Большинство современных домов стоит на свайных фундаментах, которые представляют собой конструкцию из глубоко погруженных в грунт столбов-свай, передающих нагрузку от здания на плотные подземные слои почвы. Такой фундамент особенно востребован на слабых, болотистых и пучинистых грунтах, где традиционные ленточные или плитные основания неэффективны. Его применяют при строительстве многоэтажек, промышленных объектов, мостов и в сейсмически активных регионах — везде, где требуется максимальная устойчивость и надежность.
Основная его задача — пройти через неустойчивые верхние слои земли и закрепиться в глубоких плотных пластах, обеспечивая стабильность всей конструкции. Однако в условиях сезонного промерзания возникает серьезная проблема — морозное пучение. Это природное явление, при котором вода в почве замерзает, расширяется и создает мощное давление, действующее на опорные столбы со всех сторон. Лед буквально цепляется за боковые поверхности и тянет их вверх, словно пытаясь выдернуть столб из земли. Этот процесс повторяется ежегодно: зимой свая приподнимается, весной опускается, но не возвращается полностью на место. Постепенно в сооружениях происходят деформации, что в конечном итоге может привести к перекосу фундамента и разрушению.
Современные методы защиты показывают ограниченную эффективность, поскольку воздействуют только на отдельные аспекты проблемы. Утепление свай замедляет промерзание окружающего грунта, но не обеспечивает защиту при экстремально низких температурах. Дренажные системы способны отводить грунтовые воды, но не могут нейтрализовать давление уже образовавшегося льда на боковые поверхности опоры, а полная замена пучинистого грунта требует высоких затрат.
Ученые Пермского Политеха впервые разработали сваю, верхняя часть которой имеет форму конуса, расширяющегося книзу. Если традиционный аналог похож на гвоздь, который легко вытащить, то новая разработка работает как якорь: чем сильнее мерзлая почва пытается ее вытеснить, тем плотнее ее коническая часть цепляется за землю.
Представьте, что вы пытаетесь вытащить из земли не гладкий столб, а конструкцию с «плечами». Когда грунт замерзает и пытается вытолкнуть опору вверх, эти «плечи» (наклонные поверхности конуса) упираются в промерзшую землю и создают силу, которая тянет ее вниз. Пучащийся грунт оказывает давление на наклонную поверхность конуса и удерживает сваю от подъема. Тем не менее, чтобы найти идеальную, самую эффективную и при этом экономичную форму, ученые использовали сложное математическое моделирование и метод множителей Лагранжа.
— 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. Однако ключевое отличие заключается в оптимальном сочетании характеристик: при стандартной высоте мы получаем значительно уменьшенный диаметр основания при сохранении несущей способности, — рассказала Ольга Третьякова, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Оптимизация этих параметров позволила достичь максимального защитного результата при сокращении объема материала до 0,642 м³ на одну сваю. Это означает, что при неизмененных всех прочностных показателей и стандартной высоты опоры ученым удалось значительно снизить материалоемкость за счет оптимального размещения массы и рациональной геометрии.
Для проверки эффективности решения исследователи провели математическое моделирование работы опоры в условиях, максимально приближенных к реальным.
— Расчеты показали, 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, — рассказала Ольга Третьякова.
Эти инженерные преимущества напрямую влияют на практические аспекты строительства. Данная свая надежнее традиционных цилиндрических опор почти на 30% в зависимости от степени пучинистого грунта. Это позволяет снизить стоимость фундамента, увеличить срок службы и упростить монтаж. Для компаний такое решение означает надежность без переплаты, а для жителей — безопасность зданий и сооружений. Подход особенно важен для объектов на Крайнем Севере, в зоне вечной мерзлоты, обеспечивая защиту без дополнительных затрат на дорогостоящие материалы и технологии.
Статья опубликована в журнале Construction and Geotechmics. Исследование выполнено в рамках реализации программы академического стратегического лидерства «Приоритет 2030».