Модельное экспериментальное исследование вертикальной несущей способности инъекционных свай после последующей заливки при использовании различных материалов

Более прочные опоры под нашими ногами

Современные города опираются на глубокие фундаменты — длинные колонны, называемые сваями, которые передают вес зданий, мостов и железных путей в глубь грунта. Но в песчаных грунтах, особенно при движении грунтовых вод, эти сваи со временем могут терять прочность. В этом исследовании рассматривается простая идея с большими последствиями: если после установки сваи вводить вокруг неё разные жидкие смеси, какая рецептура обеспечит лучшее сцепление грунта со сваей и сохранит тяжёлые сооружения более безопасными и устойчивыми?

Как инженеры укрепляют скрытые фундаменты

Исследователи сосредоточились на методе, известном как последующая инъекция (post-grouting). После установки сваи вдоль её боков прокладывают тонкие трубки, через которые в песок нагнетают водянистую цементную смесь. По мере затвердевания эта смесь формирует упрочнённую оболочку вокруг сваи, которая может принимать на себя большую часть нагрузки. Команда сравнила четыре такие смеси — обычный цемент, цемент с добавлением силиката натрия, смесь зольной пыли и цемента, а также более новый материал — геополимер — с несмонтованными сваями без инъекции. Они изготовили строго контролируемые маломасштабные сваи в большом стальном контейнере, заполненном песком, и в некоторых испытаниях имитировали естественный поток грунтовых вод через грунт.

Наблюдение: сваи несут большую нагрузку при меньшей осадке

Каждую модельную сваю поэтапно нагружали сверху, а приборы фиксировали её осадку и распределение сил вдоль длины. Все четыре инъецированные сваи выдерживали значительно большую нагрузку, чем неинъецированная, прежде чем появились признаки разрушения. Смеси из зольной пыли с цементом и геополимера почти вдвое увеличивали несущую способность сваи, тогда как обычный цемент увеличивал её более чем в три раза. Лидером стала смесь цемента с силиката натрия: её применение повышало несущую способность почти в пять раз по сравнению с голой сваей и обеспечивало плавные кривые нагрузки — осадки, то есть свая не погружалась внезапно при увеличении нагрузки.

Как грунт сцепляется со сваей

Измерения показали, что большая часть прироста прочности происходила не за счёт давления на конус сваи, а за счёт трения по её боковой поверхности. При инъекции силы падали быстрее от головки сваи к концу, что указывало на более активное вовлечение окружающего песка. В наилучшем случае среднее боковое сопротивление для смеси цемента с силиката натрия оказалось более чем в пять раз выше, чем у неинъецированной сваи. В условиях проточной воды эта двухжидкостная смесь имела явное преимущество перед обычным цементом: она быстрее схватывалась, меньше вымывалась и формировала более толстую и эффективную упрочнённую зону вдоль стержня.

Что происходит на уровне зерен

Чтобы понять, почему одни смеси работали лучше, команда вырезала образцы затвердевшего заполнителя и изучила их в сканирующем электронном микроскопе. Необработанные зерна песка выглядели с острыми краями и рыхло упакованными, с множеством пустот. После инъекции все смеси оставляли сети микроскопических кристаллов и гелей, которые склеивали зерна и заполняли поры. Смесь цемента с силиката натрия сформировала самую плотную сеть переплетённых продуктов, создавая плотно зафиксированную структуру. Геополимер также дал обильный связывающий материал, тогда как смесь с золой показала много не прореагировавших сфер зольной пыли, что указывает на ограничение прочности неполным отвердением.

Что это означает для практических проектов

Для неспециалистов вывод прост: инъекция подходящей жидкости вокруг свай может существенно повысить несущую способность и уменьшить осадку, даже в песчаных грунтах с движущейся водой. Хотя все испытанные составы давали положительный эффект, смесь цемента с силиката натрия выделялась быстрым схватыванием, прочным сцеплением и устойчивостью к вымыванию. Это подсказывает инженерам путь к более надёжным и потенциально более коротким или более тонким фундаментам — с сокращением материалов и затрат при повышении безопасности сооружений наверху.

Цитирование: Chu, C., Yi, T., Qin, Y. et al. Model test study on the vertical bearing performance of post-grouted piles based on different grouting materials. Sci Rep 16, 14635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44882-x

Ключевые слова: свайные фундаменты, укрепление грунтов, инъекционные материалы, песчаная почва, геополимер