Численное исследование влияния параметров грунта на осевую выдергивающую несущую способность новых круговых винтовых свай для фотогальванических установок

Более прочные опоры для солнечных панелей при ветре

По мере того как солнечные электростанции занимают поля и пустыни, их металлические опоры должны противостоять сильным ветрам, стремящимся вырвать их из земли. Инженеры начали применять новый тип спирального стального фундамента — так называемые круговые винтовые сваи — для закрепления опор фотогальванических конструкций, но роль разных типов грунта в их работе оставалась не до конца понятной. В этом исследовании с помощью компьютерного моделирования разобраны ключевые свойства грунта, которые определяют выдергивающую прочность этих специальных свай, что дает рекомендации для более безопасных и надежных солнечных установок по всему миру.

Новый тип спирального фундамента

Традиционные спиральные сваи выглядят как стальной стержень с одной или несколькими плоскими лопастями, напоминающими гигантский винт. Круговая винтовая свая заменяет отдельные лопасти непрерывной спиральной поверхностью, оборачивающейся вокруг стержня. Эту форму можно скручивать сильнее или слабее и монтировать вращением, вдавливанием или их комбинацией. Полевые проекты в Японии, Китае и Южной Корее показали, что круговые винтовые сваи могут нести значительно большие вертикальные нагрузки как на сжатие, так и на выдергивание по сравнению с простыми прямыми сваями. Тем не менее большинство предыдущих исследований проводилось в лабораторных песочных резервуарах, поэтому оставались вопросы о том, как реальные грунты с глиной, сцеплением и переменной жесткостью влияют на их работу.

Виртуальные испытания в реалистичном грунте

Чтобы изучить эти вопросы, авторы создали детальную трехмерную компьютерную модель одной круговой винтовой сваи в окружении грунта. Они использовали промышленное программное обеспечение, моделируя стальную сваю как упругое тело, а грунт — как распространенную геотехническую модель, учитывающую и прочность, и деформацию. Смоделированную сваю устанавливали, а затем поэтапно тянули вверх, воспроизводя полноразмерные полевые испытания, проведенные в вулканическом пепле и морской глине. При сравнении рассчитанных кривых нагрузка — перемещение с семью наборами полевых измерений соответствие оказалось близким, что подтверждает, что виртуальная свая вела себя как реальная.

Как свая мобилизует свою прочность

И испытания, и симуляции показали, что выдергивающее сопротивление не достигает резкого пика с последующим спадом. Вместо этого сила, необходимая для продолжения выдергивания, возрастает плавно по мере подъема головы сваи, при этом скорость увеличения постепенно замедляется. Резкой точки разрушения не наблюдается. С точки зрения проектирования это означает, что предельную несущую способность нельзя определить по единовременному максимальному значению: её нужно задавать через согласованные уровни перемещения или прибегать к аппроксимации кривой. Исследование рассмотрело несколько практических подходов и установило, что когда свая достигает своего предельного состояния, вертикальное смещение у головки составляет примерно одну десяту диаметра сваи. Нагрузка при этом смещении близка к значению, получаемому распространенным методом пересечения кривых, поэтому принятие силы при одной десятой диаметра в качестве предельной выдергивающей способности является разумным приближением.

Какие свойства грунта важны в первую очередь

После валидации модели исследователи систематически варьировали ключевые параметры грунта в пределах реалистичных значений для площадок солнечных ферм. Они изменяли жесткость грунта, величину латерального сокращения при сжатии (коэффициент Пуассона/латеральную компрессию), внутреннее сцепление, угол внутреннего трения и шероховатость контакта между сваей и грунтом. Для каждого варианта свая тянулась до нескольких уровней смещения, и регистрировалась сопротивляющая сила. Во всех сценариях более прочный или более жесткий грунт всегда увеличивал выдергивающую несущую способность. Однако не все параметры были одинаково значимы. Используя несколько дополняющих друг друга методов чувствительности, включая простое изменение одного параметра, структурированные планы испытаний и статистические меры сходства, авторы последовательно выявили, что доминирующим фактором является сцепление грунта, затем идут жесткость и угол внутреннего трения. Латеральная сжимаемость и прямая шероховатость контакта сваи‑грунт имели гораздо меньшее влияние.

Рекомендации для более надежных фундаментов солнечных установок

Проще говоря, работа показывает, что круговые винтовые сваи надежнее удерживаются в грунте, когда сам грунт хорошо сцеплен и достаточно жесток, а их предельная прочность достигается после умеренного, но не незначительного подъема. Для инженеров, проектирующих опоры для фотоэлектрических систем, результаты указывают, какие испытания грунта имеют наибольшее значение, и предлагают практическое целевое смещение, которое может заменить более сложное определение разрушения. Сосредоточившись сначала на сцеплении, затем на жесткости и трении, а остальные параметры рассматривая как второстепенные, проектировщики смогут лучше управлять неопределенностью в условиях грунта и эффективнее использовать этот перспективный тип свай при расширении солнечной энергетики.

Цитирование: Wang, K., Zhang, R., Yasufuku, N. et al. Numerical investigation of soil parameter effects on the axial uplift bearing capacity of novel photovoltaic circular helicoid piles. Sci Rep 16, 15641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46197-3

Ключевые слова: круговая винтовая свая, выдергивающая несущая способность, фундаменты для фотоэлектрических установок, чувствительность к параметрам грунта, метод конечных элементов