В ПНИПУ создали сваи, которые не выталкиваются при морозном пучении грунта
Коническую сваю для мерзлых грунтов, которая требует при изготовлении на 40% меньший объем материала, и при этом на 30% надежнее традиционных цилиндрических аналогов, разработали ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 7 октября сообщает пресс-служба вуза.
Для слабых грунтов, болотистых, пучинистых и др., где классические — ленточные или плитные — типы оснований не справляются со своей задачей поддержки зданий и сооружений, лучшим решением является использование свайных фундаментов. Широкое применение такие фундаменты находят в регионах с сезонным промерзанием почвы из-за ее морозного пучения.
Однако такое пучение приводит к постепенному выдавливанию опор, что в конечном итоге может вызвать деформацию и привести к разрушению конструкций. Применяемые в настоящее время меры защиты от этого явления не всегда эффективны. Так, утепление не спасает в сильные морозы, дренаж не может снять давление льда, а замена грунта — слишком дорогая операция.
Фундамент на сваях применяют везде, где требуется максимальная устойчивость и надежность — при строительстве многоэтажных зданий, промышленных объектов, мостов, а также в регионах с повышенной сейсмоактивностью.
Основная задача сваи — проникнуть через неустойчивые верхние слои земли в глубокие плотные пласты и там закрепиться, чтобы обеспечить стабильность всей конструкции. Однако морозное пучение почвы в условиях ее сезонного промерзания создает серьезные проблемы.
В холодную погоду вода в почве замерзает и, расширяясь, оказывает со всех сторон мощное давление на опорные столбы. Лед как бы выталкивает свайный столб вверх. В результате зимой свая приподнимается, а весной опускается, но не до конца, не вставая полностью на прежнее место.
Поскольку такой процесс повторяется ежегодно, то постепенно в сооружениях накапливаются деформации, которые со временем могут вызвать перекос фундамента и затем разрушение.
Свая, которую разработали ученые Пермского Политеха, в своей верхней части имеет форму конуса, расширяющегося книзу. Если сваю-столб легко вытащить, как гвоздь, то с новой формой свая работает как якорь. Чем сильнее мерзлая почва давит на нее, тем плотнее ее коническая часть цепляется за землю, создавая силу, которая тянет сваю вниз и удерживает ее от подъема.
Пермские ученые, чтобы определить наиболее эффективную и одновременно экономичную форму такой сваи, применили сложное математическое моделирование и метод множителей Лагранжа.
Доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ, кандидат технических наук Ольга Третьякова рассказала об этом:
«Для эффективного противодействия выталкивающим силам мы провели оптимизацию двух основных параметров опоры. В результате установлено, что радиус верхнего основания конической части 0,139 метра обеспечивает сопоставимую устойчивость при пучении по сравнению с традиционными сваями диаметром 0,3–0,4 метра. Высота конуса составила 1,2 метра, что соответствует условиям устойчивости в талом и мерзлом грунте».
Исследователи ПНИПУ добились оптимального сочетания геометрических параметров нового типа свай. Сохраняя стандартную высоту, они значительно уменьшили диаметр основания без снижения несущей способности. Это позволило им получить максимальный защитный эффект при снижении объема материала до 0,642 м³ на одну сваю, добившись таким образом значительного снижения материалоемкости за счет оптимального размещения массы и рациональной геометрии.
Чтобы проверить эффективность выбранных параметров, ученые выполнили математическое моделирование работы опоры для условий, максимально соответствующих реальным.
«Расчеты показали, — дополнила свой рассказ Ольга Третьякова, — что новая конструкция снижает объем необходимого для изготовления материала почти на 40% при одновременном повышении несущей способности. При этом оптимальная геометрия обеспечивает равномерное распределение нагрузок по всей длине сваи и противостоит выталкиванию. А рациональный подход при их производстве приводит к значительной экономии без потери прочности».
Результаты исследования разработанной конструкции были представлены в статье «Сваи с верхним обратным конусом, оптимизированные по объему», опубликованной в журнале Construction and Geotechmics, т. 16 № 3, 2025 год.
Поскольку новые сваи надежнее традиционных цилиндрических опор почти на 30% в зависимости от степени пучинистости грунта, строители смогут снизить стоимость фундамента, одновременно увеличив срок службы фундамента и упростив его монтаж.
Для строительных компаний использование этих свай даст надежность без переплаты, а для жителей — повысит безопасность зданий и сооружений. Сваи новой конструкции будут особенно полезны при строительстве объектов на Крайнем Севере, в зоне вечной мерзлоты.
