Транспортное освоение Северных территорий Российской Федерации затруднено из-за особенностей инженерно-геологических условий, в частности заболоченности и вечной мерзлоты, влияющих на строительные свойства грунтов. Строительство капитальных дорог не целесообразно по причине низкой финансовой отдачи и высоким затратам на их возведение. Возможным решением этой проблемы является использование технологий возведения временных зимних дорог из снега (ВЗДиС).
Снег используется при возведении ВЗДиС как доступный, относительно дешёвый и естественный материал. При строительстве инженерных сооружений, снег можно рассматривать, как строительный материал при этом необходимо учитывать его свойства, для получения дорожного полотна с требуемыми конечными характеристиками.
Плотность снега является одним из основных показателей, поскольку определяет значительную часть его физико-механических свойств. К значимым физическими свойствам снега, кроме плотности, и прочности относятся: стратиграфия, влажность, твердость, термические свойства снега.
Перечисленные свойства снега оказывают решающее влияние на его пластичность, деформационные качества, прочность и др., определяют выбор методов воздействия на снежную массу с целью получения требуемых прочностных значений созданного инженерного сооружения.
Снег является упруго-вязкопластичной релаксирующей средой с ярко выраженными диссипативными свойствами. Целинный снег представляет собой конгломерат из кристаллов льда, множества межпространственных пор, образуя вместо однородного материала сложную микроструктуру.
В момент плавления жидкая фаза может частично заполнить поровое пространство, концентрируясь возле точек контакта между ледяными зернами, из этого следует, что в целом, все три фазы воды могут сосуществовать в снеге одновременно (см. рис. 1). Таким образом, температура снега почти всегда рядом с его температурой плавления, поэтому снег на земле находится в состоянии непрерывной трансформации, известной как метаморфизм. При этом можно выделить два вида насыщения снега влагой: маятниковый режим, при котором вода занимает не более 14% объема пор, а воздушные пустоты, расположенные внутри снега, сообщаются друг с другом, и фуникулярный режим, в котором жидкая фаза занимает более 14% порового пространства, ограничивая его отдельными пузырьками[6].
Рисунок 1. Тройная точка фазовых переходов воды I – лед; II – вода; III – водяной пар
От изменения температуры и давления зависит переход воды из одной фазы в другую. По границам фаз воды (II- жидкая фаза), льда (I- твердая фаза) и водяного пара (III- газообразная фаза) идут линии равновесия фаз, кривая «AC» описывает равновесие между твердой и жидкой фазами, равновесие между газообразной и жидкой фазами характеризует кривая «AB»,«DA»-в равновесии между твердой и газообразной фазами. Кривая «FA» - показывает, что при нормальном атмосферном давлении вода может переохладиться, до некоторого отрицательного значения температуры не кристаллизируясь, способность принимать температуру ниже точки плавления льда характеризует такое свойство воды как переохлаждение. Метастабильное состояние воды (переохлажденное) - состояние в котором процесс перехода из жидкой фазы в твердую, продолжается до тех пор, пока не превратится в лед вся жидкость, либо прекратится переохлаждение.
Равновесие является динамическим поскольку количество образующихся молекул вещества, находящихся в одной фазе численно равно количеству молекул, образующихся в другой фазе на кривых «DA», «AC» и «AB». Все три линии равновесий пересекаются в одной точке «A», носящей название тройной точки. Давление в точке «А» составляет 611 Пa, температура 273,16°C.
Уравнением Клапейрона—Клаузиуса описывается фазовый переход:
где 
- температура, указывает температуру плавления, испарения, и сублимации соответственно для каждой кривой;
- удельная теплота процессов сублимации испарения и плавления;
–изменение удельных объемов при переходе в различные фазы. Учитывая условие равновесия в снеге как в гетерофазной системе необходимо чтобы кристаллы, поры и жидкая фаза имели одинаковое количество свободной энергии на единицу массы, при этом изменение свободной энергии на единицу массы должно быть равно для всех составляющих.
Влажность снега указывает на количественное содержание в нем жидкой водной фазы в процентном отношении через объем(
) или массу(
), при этом учитывая плотность. Жидкая фаза, содержащаяся в снежной массе, присутствует в виде водяной пленки на границах кристаллов льда.
Для определения технологических параметров машин для строительства ВЗДиС снег классифицирован по количеству объемной доли содержания жидкой фазы 
в снеге (таблица 1).
Таблица 1
Содержание жидкой фазы в снеге
|
Название |
Индекс влажности |
Аббревиатура |
Описание |
Объемная доля, % |
|
|
Диапазон |
Среднее |
||||
|
Сухой |
1 |
D |
Обычно, температура ниже нуля, но возможно и при температуре выше нуля. Зерна снега имеют незначительную тенденцию к слипанию, когда прижаты друг к другу. |
0 |
0 |
|
Влажный |
2 |
M |
Вода не видна. При легком измельчении видна тенденция кристаллов к слипанию друг друга. |
0-3 |
1,5 |
|
Мокрый |
3 |
W |
Распознается мениск между соседними кристаллами при 10х увеличении, но при сжатии такого снега рукой вода не проступает на поверхности(маятниковое положение) |
3-8 |
5,5 |
|
Очень мокрый |
4 |
V |
Вода может проступить на поверхность при умеренном сжатии в руке, заметно количество воздуха ограничено в порах (фуникулерный режим). |
8-15 |
11,5 |
|
Пропитанный |
5 |
S |
Снег пропитанной водой и содержит объемную долю воздуха от 20 до 40% (фуникулерный режим). |
>15 |
>15 |
Предложенная классификация по содержания жидкой фазы в снегу, позволит обосновать выбор рабочих параметров строительных машин, в частности величину внешней нагрузки, технологическую скорость возведения ВЗДиС, для достижения требуемых характеристики создаваемого дорожного полотна.
По существующей технологии строительства ВЗДиС в насыпи рекомендуется производить уплотнение снежной массы при влажности в диапазоне 3-14%, в случае не соответствия свойств снега указанному диапазону необходимо увеличить влажность путем внесения тепла или воды. Строительные организации, выполняющие возведение ВЗДиС не располагают специализированной техникой для увлажнения снега. Целесообразным видится создания конструкции самоходных устройств или специализированных машин для увлажнения снега обеспечивающих одновременное выполнение двух технологических операций перемешивание и увлажнение одной машиной за один проход, тем самым сокращается время на подготовку к строительству снеголедовой дороги[5].
Указанный результат можно достичь за счет того, что устройство для увлажнения снега представляет собой самоходную машину, движение которой осуществляется посредством шнекороторного движителя, состоящего из полых цилиндров, на которые навито клиновидное резьбовое ребро. На поверхности шнеков имеются отверстия, через которые подается пар для увлажнения снега вырабатываемый парообразующим устройством. Парообразующее устройство может быть любого вида и конструкции. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увлажнение снега с одновременным перемешиванием ходовым оборудование при движении по снежному полотну.
Рецензенты:
Захаров Н.С., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Сервис автомобилей и технологических машин», ФГБОУ ВПО «Тюменский Государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.
Тарасенко А.А., д.т.н., профессор, директор Регионального отделения Ассоциации инженерного образования России, ФГБОУ ВПО «Тюменский Государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.