По всей России — от северных таежных регионов до Дальнего Востока — проложены десятки тысяч километров дорог. Среди них значительную часть занимают лесовозные: они связывают удаленные, труднодоступные территории с транспортной сетью, обеспечивая вывозку древесины, доставку грузов, а иногда — единственную связь населенных пунктов с «большой землей».
Однако строительство и содержание таких дорог сопряжены с серьезными инженерными трудностями. Эти пути ежедневно подвергаются большим нагрузкам от тяжелой техники и работают в условиях сурового климата (перепады температур, промерзание и оттаивание грунта). Лесовозные дороги часто приходится строить на слабых грунтах (глинах, суглинках, супесях), то есть рыхлых и неустойчивых. При этом в России они встречаются повсеместно, занимая, по оценкам специалистов, значительную часть территории страны (не менее 60%). Это значит, что такие дороги быстро разрушаются, требуют частых ремонтов, приводят к простоям техники и росту затрат на вывозку древесины.
Лесовозные пути традиционно строят из доступных сыпучих материалов: щебень, гравий, песок. Эти материалы действительно упрочняют дорожную конструкцию: создают жесткое покрытие, распределяющее нагрузку от колес, отводят воду и упрочняют основание. В комбинации друг с другом они образуют классическую дорожную одежду, которая давно используется на лесных дорогах.
Однако в сложных условиях даже качественные щебень и песок перестают быть полностью эффективными. Под тяжелой техникой слои грунта начинают смешиваться, вода задерживается в конструкции и при замерзании разрушает ее изнутри. В связи с этим сегодня все чаще применяют геосинтетические армирующие материалы. Это тонкие, но очень прочные полотна на основе полимеров, которые укладываются между слоями дорожной одежды.
В отличие от традиционных материалов, геосинтетика удерживает полотно от сдвига, отводит воду и не дает щебню, песку и глине перемешиваться. Это позволяет дороге оставаться прочной и устойчивой даже на слабых грунтах. В некоторых случаях — на болотистых или сильно переувлажненных участках — использование геосинтетики становится единственным технически возможным способом построить дорогу.
Кроме того, они гораздо дольше служат: обычную лесовозную дорогу из одного щебня приходится ремонтировать в среднем до четырех раз в год. При этом конструкция с геосинтетической прослойкой может прослужить от трех до пяти лет без восстановительных работ. За счет этого снижаются затраты на постоянные восстановительные работы, требуется меньше материалов, а значит, содержание транспортных путей обходится значительно дешевле.
Проблема в том, что действующие российские нормативы по проектированию лесных дорог, то есть цифры, которые закладываются в инженерные расчеты, учитывают влияние геосинтетики очень усредненно. В результате специалисты не могут точно спрогнозировать, как поведет себя дорога на конкретном грунте. Это приводит к тому, что они либо перестраховываются и закладывают избыточные слои материала, либо недооценивают прочность и получают конструкцию, которая быстро разрушается. В обоих случаях это ведет к лишним затратам и созданию недостаточно долговечных дорог.
Ученые Пермского Политеха впервые в России разработали методику оценки влияния геосинтетических материалов на прочность лесовозных путей. Она позволяет количественно определить, как именно армирующая прослойка меняет сдвигоустойчивость и деформацию полотна. Исследование уникально для России и впервые позволяет уточнить отечественные нормативы. Статья опубликована в журнале «Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование». Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
Чтобы изучить поведение конструкции под нагрузкой, не строя реальную дорогу, ученые построили ее цифровую модель. Верхний слой (покрытие) — щебень, а нижний (основание) — песок. Именно такое двухслойное покрытие сегодня проектируется чаще всего. В качестве грунта рассмотрели три самых распространенных типа: супесь, суглинок и глина.
Один из важнейших факторов, влияющих на долговечность дороги, — это нагрузка от техники. Именно она продавливает основание и заставляет слои смещаться. Поэтому исследователи добавили в модель нагрузку, которая в среднем действует на покрытие от тяжелого лесовоза. Это нужно, чтобы результаты моделирования можно было напрямую переносить на реальные дороги.
Затем ученые добавили главный элемент — геосинтетическую прослойку. Ее поместили между песчаным основанием и слабым грунтом, поскольку именно там под нагрузкой происходит самое опасное смещение слоев. Исследователи рассмотрели два типа материала: более мягкий и более жесткий. Это позволит не только оценить сам факт армирования, но и понять, насколько сильно такие характеристики влияют на прочность дороги.
Модель создана в стандартном инженерном комплексе, который давно используют для расчета дорог. Она работает следующим образом: специалист задает исходные параметры — тип грунта, тип геосинтетики, нагрузку от техники. Далее модель рассчитывает, как поведет себя каждый слой дороги: насколько сместится, где возникнут самые опасные напряжения, как быстро конструкция начнет разрушаться. При этом инженер может менять любой параметр и увидеть, как изменится результат.
— При проверке модели мы меняли тип грунта (супесь, суглинок, глина) и вид геосинтетики. В процессе мы смотрели на два главных показателя: сдвигоустойчивость — то есть способность дороги не расползаться в стороны, и упругий прогиб — то есть насколько она проседает под реальной нагрузкой. Модель выдает результаты в виде коэффициентов — чисел, которые показывают, во сколько раз геосинтетика повышает свойства дороги по сравнению с обычной конструкцией, — отметил Владимир Клевеко, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильные дороги и мосты» ПНИПУ.
Моделирование показало, что сдвигоустойчивость при применении прослойки в зависимости от типа грунта выросла в два-пять раз. Наибольший эффект зафиксировали на суглинке, который наиболее склонен к набуханию и потере устойчивости при увлажнении. При этом прогиб полотна уменьшился на 2%. Это значит, что прослойка более эффективна для укрепления против сдвига слоев.
Также ученый сравнил два типа геосинтетики. Более жесткий материал оказался эффективнее на 33%. Это значит, что чем прочнее прослойка, тем лучше она держит дорогу при любом типе грунта.
Результаты исследования можно использовать при проектировании лесовозных дорог. Теперь инженеры могут опираться на точные данные: для конкретного грунта и типа материала они могут заранее узнать, во сколько раз вырастет сдвигоустойчивость. Это позволит оптимизировать затраты — применить более жесткую прослойку там, где это действительно нужно, а также не закладывать избыточные слои дорогостоящих материалов.
Особенно это актуально для регионов со слабыми грунтами, холодным климатом и высокой влажностью — там, где дороги разрушаются быстрее. Предложенная методика позволяет строить более устойчивые конструкции в таких условиях и делает удаленные территории доступнее для развития транспортной сети.