Разработка новой конструкции стенда в виде геокупола для статических испытаний грунтов сваями нагружением до 1500 кН

Введение. Проведение статических испытаний грунтов сваями является обязательным условием для проектирования свайных фундаментов. Существующие стенды имеют ряд недостатков, главные из которых заключаются в использовании массивных крупногабаритных элементов для создания грузовой платформы и выполнении монтажных операций с привлечением тяжелой грузоподъемной техники, что приводит к значительному увеличению стоимости и продолжительности испытаний. Для исключения данных недостатков предлагается разработать новый тип стенда для испытаний в виде геокупола. Его отличительная особенность — сборно-разборная на болтовых соединениях конструкция, работающая в основном на растягивающие усилия.

Материалы и методы. Осуществлен сравнительный анализ отечественных и зарубежных стендов, в том числе по результатам патентного поиска. Геометрический расчет выполнен по результатам икосаэдрической аппроксимации полусферы с использованием Autodesk Inventor. Статический расчет произведен с помощью метода конечных элементов в STARK ES 2023.

Результаты. Разработана новая конструкция стенда в виде геокупола для статических испытаний грунтов сваями нагружением до 1500 кН. По результатам опытно-промышленных испытаний доказана работоспособность геокупола для испытания грунтов сваями с нагружением до 1500 кН. Определены его главные преимущества: легкость — при собственном весе геокупола не более 15 кН можно выполнять испытания с нагружением до 1500 кН; скорость — для сокращения сроков проведения работ можно выходить на объект по испытаниям с несколькими конструкциями геокуполов одновременно. С целью установления несущей способности анкеров произведены их испытания на выдергивающие нагрузки.

Выводы. Использование геокупола позволит выполнить испытания с максимальной эффективностью путем сокращения до 75 % дополнительных финансовых затрат, в том числе за счет значительного снижения транспортных расходов и исключения монтажных операций по созданию грузовой платформы, а также сокращения общего времени испытаний на объекте благодаря их параллельной организации.

1. Патент RU № 2800985 C1. Мобильная установка для проведения статических испытаний грунтов сваями / Самохвалов М.А.; заявл. № 2022125432 от 28.09.2022; опубл. 01.10.2023. Бюл. № 22. 9 с.

2. Samokhvalov M., Demin V., Matyukov A., Paronko A. Mobile unit for static testing of soils with piles and stamps // E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 363. Рр. 1–8. DOI: 10.1051/e3sconf/202236302009

3. Boldyrev G. Integrated Technology Geological Surveys // Advances in Transportation Geotechnics IV. 2022. Vol. 3. Рр. 691–697. DOI: 10.1007/978-3-030-77238-3_52

4. Савинов А.В., Фролов В.Э., Бровиков Ю.Н., Кожинский М.П. Экспериментальные исследования несущей способности свай Fundex после длительного «отдыха» в глинистых грунтах статическими вдавливающими и выдергивающими нагрузками // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2019. Т. 10. № 4. С. 13–29. DOI: 10.15593/2224-9826/2019.4.02

5. Каширский В.И., Дмитриев С.В. Современное состояние и перспективы испытаний грунтов штампами // Инженерные изыскания. 2019. Т. 13. № 1. С. 6–17.

6. Zhussupbekov A., Mangushev R., Omarov A. Geotechnical Piling Construction and Testing on Problematical Soil Ground of Kazakhstan and Russia // Modern Applications of Geotechnical Engineering and Construction. 2020. Рр. 89–107. DOI: 10.1007/978-981-15-9399-4_9. EDN YJMJNM.

7. Омаров А.М., Овчинников И.И. Опыт применения технологичных методов полевых испытаний грунтов сваями // Вестник Евразийской науки. 2022. Т. 14. № 3.

8. Тулебекова А.С., Жусупбеков А.Ж., Ашкей Е., Аимбетова Т.С. Особенности проведения статических испытаний грунтов сваями по требованиям ASTM стандарта // Актуальные научные исследования в современном мире. 2019. № 3–1 (47). С. 172–176.

9. Тер-Мартиросян З.Г., Филиппов К.А. Решение задачи осадки сваи под действием вертикальной статической нагрузки с учетом пластических свойств грунтов основания // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 7. С. 871–881. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.7.871-881

10. Тер-Мартиросян З.Г., Акулецкий А.С. Взаимодействие сваи большой длины с окружающим многослойным и подстилающим грунтами // Вестник МГСУ. 2021. Т. 16. № 2. С. 168–175. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.2.168-175

11. Шейнин В.И., Дзагов А.М. Использование логнормального распределения при обработке результатов испытаний грунтов сваями // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2021. Т. 58. № 3. С. 185–189.

12. Al-Suhaily A.S., Abood A.S., Fattah M. Bearing capacity of uplift piles with end gates // Proceedings of China — Europe Conference on Geotechnical Engineering. Springer Series in Geomechanics and Geoengineering (SSGG). 2018. Vol. 2. Рр. 893–897. DOI: 10.1007/978-3-319-97115-5_3

13. Badelow F., Poulos H.G. Geotechnical foundation design for some of the world's tallest buildings // 15th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, ARC 2015: New Innovations and Sustainability. 2015. Рр. 96–108. DOI: 10.3208/jgssp.ESD-KL-2

14. Basu P., Prezzi M. Design and Applications оf Drilled Displacement (Screw) Piles // Final Report, Joint Transportation Research Programmeme. Project No: C-36-45U. File №: 6-18-19. Purdue University, West Lafayette, Indiana, 2009. Рp. 12–13. DOI: 10.5703/1288284314278

15. Valikhah F., Eslami A., Veiskarami M. CPT-Based Approach to Study the Load-Displacement Behaviour of Driven Piles by the New Method of Stress Characteristics // Proceedings of China-Europe Conference on Geotechnical Engineering: Springer International Publishing. 2018. Vol. 2. Рр. 1036–1040. DOI: 10.1007/978-3-319-97115-5_33

16. Fellenius B.H., Terceros H.M., Massarsch K.R. Bolivian experimental site for testing // Proceedings 3rd International Conference on Deep Foundations. Santa Cruz, 2017.

17. Russo G. Analysis and design of pile foundations under vertical load : an overview // Rivista Italiana di Geotecnica. 2018. Vol. 52. Issue 2. Рр. 52–71. DOI: 10.19199/2018.2.0557-1405.52

18. Chatterjee K. Influence of soil type on load carrying capacity of single piles // Arabian Journal of Geosciences. 2022. Vol. 15. Issue 7. DOI: 10.1007/s12517-022-09846-1

19. Sudhi D., Biswas S., Manna B. Development of design charts to predict the dynamic response of pile supported machine foundations // Frontiers of Structural and Civil Engineering. 2024. Vol. 18. Рр. 663–679. DOI: 10.1007/s11709-024-1024-z

20. Ye Z., Yong A.Z. Vertical dynamic response of a pile embedded in layered transversely isotropic unsaturated soils // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2022. Vol. 148. Issue 1. P. 04021169. DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0002714

21. Mishra A., Venkatesh K., Karumanchi S.R. 3D Numerical Analysis of Single Pile and Pile–Raft Subjected to Vertical Loading // Indian Geotechnical Journal. 2023. Vol. 53. Рр. 686–697. DOI: 10.1007/s40098-022-00707-y

22. Yousheng D., Keqin Z., Zhigang Y., Huiling Z., Wenjie L. Study of the Horizontal Load-Bearing Characteristics of Coupling Beam Pile Structures // Indian Geotechnical Journal. 2023. Vol. 53. Рр. 1250–126. DOI: 10.1007/s40098-023-00744-1

23. Phung L.D. FEM Simulation of Single Pile Load Tests // Lecture Notes in Civil Engineering. 2023. Vol. 395. Рр. 69–77. DOI: 10.1007/978-981-99-9722-0_3

24. Li Q., Prendergast L.J., Askarinejad A., Gavin K. Influence of vertical loading on behaviour of laterally loaded foundation piles : a review // Journal of Marine Science and Engineering. 2020. Vol. 8. Issue 12. P. 1029. DOI: 10.3390/jmse8121029

25. Lu W., Zhang G. Influence mechanism of vertical-horizontal combined loads on the response of a single pile in sand // Soils and Foundations. 2018. Vol. 58. Issue 5. Рр. 1228–1239. DOI: 10.1016/j.sandf.2018.07.002