Разработка ученых ПНИПУ позволит строить рентабельные всесезонные дороги вместо ненадежных «зимников»

При этом самые ценные леса с наибольшими запасами древесины находятся как раз в труднодоступных регионах. Это создает порочный круг: богатейшие ресурсы остаются недоступными из-за отсутствия дорог, а их проектирование и возведение в таких условиях требует колоссальных затрат, не окупаемых при традиционных методах.

На протяжении десятилетий лесозаготовки целиком зависели от «зимников» — временных дорог, которые можно использовать только в морозы. Промерзший грунт становился прочным основанием, а реки и болота, скованные льдом, превращались в надежные переправы. Такой подход позволял достигать самых удаленных участков леса, сводя к минимуму затраты на транспортировку.

Однако климатические изменения сделали этот подход ненадежным. Наблюдается сокращение зимнего сезона на 15-20% по сравнению с показателями 30-летней давности. Учащающиеся оттепели и тающая вечная мерзлота в северных регионах делают эксплуатацию «зимников» не только непредсказуемой, но и опасной.

В результате возникла необходимость массово переходить с сезонных «зимников» на всесезонные дороги. Однако слабые заболоченные грунты, характерные для лесных регионов, не выдерживают тяжести лесовозов, быстро образуя глубокие колеи. Это не только ухудшает состояние дорог, но и катастрофически увеличивает стоимость перевозки.

Сегодня для укрепления грунта используют геосинтетику — это прочные материалы из синтетических полимеров, которые не гниют в земле и служат десятилетиями. Чаще всего это сетки или полотна, которые укладывают между слоями дороги. Когда по дороге проезжает тяжелая машина, эта прослойка работает как арматура — они распределяют давление колес на большую площадь, не давая щебню утонуть в мягком грунте и предотвращая образование колеи. Такое решение позволяет создавать устойчивые дорожные конструкции даже на сложных грунтах, что особенно важно в труднодоступных регионах с заболоченными землями или вечной мерзлотой.

Существующие методы расчета прочности и долговечности дорог с геосинтетикой устарели. Они используют формулы и прошлый опыт, но не могут точно предсказать, как будут взаимодействовать современные материалы со сложными грунтами. В результате инженер сталкивается с риском: либо заложить в проект избыточное количество материалов, сделав его неоправданно дорогим, либо, пытаясь сэкономить, спроектировать дорогу, которая не выдержит интенсивных нагрузок и быстро разрушится.

Решение предложили ученые ПНИПУ: они обучили нейронную сеть, которая способна с высокой точностью прогнозировать поведение дорожных конструкций, усиленных геосинтетическими материалами, на слабых грунтах. Эта разработка является уникальной — подобных систем для расчета конструкций дорожного полотна такого типа в мировой практике пока не существует.

На первом этапе исследователи создали подробную базу данных, проведя сотни виртуальных экспериментов с дорожными конструкциями. Для этого использовался метод компьютерного моделирования, который позволяет мысленно разделить дорожную конструкцию на множество мелких частей и точно просчитать ее поведение под колесами тяжелой техники.

Было протестировано множество различных комбинаций параметров — менялись свойства грунта, характеристики дорожных слоев, тип синтетического укрепляющего материала и величина транспортной нагрузки. После каждого виртуального испытания программа фиксировала два ключевых показателя: величину просадки дорожного покрытия и уровень напряжения в укрепляющем материале.

На втором этапе ученые обучили нейронную сеть, используя накопленные данные виртуальных экспериментов. Она принимает на вход 13 параметров дорожной конструкции и выдает два ключевых показателя: величину просадки полотна и напряжение в геосинтетическом материале.

— Результаты испытаний подтвердили высокую эффективность разработанной нейронной сети. Модель продемонстрировала стабильную точность прогнозирования на уровне 90,76% при погрешности менее 10%, что полностью соответствует требованиям для практического применения в дорожном строительстве. Проведенные тесты показали надежность работы системы - в ходе независимых запусков точность прогнозов сохранялась в диапазоне от 88,27% до 92,06%, — комментирует Владимир Клевеко, доцент кафедры автомобильных дорог и мостов ПНИПУ, кандидат технических наук.

Кроме того, нейросеть показывает, какие именно параметры больше всего влияют на прочность дороги. Оказалось, что ключевым фактором является прочность грунта — именно от него в первую очередь зависит, насколько быстро образуется колея и какая нагрузка ляжет на геосинтетическую сетку. Чтобы предотвратить эту проблему, наиболее важна толщина асфальтового покрытия, а для долговечности самой сетки — ее жесткость.

В будущем ученые планируют запатентовать программное обеспечение, что станет важным шагом для его внедрения в практику проектирования. Разработанная методика позволит значительно ускорить этот процесс — время расчета сокращается, при этом пропадет необходимость в дорогостоящем специализированном программном обеспечении. Это дает проектировщикам и лесопромышленным компаниям доступный инструмент для создания надежных всесезонных дорог на слабых грунтах. В результате значительно снижается стоимость строительства и повышается рентабельность освоения удаленных лесных массивов. В конечном счете, снижение логистических издержек положительно скажется на себестоимости всей лесной продукции — от строительных материалов до бумаги и мебели.

Эта разработка является уникальной — подобных систем для расчета конструкций дорожного полотна такого типа в мировой практике пока не существует.

Статья опубликована в сборнике материалов Международного лесного форума «Лесное хозяйство в условиях глобальных вызовов: новые парадигмы устойчивого развития».

Фото: pinterest.com