Возможности повышения несущей способности почв и дорог
В статье представлены варианты мероприятий по повышению несущей способности почв и дорог, разработанных в результате изысканий специалистов Университета прикладных наук Миккели (MAMK) в 2008-2014 годы. Исследования включали тестирование разных видов материалов и технических решений, оценку их стоимости и возможности использования для повышения несущей способности почв в период лесозаготовок и транспортировки древесины.
Заболоченные леса занимают в Финляндии до 34% общей площади лесов, запас древесины в них составляет до 20% общего запаса, а прирост лесов на заболоченных землях - 26% общего прироста лесов (примерно 20 млн м3 древесины). Это результат инвестиций в заболоченные леса за десятилетия. Значительное число болот в Финляндии было осушено в 1960-е и 1970-е годы. В результате в настоящее время в лесах на переувлажненных почвах сосредоточен большой потенциал, что позволяет дополнительно вырубать от 15 до 20 млн м3 древесины ежегодно. Лесозаготовки на торфянистых почвах проводятся зимой, когда земля промерзшая и снег предохраняет почву. На Северо-Западе России есть также много заболоченных почв и мелкоземов. Условия лесозаготовок на мелкоземах во многом схожи с условиями рубок на торфянистых почвах.
Возможности повышения несущей способности почв
Путем повышения несущей способности почв можно улучшить условия для проезда лесных машин и снизить степень повреждения почвы. Несущая способность почвы может быть усилена путем добавления дополнительных элементов или материалов в тела полотен волоков и лесовозных путей, в результате чего давление, вызванное колесами лесных машин, распределяется по гораздо большей поверхности. Когда площадь под поверхностью контакта увеличивается, давление лесной машины на грунт снижается.
Рис. 1. Деревянный мост для переезда (фото: Jussi-Pekka Jääskeläinen, 2009)
Традиционно трелевочные волока укреплялись порубочными остатками и древесиной. Иногда, например, в летнее время, этого недостаточно, если работы ведутся на торфяниках. Серьезные повреждения почвы могут появиться даже после нескольких проходов техники. Критическими могут быть короткие мокрые участки (с водой), например микропонижения, переезды через канавы, ручьи или волоки, ведущие к погрузочной площадке у дороги. Важно заранее знать, есть ли на делянке участки с низкой несущей способностью, особенно если планируются большие объемы заготовки. Тогда можно укрепить трелевочные волоки разными альтернативными материалами, например уложить порубочные остатки от заготовленной древесины хвойных пород на волоки, соорудить из балансовой древесины переезды через канавы, использовать переносные мостики или так называемые легкие мосты.
Использование разных возможностей для усиления несущей способности почвы было изучено в опытном лесу Никкарила в Пиексамяки (Финляндия), специалистами Университета прикладных наук Миккели с 2008 по 2010 год. Летом и осенью на трелевочных волоках с непромерзшим грунтом выполнялась проверка возможностей использования матов из древесных плит (из двух разных материалов), резиновых матов, переносных мостов и рассчитывались необходимые затраты. Кроме того, резиновые маты были протестированы при укреплении зимней дороги.
Переносные мосты и резиновые маты
В ходе исследования были протестированы переносные мосты, изготовленные из древесины скрученной сосны, длина мостов составляла 4 м, ширина - 1 м, толщина настила - 0,125 м (рис. 1). Элементы мостов были скреплены стальными решетками. Испытания показали, что их прочность около 140 кН.
Маты из вулканизированной резины Fortecta были изготовлены из переработанных автомобильных шин, при размере 3 x 5 м мат весит одну тонну. Маты соединялись двумя тросами: первый связывал шины, а второй был вставлен в петли, образованные первым тросом (рис. 2).
Первый протестированный деревянный мат длиной 11 м, шириной 1,1 м и толщиной 0,1 м был сделан из сосновых плашек шириной 15 см, соединенных стальным тросом (рис. 3). Его вес составил 0,5 тонны.
Рис. 4. Второй протестированный деревянный мат (фото: Olli Suorsa, 2011)
Рис. 3. Первый протестированный деревянный мат
Второй деревянный мат (ширина 1,2 м, длина 0,8 м, толщина 0,23 м, общий вес конструкции 1 т) был изготовлен из круглых элементов еловой древесины, соединенных стальным тросом (рис. 4). Были протестированы три способа соединения матов.
Для тестирования мостов и матов использовался 8-колесный форвардер Valmet 838, оснащенный в задней части тонкими гусеницами Marttiini ECO Magnum с шириной башмака 150 мм, которые применяются при проведении рубок ухода на торфяниках. Этот тип гусениц полезен при работе на чрезвычайно мягких и легко повреждаемых почвах. Вес машины в полностью загруженном состоянии - 22 т, а без груза - 16 тонн.
Результаты исследований
Рис. 5. Лесовоз на матах из вулканизированной резины
Целью одних исследований было определение затрат при использовании матов из вулканизированной резины на лесных дорогах. Другие исследования были посвящены изучению возможных методов повышения прочности трелевочных волоков. Также фиксировались затраты времени на погрузку, разгрузку и установку матов и мостов (см. табл.).
Испытания матов из вулканизированной резины были также проведены на зимней дороге, построенной на торфянике, но не использовавшейся. Восемь матов были уложены на дорогу в продольном направлении и два мата - в поперечном, общая тестируемая площадь составила 46 м2. Для сравнения: площадь участка, который не был усилен матами, составляла 50 м2. В испытаниях использовался лесовоз SISU 380E (рис. 5). Загруженная лесом машина (вес 27 т) двигалась по испытуемым участкам на невысокой скорости: 5-10 км/ч.
Результаты испытаний матов из вулканизированной резины на непромерзшем грунте и на зимних дорогах
Расходы на изготовление одного резинового мата составили приблизительно 5 евро. На работы по укреплению участка дороги длиной 50 м было затрачено 183 евро. Стоимость одного мата - 133 евро. В ходе тестирования исследователи столкнулись с ситуациями, когда невозможно было измерить ущерб (повреждения), причиненный трелевочным волокам, и тестирование было остановлено. Одна из причин - регуярное застревание креплений из тросов в траках и шипах.
Стоимость укладки одного мата на зимней дороге составила всего 1 евро. На работы по укреплению участка дороги длиной 50 м было затрачено 22 евро. Стоимость одного мата - 133 евро, его можно использовать в течение 10-15 лет. Маты из вулканизированной резины на зимней дороге обеспечивают повышение управляемости машин и несущую способность почвы. Более того, дорога остается ненарушенной. Особенно впечатляющими были результаты движения машины вперед при укладке матов вдоль полотна дороги. А маты, уложенные поперек, были полезны в местах, где машине необходимо было двигаться задним ходом, например на подъезде к погрузочной площадке.
Результаты испытаний переносных мостов
Наименьшие затраты времени зафиксированы при устройстве переносных мостов. На сооружение одной пары мостов требовалось менее 3 евро. Стоимость материалов и изготовления переносных мостов составила 51 евро за один метр. На работы по укреплению 50 м трелевочного волока было потрачено 122 евро.
Кроме того, дорога (волок) оставалась почти ненарушенной. Когда форвардер проезжал по мосту, поверхностное давление машины на почву было незначительным. Расчетное давление на поверхность составляло 12 кПа, когда форвардер массой 22 т был в верхней точке мостов. Кроме того, переносные мосты защищают стволы и корни деревьев, растущих близ трелевочного волока, от повреждений при наклонах форвардера.
Результаты испытаний деревянных матов первого и второго типа
Манипуляции с первым деревянным матом потребовали значительного времени, особенно - сбор и погрузка матов на форвардер после использования. Тем не менее маты позволили сократить повреждения трелевочного волока. Затраты на материалы и изготовление деревянных матов составили 40 евро за метр. Это самый дешевый из рассмотренных вариантов. На работы по укреплению 50 м трелевочного волока было затрачено 170 евро (второй по затратам метод).
Суммарные затраты на изготовление и установку матов второго типа были самыми высокими: 30 евро на пару матов. На работы по укреплению 50 м трелевочного волока было потрачено 316 евро, что в три раза больше, чем на переносные мосты. А расходы на материалы и производство этих матов в два раза больше, чем в случае переносных мостов: 92 евро за один метр.
При испытании второго типа матов также были выявлены проблемы: выступающие крепежные тросы застревали в гусеницах во время движения, в результате маты начинали катиться вместе с машиной. Кроме того, тяга машин была не очень высокой, поскольку деревянные маты слишком скользкое, а дорожное покрытие нестабильно. Форвардер соскальзывал с мата, который застревал между колесами и катился вместе с машиной. К тому же с деревянными матами было трудно управляться, потому что они были в два раза длиннее переносных мостов. Для снижения веса матов предлагалось изготавливать их из расколотых пополам стволов.
При выборе и использовании разных методов улучшения несущей способности почв следует учитывать общий объем древесины, вырубаемой на определенной площади: чем больше объем лесозаготовки, тем рентабельнее будут инвестиции, которые эффективны при заготовке 5-10 тыс. м3 древесины. Этот фактор имеет значение также при обучении персонала и демонстрации разных технологий.
Кати КОНТИНЕН, менеджер-исследователь, Университет прикладных наук Миккели, Финляндия
