Учёные разработали новый метод пересчёта результатов испытаний свай на реальные фундаменты

Исследователи Университета Лихай (США) предложили новый метод обработки результатов модельных испытаний свай, позволяющий точнее прогнозировать работу полноразмерных фундаментов при горизонтальном нагружении. Эксперименты показали, что традиционный пересчёт результатов лабораторных испытаний может давать существенные расхождения, если модельная и натурная сваи отличаются относительной жёсткостью системы «грунт — конструкция». В проведённых исследованиях среднеквадратическая ошибка сопоставления результатов для двух моделей свай превышала 25%, передает ASCE.

Результаты работы опубликованы 13 октября 2026 года в журнале Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Американского общества инженеров-строителей (ASCE). Исследование выполнили Касим Абу-Кассаб, Муханнад Сулейман, Ричард Саус и Джеймс Райклс.

Работа посвящена одной из фундаментальных проблем экспериментальной геотехники — переносу результатов исследований уменьшенных физических моделей на полноразмерные конструкции.

При лабораторных исследованиях свайных фундаментов нередко используют модели, размеры которых существенно меньше размеров реальных свай. Это позволяет проводить серию контролируемых экспериментов, варьировать параметры нагружения, характеристики грунта и жёсткость конструкции. Однако непосредственный перенос полученных зависимостей на реальные сооружения требует соблюдения условий подобия.

Особенно сложной эта задача становится при горизонтальном нагружении свай, когда их перемещения и распределение усилий определяются не только прочностью грунта, но и соотношением жёсткости самой сваи и окружающего грунтового массива.

Под действием горизонтальной силы свая взаимодействует с грунтом по всей длине заглублённой части. Характер этого взаимодействия зависит от геометрии и изгибной жёсткости сваи, её закрепления в грунте, нелинейной деформируемости основания и уровня приложенной нагрузки.

Даже при одинаковых характеристиках песка две сваи с различной жёсткостью могут демонстрировать разные зависимости между нагрузкой и горизонтальным перемещением.

Для сравнения результатов модельных и натурных испытаний применяются методы нормализации, при которых нагрузки, перемещения и другие характеристики представляются в безразмерном виде. В идеальном случае такое преобразование позволяет сопоставлять результаты испытаний конструкций разного масштаба.

Однако, как показали исследователи Университета Лихай, традиционные способы нормализации не всегда в достаточной степени учитывают различия относительной жёсткости сваи и грунта.

Для проверки этого предположения учёные организовали лабораторные испытания двух уменьшенных моделей жёстких свай в песчаном грунте.

Модели отличались соотношением диаметра и толщины стенки, что приводило к различию изгибной жёсткости конструкций и, соответственно, относительной жёсткости взаимодействующей системы «свая — грунт».

Испытания выполнялись в сопоставимых грунтовых условиях. Исследователи рассматривали работу свай при монотонном и циклическом горизонтальном нагружении. Такой подход позволил оценить не только непосредственную реакцию конструкции на приложение силы, но и изменение её поведения при повторяющихся воздействиях.

Полученные экспериментальные результаты были приведены к безразмерному виду с использованием распространённого способа нормализации горизонтального отклика жёстких свай.

При сравнении нормализованных зависимостей двух моделей среднеквадратическая ошибка (RMSE) превысила 25%.

Этот результат показал, что даже после стандартного приведения параметров к безразмерному виду существенные различия в реакции свай могут сохраняться.

Основной причиной исследователи считают несоответствие относительной жёсткости модельных конструкций. Иначе говоря, геометрического масштабирования и традиционной нормализации нагрузок и перемещений оказалось недостаточно для получения согласованных результатов.

Для решения этой проблемы авторы разработали модифицированный метод нормализации испытаний при нормальном земном ускорении свободного падения, обозначаемых как 1g-испытания.

Предложенный подход учитывает влияние относительной жёсткости сваи и грунта при пересчёте полученных в лаборатории зависимостей. Его основная задача заключается в повышении достоверности прогноза реакции полноразмерной конструкции на горизонтальную нагрузку.

При этом исследователи специально ограничивают область наиболее надёжного применения метода эксплуатационным диапазоном поведения свай, соответствующим сравнительно небольшим деформациям грунта и конструкции.

Это существенное обстоятельство. Работа свай при малых перемещениях и в условиях предельного нагружения может описываться различными закономерностями. Поэтому подтверждение точности нового подхода в эксплуатационном диапазоне не означает, что он автоматически применим для определения предельной горизонтальной несущей способности при больших деформациях.

Первоначальную проверку метода авторы выполнили на результатах лабораторных статических испытаний.

Затем возможность применения предложенной нормализации была рассмотрена для циклического горизонтального нагружения.

Дополнительно исследователи использовали опубликованные ранее результаты натурных испытаний свай и численное моделирование полноразмерных конструкций.

По заключению авторов, модифицированная нормализация обеспечила значительно лучшее согласование результатов по сравнению с традиционным подходом и повысила достоверность прогнозирования горизонтальных перемещений полноразмерных свай.

В опубликованной аннотации не приведено единого итогового процента снижения ошибки для всех рассмотренных случаев. Поэтому выявленное первоначальное расхождение более 25% нельзя интерпретировать как гарантированную величину повышения точности нового метода.

Практический интерес исследования связан с проектированием фундаментов сооружений, воспринимающих существенные горизонтальные воздействия.

К таким объектам относятся, в частности, фундаменты опор мостов, морских и портовых сооружений, отдельные виды энергетических объектов и конструкции, работающие под действием повторяющихся боковых нагрузок.

Физическое моделирование позволяет исследовать особенности взаимодействия свай с грунтом, но проведение полномасштабных испытаний часто связано со значительными затратами. Поэтому повышение достоверности пересчёта лабораторных результатов на натурные конструкции имеет самостоятельное инженерное значение.

Разработанный метод не отменяет необходимости полевых испытаний, инженерно-геологических исследований и расчётного обоснования проектных решений. Его следует рассматривать как инструмент повышения информативности модельных экспериментов при соблюдении установленных авторами условий применимости.

Особенность исследования заключается в том, что предложенный способ был не только сформулирован теоретически, но и проверен на лабораторных экспериментах, опубликованных натурных измерениях и численных моделях.

Таким образом, работа Университета Лихай показывает, насколько существенное влияние на интерпретацию испытаний свай могут оказывать различия относительной жёсткости грунта и конструкции. Учёт этого фактора позволяет улучшить сопоставимость модельных исследований и прогнозов поведения свайных фундаментов в эксплуатационном диапазоне нагрузок.