Исследование изгибных испытаний и модифицированный расчет изгибной прочности гибридных трубчатых свай

Более прочные фундаменты для повседневных сооружений

Мосты, порты и высотные здания опираются на глубокие фундаменты, скрытые под землей. Многие из этих оснований представляют собой полые бетонные колонны — трубчатые сваи, которые должны выдерживать не только вертикальную нагрузку, но и боковые силы от ветра, волн и землетрясений. В этой работе исследуется практический способ сделать такие заглубленные опоры более гибкими при изгибе, чтобы они не ломались внезапно, и предлагается уточненный метод для инженеров по расчету предельной изгибной нагрузки.

Почему некоторые сваи трескаются и выходят из строя

В современных проектах часто используют преднапряженные высокопрочные бетонные (PHC) трубчатые сваи. Эти полые трубы центрифугируют на заводе, что делает бетон плотным и прочным, затем в них натягивают высокопрочные стальные проволоки, создающие сжатие. Это делает их очень эффективными при восприятии вертикальных нагрузок. Однако при сильных боковых воздействиях PHC-сваи могут давать трещины и даже разрушаться, особенно у поверхности земли, где изгиб наиболее интенсивен. Эта уязвимость ограничивала их применение в некоторых ответственных проектах, таких как глубокие котлованы или сейсмические зоны, где важны и прочность, и пластичность.

Добавление дополнительной стали, чтобы сваи были более «прощающе»

Чтобы решить эту проблему, исследователи испытали новый тип свай: преднапряженные армированные бетонные (PRC) трубчатые сваи. Эти сваи сохраняют исходные преднапряженные проволоки, но добавляют кольцо обычной арматуры внутри бетонной стенки. В лаборатории они сравнили четыре PRC-сваи с двумя традиционными PHC-сваями, все длиной по девять метров и изготовленные из очень высокопрочного бетона. Испытания выполняли поэтапным изгибом в контролируемых условиях, фиксируя появление первых трещин, отслеживая их распространение и раскрытие, а также измеряя прогибы до отказа.

Как новые сваи ведут себя под нагрузкой

Разница в поведении оказалась очевидной. Сваи с дополнительной арматурой воспринимали на 36%—51% большую изгибающую нагрузку по сравнению с традиционными. Вместо нескольких широких трещин PRC-сваи развивали множество более тонких трещин, которые оставались относительно узкими, что показывает: добавленная сталь складывает бетон и принимает часть растяжения. Они также прогибались сильнее до разрушения, что означает большую поглощенную энергию и более заметные предупреждающие признаки перед отказом, а не внезапный перелом. Увеличение диаметра добавочной арматуры давало дополнительный прирост характеристик, слегка повышая как максимальный изгибающий момент, так и предельный боковой прогиб, которые сваи могли выдержать.

Переосмысление инженерных расчетов

Правила проектирования для таких свай зависят от того, какая часть бетонного сечения находится в состоянии сжатия, когда свая приближается к разрушению. Существующие формулы оценивают эту сжатую зону и затем предсказывают предельную изгибную прочность. Но предыдущие эксперименты показали, что расчетные прочности для гибридных свай часто уступают фактическим величинам, выявляемым в испытаниях, что делает проектирование чрезмерно консервативным и ведет к перерасходу материалов. В данном исследовании команда напрямую измеряла деформации в бетоне во время изгибовых испытаний и использовала эти данные для определения реальной высоты сжатой зоны. Затем они сравнили полученные значения с теоретическими и ввели новый коэффициент, обозначенный η, чтобы лучше соотнести реальную сжатую область с тем, что предполагают формулы.

Более точные прогнозы для безопасного и экономичного проектирования

Построив простую зависимость между η и существующими параметрами сжатия, авторы модифицировали стандартную формулу для расчета предельной изгибной несущей способности гибридных трубчатых свай. При проверке этой уточненной формулы на 95 испытанных сваях из их работы и предыдущих исследований улучшенная версия показала лучшее согласование с экспериментами и меньший разброс результатов, при этом сохранив комфортный запас прочности. Для непрофессионала это означает, что инженеры могут проектировать более стройные и эффективные сваи, остающиеся безопасными при экстремальном изгибе, что потенциально позволяет экономить бетон и сталь без ущерба надежности. Сочетание дополнительной арматуры и более точных методов прогнозирования приближает нас к фундаментам, которые не только прочны, но и более устойчивы и выносливы, когда природа или человеческая деятельность испытывают их на прочность.

Цитирование: Liu, X., Men, S., Wang, W. et al. Research on bending tests and modified calculation of flexural strength for hybrid reinforced pipe piles. Sci Rep 16, 8241 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38392-z

Ключевые слова: трубчатые сваи, бетонные фундаменты, структурный изгиб, проектирование армирования, структурная пластичность