Увеличение сроков эксплуатации автозимника на основе численного моделирования промерзания грунта

Abstract

Введение. Лесовозные автозимники являются критически важной составляющей транспортной инфраструктуры лесопромышленных комплексов Сибири, обеспечивая вывозку древесины из труднодоступных районов. Эффективность вывозки напрямую зависит от продолжительности периода эксплуатации и несущей способности дороги, определяемой глубиной промерзания грунтового основания. В условиях резко континентального климата и значительного снежного покрова Красноярского края существует проблема замедленного промерзания грунта, что отодвигает сроки начала эксплуатации зимников. Цель настоящей работы – разработка и обоснование комплекса технологических мероприятий, направленных на увеличение несущей способности лесовозной автомобильной дороги зимнего действия, на основе численного моделирования процессов промерзания грунта с использованием полной математической постановки задачи теплопроводности. Материалы и методы. Представлены результаты комплексных полевых и лабораторных исследований грунтов (глина полутвёрдая) лесовозного автозимника в Большемуртинском районе. Выполнено численное моделирование нестационарной динамики промерзания в программе FROST 3D с использованием метода конечных элементов для решения уравнения теплопроводности с фазовым переходом вода–лёд (метод эффективной теплоёмкости). Модель учитывает теплофизические свойства грунта (λ = 1,25–1,58 Вт/(м·К); C = 2,08–2,34·10⁶ Дж/(м³·К)), переменные климатические факторы и теплоизолирующее влияние снега. Верификация модели по натурным данным ноября 2024 года показала расхождение не более 0,01 м и 5,6 % с аналитическим решением Стефана, подтвердив адекватность прогноза. Результаты. На основе верифицированной модели предложены и оценены два технологических мероприятия: частичное удаление снежного покрова (до высоты 2 см) и искусственное увлажнение верхнего слоя грунта (повышение влажности на 5 %). Получены регрессионные зависимости глубины промерзания от времени для различных сценариев (R² > 0,99). Моделирование показало, что очистка снега позволяет достичь необходимой для безопасного прохода лесовозных автопоездов (нагрузка 6 т/ось) глубины промерзания (более 0,23 м) на 10–12 суток раньше (к 25 ноября), а увлажнение – на 7–10 суток. Выводы. Разработаны технологические карты, учитывающие линейный характер объекта и удалённость от источников водоснабжения. Очистка снега рекомендуется в качестве основного мероприятия для всей трассы, а увлажнение – как вспомогательное для локальных проблемных участков. Обоснована экономическая целесообразность предложенных решений за счёт увеличения периода вывозки древесины и снижения простоев техники, что обеспечивает существенный экономический эффект для лесозаготовительных предприятий. Introduction. Lumber-hauling winter roads are a critically important component of the transport infrastructure of Siberia's forestry industries, enabling timber removal from remote areas. The efficiency of timber removal directly depends on the duration of the operational period and the road bearing capacity determined by the freezing depth of the soil foundation. In the harsh continental climate and significant snow cover conditions of the Krasnoyarsk Krai, there is a problem of slowed soil freezing, which delays the start of winter road operation. The purpose of this work is to develop and substantiate a set of technological measures aimed at increasing the load-bearing capacity of a winter-access logging road, based on numerical simulation of soil freezing processes using a complete mathematical formulation of the heat conduction problem. Materials and methods. The paper presents the results of comprehensive field and laboratory studies of soils (semi-solid clay) of a lumber-hauling winter road in the Bolshe-Murtinsky district. Numerical simulation of non-stationary freezing dynamics was performed using the FROST 3D software, employing the finite element method to solve the heat conduction equation with a water–ice phase transition (effective heat capacity method). The model accounts for the thermophysical properties of the soil (λ = 1.25–1.58 W/(m·K); C = 2.08–2.34·10⁶ J/(m³·K)), variable climatic factors, and the thermal insulation effect of snow. Model verification against field data from November 2024 showed a discrepancy of no more than 0.01 m and 5.6% compared to the Stefan problem analytical solution, confirming the adequacy of the forecast. Results.Based on the verified model, two technological measures were proposed and evaluated: partial snow removal (to a height of 2 cm) and artificial moistening of the topsoil layer (increasing moisture content by 5 %). Regression dependencies of the freezing depth on time for various scenarios were obtained (R² > 0.99). The modeling showed that snow clearing allows achieving the freezing depth (over 0.23 m) necessary for the safe passage of timber trucks (6 tons/axle load) 10–12 days earlier (by November 25th), while moistening achieves this 7–10 days earlier. Conclusion.Technological schemes were developed, considering the linear nature of the object and the remoteness from water supply sources. Snow clearing is recommended as the primary measure for the entire route, while moistening is suggested as an auxiliary measure for local problematic sections. The economic feasibility of the proposed solutions is substantiated through extending the timber removal period and reducing equipment downtime, which provides a significant economic effect for logging enterprises.