параметр 
– отношение максимальной преодолеваемой высоты препятствия к радиусу колеса, а для оценки контактных усилий используется баланс потенциальной энергии [4]. Показано, что пассивно-трансформируемые колёса позволяют достичь 
, тогда как обычные колёса ограничены . По аналогии в настоящей работе предлагается модифицированный критерий , где – глубина колеи, а – клиренс форвардера.
Полевые исследования показывают, что трелёвочный волок неоднороден по длине: выделяется до восьми типов участков, включая участки с пнём в месте прохода колеса и участки, расположенные непосредственно за пнём [5]. Это требует перехода от усреднённых моделей к локальному учёту препятствий.
Моделирование деформации почвогрунта под воздействием лесных машин с использованием методов машинного обучения и учётом близости пней показывает, что расстояние до пня является статистически значимым предиктором глубины колеи [7]. Экспериментально установлено, что многократные проходы форвардера приводят к нелинейному росту глубины колеи, а после 8–10 проходов на слабых грунтах проходимость практически теряется [8].
Влияние корневых систем древесной растительности на устойчивость склонов исследовано в работах, где показано, что армирующий эффект корней может увеличивать несущую способность грунта на 30–50% [9]. Лабораторные исследования подтверждают, что наличие корневой системы существенно повышает прочность на сдвиг [10].
Теоретический расчёт несущей способности связного грунта по конусному индексу и механическим свойствам представлен в работе [11]. Оптимизация шага грунтозацепов гусеничных лесных машин для чувствительных почвогрунтов рассмотрена в исследовании [12]. Разработана методика экспериментальных исследований по оценке эксплуатационно-экологической совместимости лесных машин с почвогрунтами, позволяющая комплексно оценить воздействие движителя на опорную поверхность [13].
Важным фактором, влияющим на работоспособность трелёвочного волока на склонах в криолитозоне и зоне сезонного промерзания, являются изменения прочностных характеристик грунтов при оттаивании. Как показано в работе [14], в процессе оттаивания дисперсных грунтов происходит резкое снижение сцепления и угла внутреннего трения, что требует учёта нестационарных свойств почвогрунта при многопроходном воздействии колёс лесных машин. Кроме того, взаимодействие колеса с твёрдыми препятствиями (пни, корни, валуны) на трелёвочном волоке сопровождается концентрацией контактных напряжений. В монографии [15] изложены основные подходы к решению контактных задач механики разрушения, которые могут быть адаптированы для оценки предельной глубины колеи при наезде на препятствие с учётом упруго-пластических деформаций грунтового массива.
Интеграция данных CAN-шины для оценки сопротивления качению форвардера в реальных условиях предложена в исследовании [16].
При оценке проходимости форвардера на склонах важным фактором является распределение нагрузки между осями. На примере восьмиколёсного форвардера показано, что при трелёвке в гору с полной нагрузкой (16 т) и уклоне до 68% критической разгрузки передней оси не происходит, однако при уклоне 41% задняя ось достигает предельно допустимой нагрузки по шинам [6]. Минимальный индекс конуса для экологически приемлемой трелёвки составляет 950 кПа, а предельное буксование 25% принято как критерий предотвращения эрозионных процессов на склонах.
Эффект армирования почвогрунта корнями деревьев широко признан в мировой науке как один из ключевых факторов устойчивости склонов и несущей способности грунтовых массивов. В обзорной работе [17] показано, что корневая система увеличивает прочность грунта на сдвиг за счёт комбинированного действия крупных и мелких корней. Классическая модель Ву – Вальдрона описывает это армирование как дополнительное сцепление, добавляемое в критерий прочности Мора – Кулона.
Количественная оценка армирования почвогрунта корнями растений является актуальной задачей в геотехнике и инженерной экологии. На примере трёх видов травянистых растений показано, что корневое армирование зависит не только от плотности корней, но и от их прочности на разрыв [18]. Суммарное корневое армирование от трёх видов повысило коэффициент запаса устойчивости склона с 1,522 до 1,851 (на 21,6%). Армирующий эффект распределён по глубине: наибольшая плотность корней в слое 0–0,5 м, умеренная — в слое 0,5–1,5 м и минимальная — в слое 1,5–2,0 м. Коэффициент запаса устойчивости склона при этом увеличился на 16% [19]. В настоящей работе аналогичный подход реализован для армирования склона корневой системой сосны: вводится параметр μ (степень насыщения грунта корнями) и прирост удельного сцепления ΔC, зависящий от μ.
Цель работы – разработка математической модели образования колеи при последовательном взаимодействии колёсных пар форвардера с твёрдыми препятствиями (пнями, камнями) на трелёвочном волоке с учётом влажности почвогрунта и армирующего влияния корневой системы. В отличие от существующих статических моделей, в данной работе учитывается ударный характер нагружения при наезде на препятствие, эффект буксования, армирующее влияние корневой системы, а также последовательный (многопроходный) характер деформации почвогрунта.
1. Shapiro V.Ya., Grigorev I.V., Fedorov V.I., Zadrauskaite N.O., Egypko S.V., Dyachkovsky D.A. Vzaimodeystvie kolesnogo dvizhitelya s pochvogruntom na sklone, s uchetom effekta buksovaniya. [Interaction of a wheeled propulsion system with the soil on a slope, taking into account the skidding effect]. Resources and Technology. 2025;22(3):184-202. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.15393/j2.art.2025.8903.
2. Dmitriev A.S., Dolzhikov I.S., Kunitskaya O.A., Dyachenko V.M., Guryev A.Yu., Krivosheev A.A. Eksperimentalnye issledovaniya vozdeystviya kolesno-gusenichnogo dvizhitelya na lesnye pochvogruty. [Experimental studies of the impact of a wheeled-tracked propulsion system on forest soils]. Resources and Technology. 2025;22(2):17-50. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.15393/j2.art.2025.8004.
3. Shapiro V.Ya., Grigorev I.V., Novikov M.S., Perfiliev P.N., Druzyanova V.P., Makuev V.A. Osobennosti vzaimodeystviya dvizhitelya lesnoy mashiny pri manevrirovanii na sklone kriolitozony pri tsiklicheskikh nagruzkakh. [Features of interaction of a forest machine propulsion system during maneuvering on a slope of the cryolithozone under cyclic loads]. Resources and Technology. 2025;22(2):128-148. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.15393/j2.art.2025.8603.
4. Zheng C., Sane S., Lee K., Kalyanram V., Lee K. α-WaLTR: Adaptive Wheel-and-Leg Transformable Robot for Versatile Multiterrain Locomotion. IEEE Transactions on Robotics. 2023;39(2):941-958. DOI: https://doi.org/10.1109/TRO.2022.3226114.
5. Piskunov M. Influence of Stump Root System of Trees on Rut Formation During Forwarder Operation on Peat Soils. Croatian Journal of Forest Engineering. 2023;44(2):217-231. DOI: https://doi.org/10.5552/crojfe.2023.2116.
6. Bumber Z., Đuka A., Pandur Z., Poršinsky T. Gradeability of a Forwarder Based on Traction Performance. Forests. 2023;14(1):103. DOI: https://doi.org/10.3390/f14010103.
7. Grube G., Grigolato S., Ala-Ilomäki J., Routa J., Lindeman H., Astrup R., Talbot B. Modelling machine-induced soil deformation in forest soils using stump proximity and machine learning. Biosystems Engineering. 2025;258:104255. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2025.104255.
8. Pandur Z., Kopseak H., Šušnjar M., Landekić M., Šporčić M., Bačić M. Effect of forwarder multipassing on forest soil parameters changes. iForest – Biogeosciences and Forestry. 2022;15(6):476-483. DOI: https://doi.org/10.3832/ifor4138-015.
9. Koryakin V.N., Kozyrenko N.A., Bragin A.D. Vliyanie kornevykh sistem drevesnoy rastitelnosti na ustoychivost sklonov. [Influence of tree root systems on slope stability]. Geoekologiya. Inzhenernaya geologiya. Gidrogeologiya. Geokriologiya. 2023;(2):45-53. (In Russ.).
10. Kalinin M.D., Sergeeva T.V., Rukomoynikov K.P. Laboratornye issledovaniya nesushchey sposobnosti armirovannogo kornyami pochvogrunta. [Laboratory studies of the bearing capacity of root-reinforced soil]. Lesotekhnicheskiy zhurnal. 2023;13(2):89-101. (In Russ.).
11. Khitrov E.G., Kotenev E.V., Andronov A.V., et al. Teoreticheskiy raschet nesushchey sposobnosti svyaznogo grunta po konusnomu indeksu i mekhanicheskim svoystvam. [Theoretical calculation of the bearing capacity of cohesive soil by cone index and mechanical properties]. Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotekhnicheskoy akademii. 2019;(226):111-123. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.21266/2079-4304.2019.226.111-123.
12. Bolotin D.V., Koksharov M.A., Zhuk A.Yu., Andronov A.V. Zadacha optimizatsii shaga gruntozatsepov gusenichnykh lesnykh mashin dlya chuvstvitelnykh pochvogruntov. [Optimization problem of track grouser pitch for sensitive forest soils]. Sistemy. Metody. Tekhnologii. 2026;(1):137-143. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.18324/2077-5415-2026-1-137-143.
13. Misuno Yu.I. Metodika eksperimentalnykh issledovaniy po otsenke ekspluatatsionno-ekologicheskoy sovmestimosti lesnykh mashin s pochvogrunami. [Methodology of experimental studies for assessing the operational and ecological compatibility of forest machines with soils]. Trudy BGTU. Seriya 1: Lesnoe khozyaystvo, prirodopolzovanie i pererabotka vozobnovlyaemykh resursov. 2021;(1):132-140. (In Russ.).
14. Tsarapov M.N. Formirovanie prochnostnykh kharakteristik gruntov v protsesse ottaivaniya. [Formation of soil strength characteristics during thawing]. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 4: Geologiya. 2007;(6):31-34. (In Russ.).
15. Morozov E.M., Zernin M.V. Kontaktnye zadachi mekhaniki razrusheniya. [Contact problems of fracture mechanics]. 2nd ed. Moscow: Knizhnyy dom «LIBROKOM»; 2010. 544 p. (In Russ.).
16. Guerra F., Marzini S., Sforza F., Wagner T., Marinello F., Grigolato S. Exploring the reliability of CAN-bus data in assessing forwarder rolling resistance under real working conditions. iForest. 2024;17:360-369. DOI: https://doi.org/10.3832/ifor4687-017.
17. Masi E.B., Segoni S., Tofani V. Root Reinforcement in Slope Stability Models: A Review. Geosciences. 2021;11(5):212. DOI: https://doi.org/10.3390/geosciences11050212.
18. Yin W., Pan Y., Yang M., Li Z. The root reinforcement on the slope under the condition of colonization of various herbaceous plants. Heliyon. 2024;10(17):e37108. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e37108.
19. Chavez Torres J.L., Feng T., Zhang K., Kookalani S. Ecological Engineering Contributions to Slope Stability Through Root Reinforcement in Diverse Soils. Applied Sciences. 2025;15(21):11810. DOI: https://doi.org/10.3390/app152111810.
