Новая расчётная модель учитывает разное сопротивление грунта по обе стороны сваи при проходке соседнего тоннеля

Китайские исследователи предложили усовершенствованный метод расчёта воздействия тоннельной проходки на существующие свайные фундаменты. В отличие от традиционных моделей, новый подход отдельно учитывает взаимодействие сваи с грунтом со стороны строящегося тоннеля и с противоположной стороны. Для определения характеристик грунтового сопротивления могут использоваться результаты статического зондирования CPT. Сопоставление с центрифужным экспериментом показало более высокую точность предложенной модели по сравнению с распространённым методом, в котором применяется единая грунтовая пружина.

Результаты исследования опубликованы в пятом номере журнала Soils and Foundations за 2026 год. Авторами работы стали Минцюнь Чжу, Хунцзян Ли, Сунъюй Лю, Лиюань Тун и Чаочжэ Чжан.

Исследование посвящено одной из основных проблем строительства тоннелей в условиях плотной застройки — прогнозированию дополнительных перемещений и усилий в существующих свайных фундаментах.

Во время подземной проходки изменяется напряжённо-деформированное состояние окружающего грунта. На него влияют выемка грунта, поддержание забоя, деформации тоннельной обделки и другие технологические процессы.

Возникающие перемещения могут передаваться соседним сваям, вызывая дополнительные изгибающие моменты, поперечные силы и горизонтальные смещения.

Для оценки такого воздействия в инженерной практике используются различные расчётные подходы.

Один из распространённых методов представляет собой двухэтапный анализ.

На первом этапе определяются перемещения грунтового массива, вызванные строительством тоннеля.

На втором эти перемещения используются для расчёта реакции свайного фундамента с учётом взаимодействия сваи и окружающего грунта.

Подобная схема позволяет разделить сложную задачу тоннельной проходки и расчёт поведения существующего фундамента.

Однако при определении сопротивления грунта часто применяется упрощённая механическая модель.

Сваю представляют в виде балки, опирающейся на систему грунтовых пружин. Пружины характеризуют сопротивление массива поперечному перемещению элемента.

В традиционной постановке сопротивление с обеих сторон сваи может описываться одним и тем же параметром жёсткости.

Такое допущение удобно для вычислений, но не всегда соответствует действительной механике взаимодействия.

При проходке тоннеля грунт со стороны выработки испытывает изменение напряжений и перемещений, отличающееся от состояния массива с противоположной стороны сваи.

На стороне, обращённой к тоннелю, возможна разгрузка грунта и изменение условий мобилизации бокового сопротивления.

С противоположной стороны грунтовый массив может оказывать иное сопротивление поперечному смещению сваи.

Поэтому одинаковое описание контакта с двух сторон не позволяет в полной мере воспроизводить фактическую работу системы.

Авторы нового исследования предложили использовать две самостоятельные системы грунтовых пружин.

Одна характеризует взаимодействие сваи с грунтом на стороне, обращённой к тоннелю. Другая описывает сопротивление на противоположной стороне.

В оригинальной работе эти стороны рассматриваются через различие активного и пассивного взаимодействия.

Такое разграничение позволяет отдельно задавать жёсткости и учитывать несимметричное распределение грунтового сопротивления при развитии перемещений.

Главное отличие новой схемы состоит не в увеличении количества расчётных элементов как таковом, а в более точном описании физического механизма передачи нагрузок.

Когда грунт перемещается вследствие тоннельной проходки, его взаимодействие со сваей зависит от направления относительного смещения.

При определённых направлениях движения может преобладать передача воздействия от грунта к свае, а при других — сопротивление массива перемещению самой сваи.

В традиционной симметричной модели подобные различия частично теряются.

Двухпружинная постановка позволяет анализировать реакцию сваи с учётом неодинаковых условий контакта по противоположным сторонам элемента.

Отдельное внимание исследователи уделили определению жёсткости грунтовых пружин.

Это один из наиболее сложных вопросов при использовании расчётных моделей взаимодействия сваи с грунтом.

Жёсткость не является универсальной константой. Она зависит от напряжённого состояния массива, характеристик грунта, геометрии сваи и уровня деформаций.

При назначении параметров только на основе обобщённых табличных значений может возникать значительная неопределённость.

Авторы предложили способы определения характеристик пружин с использованием результатов статического зондирования CPT.

Статическое зондирование позволяет получать непрерывную по глубине информацию о сопротивлении грунтов проникновению зонда.

В зависимости от состава оборудования регистрируются сопротивление конуса, трение по боковой поверхности и другие показатели, используемые для интерпретации инженерно-геологического разреза.

Полученные данные широко применяются при оценке характеристик грунтов и расчётах свайных оснований.

Включение результатов CPT в двухпружинную модель позволяет связать расчётные параметры с фактическими измерениями на строительной площадке.

При этом сопротивление конуса не является непосредственным измерением жёсткости горизонтальной грунтовой пружины.

Для перехода от результатов зондирования к расчётным параметрам необходимы соответствующие зависимости и допущения.

Поэтому точность расчёта зависит от применённой методики интерпретации CPT и её соответствия инженерно-геологическим условиям.

Для проверки предложенного решения исследователи использовали результаты центрифужного эксперимента.

Центрифужное моделирование позволяет воспроизводить напряжённое состояние грунта в уменьшенной физической модели посредством увеличения действующего ускорения.

Это особенно важно для геотехнических задач, поскольку свойства и характер деформирования грунтов зависят от уровня напряжений.

Используя данные центрифужного испытания, авторы сопоставили расчётные результаты с наблюдаемой реакцией свай при воздействии, связанном с тоннельной проходкой.

Дополнительно было выполнено сравнение с традиционным двухэтапным методом, предусматривающим единую систему грунтовых пружин.

По опубликованным результатам, двухпружинная схема обеспечила более точное воспроизведение поведения свайного фундамента.

Это подтверждает значение раздельного описания взаимодействия грунта со стороны тоннеля и с противоположной стороны.

Однако открытая аннотация не содержит конкретных процентных значений уменьшения расчётной ошибки.

Поэтому утверждать, что метод повысил точность на определённую величину, без полного