Россия
Россия
Россия
Во многих субъектах Российской Федерации участки лесного фонда располагаются не только на равнинной местности, но и на склонах гор, сопок, холмисто-грядовых рельефов. Работа лесных машин в таких условиях значительно сложнее, чем на равнине, а сами леса на склонах наиболее чувствительны к негативному воздействию техники. Как и в равнинных лесах, на склонах необходимо проводить рубки, лесохозяйственные работы и противопожарное обустройство, что невозможно без использования специальных лесных машин. В настоящее время в России и в мире преобладают лесные машины на колёсной тракторной базе. Чрезмерное воздействие движителей на лесные почвогрунты на склонах может приводить не только к образованию колеи (как в равнинных лесах), но и к обрушению части склона, что создаёт чрезвычайно опасную ситуацию для персонала и техники. В статье теоретически обоснована необходимость учёта эффекта армирования почвогрунта корнями деревьев при взаимодействии движителя лесной машины с поверхностью движения на склоне. На основе экспериментальных данных установлено, что степень насыщения грунтово-корневого слоя корнями сосны μ достигает 0,65% при среднем диаметре ствола d=0,3 м и ширине волока H=4 м, а прирост удельного сцепления ΔС составляет до 70 кПа при μ=1,0%. Показано, что наличие корневой системы (μ>0,2%) переводит краевую часть массива склона в устойчивое состояние (коэффициент устойчивости Ку>1) и позволяет снизить глубину колеи с 0,4 м до нормативных 0,2 м. Глубина колеи обратно пропорциональна среднему диаметру деревьев вблизи волока: при d=0,25 м и более формирование колеи не превышает допустимых значений. Выполненные исследования и оценки повышают надежность прогноза работоспособности трелевочного волока (технологического коридора), а также достоверность прогнозных показателей лесосечных и лесовосстановительных работ в сложных геотехнических условиях на склонах при использовании колёсных лесных машин или трелевочных систем на их базе.
трелевочный волок, склон, армирование корнями, устойчивость склона, глубина колеи, колесная лесная машина
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. Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Федоров В.И., Задраускайте Н.О., Египко С.В., Дьячковский Д.А. Взаимодействие колёсного движителя с почвогрунтом на склоне, с учётом эффекта буксования // Resources and Technology. 2025; 22 (3): 184-202. DOI: https://doi.org/10.15393/j2.art.2025.8903
2. Дмитриев А.С., Должиков И.С., Куницкая О.А., Дьяченко В.М., Гурьев А.Ю., Кривошеев А.А. Экспериментальные исследования воздействия колёсно-гусеничного движителя на лесные почвогрунты // Resources and Technology. 2025; 22 (2): 17-50. DOI: https://doi.org/10.15393/j2.art.2025.8004
3. Шапиро В.Я., Григорьев И.В., Новиков М.С., Перфильев П.Н., Друзьянова В.П., Макуев В.А. Особенности взаимодействия движителя лесной машины при маневрировании на склоне криолитозоны при циклических нагрузках // Resources and Technology. 2025; 22 (2): 128-148. 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. Корякин В.Н., Козыренко Н.А., Брагин А.Д. Влияние корневых систем древесной растительности на устойчивость склонов // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2023; (2): 45-53.
10. Калинин М.Д., Сергеева Т.В., Рукомойников К.П. Лабораторные исследования несущей способности армированного корнями почвогрунта // Лесотехнический журнал. 2023; 13 (2): 89-101.
11. Хитров Е.Г., Котенев Е.В., Андронов А.В. и др. Теоретический расчет несущей способности связного грунта по конусному индексу и механическим свойствам // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2019; (226): 111-123. DOI: https://doi.org/10.21266/2079-4304.2019.226.111-123
12. Болотин Д.В., Кокшаров М.А., Жук А.Ю., Андронов А.В. Задача оптимизации шага грунтозацепов гусеничных лесных машин для чувствительных почвогрунтов // Системы. Методы. Технологии. 2026; (1): 137-143. DOI: https://doi.org/10.18324/2077-5415-2026-1-137-143
13. Мисуно Ю.И. Методика экспериментальных исследований по оценке эксплуатационно-экологической совместимости лесных машин с почвогрунтами // Труды БГТУ. Серия 1: Лесное хозяйство, природопользование и переработка возобновляемых ресурсов. 2021; (1): 132-140.
14. Царапов М.Н. Формирование прочностных характеристик грунтов в процессе оттаивания // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. 2007; (6): 31-34.
15. Морозов Е.М., Зернин М.В. Контактные задачи механики разрушения. 2-е изд. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»; 2010. 544 с.
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
