Analysis of soil bearing capacity

Inom skogsbruket används skotare för att transportera timmer från skogen. Av miljöskäl är det viktigt att spåren i marken efter dessa fordon inte blir för djupa. Ytterligare en anledning till att spåren inte får bli för djupa är att skotaren då kan köra fast vilket får negativa ekonomiska konsekvenser. För att undvika de spår som uppstår planeras skogsmaskinernas rutter. Planeringen förutsätter en modell som förutsäger spårdjup och framkomlighet baserat på markens bärighet och fordonsparametrar. En sådan modell är den så kallade WES-modellen. Den utvecklades på 1960-talet av amerikanska armén som ett hjälpmedel för att bedöma framkomligheten för terränggående fordon. Modellen har tillämpningar inom skogsbruket och bygger på att markens bärighet mäts med ett konpenetrometertest. Testet innebär en registrering av motståndskraften för en kon med bestämda dimensioner när denna trycks ned i marken. I arbetet genomfördes en litteraturstudie om bärigheten hos mark, om interaktionen mellan hjul och mark samt hur grafiska användargränssnitt byggs i MATLAB. Därefter implementerades WES-modellen i ett MATLAB-program med grafiskt användargränssnitt. I programmet matas markens bärighet samt fordonsparametrar in och ger ett resultat i form av spårdjup samt framkomlighet. I arbetet användes fältdata från ett fältprov med skotare som genomfördes av SkogForsk i Tierp i september 2011. Ett test där markens bärighet och spårdjup mättes. Markparametrar, fordonsparametrar och spårdjup från detta test analyserades med det skapade MATLAB-programmet. De olika WES-modellerna överskattade kraftigt spårdjupet och uppvisade en stor spridning inbördes. De framräknade spårdjupen varierade mellan cirka 10 centimeter och mer än 40 centimeter när uppmätt spårdjup bara var ett par centimeter. Slutsatsen är att WES-modellen, som enbart bygger ett enkelt konpenetrometertest, inte är tillräckligt bra för att modellera kontakten mellan hjul och mark. Mera sofistikerade modeller, baserade på exempelvis finita elementmetoden, borde användas. Sådana modeller bör ta hänsyn till att marken är uppdelad i flera lager med olika egenskaper samt ta hänsyn till inverkan av vegetation, rötter, markfuktighet och temperatur i marken.Vehicles, such as forwarders, are utilized within forestry as a means of transport for timber. Environmental concern is an issue as the depths of the ruts these vehicles are allowed to leave behind is restricted. Another reason for avoiding deep ruts is the risk of immobilization of the forwarder, rendering it inoperable and thus resulting in negative economic consequences. To avoid deep ruts, planning of routes is required. It is essential for such planning to employ a reliable model predicting rut depths and mobility based on parameters regarding soil and the vehicle used. One such model is the WES-model, developed in the 1960s by the US Army, predicts mobility for off-road vehicles. The model has forestry applications and is based on a soil bearing capacity test, a so-called cone penetrometer test. In this test a cone with certain dimensions is pushed through the soil, while the resistance force is registered. A literature review covering the soil properties and the interaction between wheel and soil was performed. The WES-model was implemented in a MATLAB-program with a graphical user interface. The program returns predicted rut depth and mobility variables based on vehicle specifications and soil bearing capacity. In this study, data retrieved from a test with forwarders conducted by the Swedish Forestry Research Institute SkogForsk in the fall of 2011 in Tierp north of Stockholm was used. Soil parameters, vehicle specifications and rut depths from the test were analyzed in the constructed MATLAB-program. The model turned out to overestimate rut depths compared to actual depths. The predicted depths ranged from 10 to 40 centimeters whereas actual depth was no more than a few centimeters. Based on these findings it is concluded that the WES-model, based on a simple cone penetrometer test, is not a satisfactory model of the wheel-soil-interaction. Given the complex structure of forest soil, a more sophisticated model, for example based on the finite element method, should be used. It is vital that a model for this purpose takes into account the fact that forest soil is divided into several layers, as well as the influence of vegetation, roots, soil moisture and soil temperature