Ответ свободно-оголовочных сегментных свай с механическими соединениями на боковую нагрузку

Почему раздельные фундаменты важны для реальных сооружений

Многочисленные мосты, порты и высотные здания опираются на глубокие фундаменты — сваи, длинные колонны, вбиваемые в грунт. Более новый тип, сваи с механическими стыками, собирают из заводских сегментов, которые на месте защелкиваются друг с другом, что экономит время и материалы. Но когда ветер, волны или землетрясения сдвигают такие сваи в сторону, стыки могут немного раскрыться и изменить поведение всего фундамента. В этом исследовании поставлен практический вопрос: смогут ли сегментные сваи безопасно сопротивляться боковым силам и чем они отличаются от традиционных монолитных свай?

Новый вид штабелируемого фундамента

Сваи с механическими соединениями собираются из укороченных участков, которые стыкуются стальными соединителями и заранее выполненными отверстиями. Модульный подход упрощает транспорт и монтаж и может сократить отходы. При чисто вертикальных нагрузках предыдущие работы показали, что такие сваи ведут себя похоже на сплошные монолитные при условии целостности стыка. Боковая нагрузка иначе влияет на систему. При смещении оголовка сваи механический стык может немного повернуться, образовав крошечный зазор между сегментами. Эта дополнительная ротация нарушает плавную деформацию монолитной сваи и может сконцентрировать перемещения и усилия в области стыка. Тем не менее действующие правила проектирования мало описывают поведение таких сегментных свай, когда их основания не жестко зафиксированы в грунте — что часто встречается в мягких грунтах или при промывке донного слоя рек.

Превращая сложное поведение грунт–свая в решаемую математику

Чтобы разобраться в этом, авторы расширяют широко используемый подход проектирования, называемый m-методом, который рассматривает сваю как гибкий балочный элемент, опирающийся на пружины, моделирующие окружающий грунт. В рамках этой схемы они представляют боковую поддержку грунта как возрастающую с глубиной и решают получающиеся уравнения методом степенного ряда. Ключевая инновация — включение в модель вращательного «шарнира» в механическом стыке с заданным ограничением вращения. По мере роста боковой нагрузки свая проходит три стадии: сначала вращается верхний сегмент, в то время как нижний почти неподвижен; затем достигается критическое состояние, когда вращение стыка достигает своего предела; наконец, оба сегмента изгибаются совместно и распределяют усилия, когда стык «закрывается» и начинает передавать изгибающие моменты более полно.

Проверка теории с помощью компьютерных моделей

Затем исследователи создают детальную трёхмерную компьютерную модель методом конечных элементов, чтобы проверить, точно ли их упрощённые уравнения отражают реальное поведение. Они имитируют бетонную сваю из двух сегментов, соединённых вращательным соединителем, в однородном грунте и нагруженную сбоку вверху. Сопоставление расширенного m-метода с численными результатами показывает, что предсказанные боковые перемещения оголовка и его поворот отличаются менее чем примерно на 5–10 процентов. Сдвиговые усилия вдоль сваи также хорошо совпадают. Наибольшее расхождение — около 25 процентов — наблюдается для пикового изгибающего момента, величины, сильно чувствительной к локальным концентрациям напряжений вблизи стыка. Авторы считают, что такой уровень точности приемлем для предварительного проектирования и понимания общих тенденций, тогда как детальные проверки в зоне стыка всё же должны опираться на более детализированные численные модели или эксперименты.

Чем сегментные сваи отличаются от монолитных

Используя свою аналитическую модель, авторы сопоставляют механически стыкуемую сваю и обычную сплошную сваю одинаковой длины и диаметра, обе с свободными оголовками и в одинаковых грунтовых условиях. При одинаковой боковой нагрузке оголовок стыкуемой сваи смещается примерно на 30 процентов больше и поворачивается примерно на 55 процентов сильнее, чем у монолита. Проще говоря, расположенная сверху конструкция будет наклоняться сильнее. При этом максимальный изгибающий момент в стыкуемой свае примерно на 20 процентов меньше, а максимальная поперечная сила — около 17 процентов выше, причём обе вершины усилий смещаются ближе к поверхности грунта. Это означает, что стыкуемая свая в целом менее жёсткая, но изгибающие напряжения в её стержне могут быть уменьшены, что потенциально позволяет применять более тонкие или менее усиленные сечения при условии тщательного проектирования по срезу и надёжности стыка.

Что это значит для более безопасных и экологичных фундаментов

Для инженеров работа даёт практичный инструмент на формульной основе для оценки того, как свободно-оголовочные механически стыкуемые сваи будут деформироваться и перераспределять нагрузки с грунтом при боковых воздействиях. Для неспециалистов суть в том, что штабелируемые, заводские фундаменты могут работать надёжно, но они более гибкие и меняют места концентрации напряжений. Эта дополнительная гибкость может помочь снизить изгибающие напряжения, но повышает требования к сопротивлению срезу и к самому механическому стыку. Авторы подчёркивают, что их модель лучше применима при умеренных деформациях и однородных грунтах, и призывают к проведению физических испытаний и использованию более сложных моделей грунта для уточнения будущих разработок. Тем не менее исследование — шаг к фундаментам, которые не только легче и экологичнее строить, но и лучше понимаются при боковых нагрузках, которым подвергаются реальные сооружения.

Цитирование: Liu, T., Zhang, Q., Sun, C. et al. Response of free-headed segmental piles with mechanical joints to lateral loading. Sci Rep 16, 5991 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36214-w

Ключевые слова: сегментные сваи, механические соединения, боковая нагрузка, взаимодействие грунт–конструкция, проектирование фундаментов