Верификация результатов физического и численного моделирования системы «свая – скальный массив»

Введение. Строительство объектов повышенного класса ответственности, в частности, требует передачи высоких значений нагрузок на основание, что нередко достигается посредством свайных фундаментов, заглубляемых в скальные массивы. Расчет их несущей способности включает прогнозирование доли нагрузки, воспринимаемой боковой поверхностью сваи и ее основанием, однако сумма этих значений недопустима, поэтому необходимо точно спрогнозировать доли этих значений. Данный прогноз осложняется разнообразием свойств скальных грунтов, масштабным фактором и сложной работой контакта «свая – массив». Существует несколько методов прогнозирования работы сваи, наиболее распространенный — метод конечных элементов. Цель исследования — выполнение верификации результатов физического и численного моделирования, реализуемого в программном комплексе ZSoil, для последующего более глубокого изучения совместной работы сваи и скального массива.

Материалы и методы. Численное моделирование осуществлялось в программно-вычислительном комплексе (ПВК) ZSoil 3D с учетом фактически полученных характеристик используемых материалов. Для физического моделирования подготовлено три образца, идентичных численной модели, испытанных далее в установке трехосного сжатия.

Результаты. Получены качественные и количественные результаты проведенного моделирования. Качественные результаты — установлено разрушение всего контакта «свая – скальный массив» как на лабораторных образцах, так и в численной модели. Количественно результаты сопоставлялись по графикам зависимости осадки головы сваи от возникающих напряжений.

Выводы. По результатам численного и физического моделирования характер и этапность разрушения системы идентичны, что определено в ходе визуального осмотра образцов и полученных результатов в ПВК. Количественная оценка результатов выполнена в рамках сравнения полученных графиков зависимости осадки головы сваи от напряжений, возникающих в ней. Сопоставление показало максимальное расхождение значений, равное ~ 15 %, что подтверждает применимость ПВК в последующем исследовании системы.

1. Колыбин И.В., Разводовский Д.Е., Скориков А.В., Брыксина А.А. Оценка несущей способности сваи в скальных грунтах, переслаиваемых дисперсными грунтами, на действие вертикальной нагрузки // Вестник НИЦ Строительство. 2022. № 3 (34). С. 7–25. DOI: 10.37538/2224-9494-2022-3(34)-7-25. EDN UXPEZG.

2. Зерцалов М.Г. Геомеханика. Введение в механику скальных грунтов. М. : Издательство АСВ, 2014. 352 с. EDN TBDUEH.

3. Hoek E., Kaiser P.K. Support of underground excavations in hard rock. Rotterdam, 1995.

4. Zhang L. Drilled Shafts in Rock. Analysis and Design. London : CRC Press, 2004. 396 p. DOI: 10.1201/9780203024423

5. Zhang L. Analysis and Design of Axially Loa-ded Drilled Shafts Socketed in Rock // Submitted to the Department of Civil and Environmental Engineering in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Civil and Environmental Engineering at MIT. 1997. 167 p.

6. Ильинов М.Д., Коршунов В.А., Поспехов Г.Б., Шоков А.Н. Комплексные экспериментальные исследования механических свойств горных пород: проблемы и пути их решения // Горный журнал. 2023. № 5. С. 11–18. DOI: 10.17580/gzh.2023.05.02. EDN KWXDVA.

7. Разводовский Д.Е., Скориков А.В. Проблемы и возможные пути развития нормативной литературы в области проектирования свайных фундаментов // Вестник НИЦ Строительство. 2020. № 3 (26). С. 74–85. DOI: 10.37538/2224-9494-2020-3(26)-74-85. EDN KZYBMU.

8. Кузнецов Н.Н. Исследование прочностных свойств и удельной энергии деформирования горных пород в условиях трехосного сжатия // Горная промышленность. 2025. № 2. С. 140–145. DOI: 10.30686/1609-9192-2025-2-140-145. EDN SOYEYH.

9. Шарафутдинов Р.Ф., Ботанин Д.П. Исследование сопротивления свай по боковой поверхности в скальных грунтах // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2024. № 4. С. 9–16. EDN GAMNLY.

10. Шарафутдинов Р.Ф., Шулятьев О.А., Исаев О.Н., Закатов Д.С. Исследования взаимодействия буронабивных свай со скальными грунтами // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2022. № 5. С. 11–16. EDN SQVSIM.

11. Шулятьев О.А., Шарафутдинов Р.Ф., Шулятьев С.О. Обобщение результатов испытаний буронабивных свай в скальных грунтах // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2022. № 1. С. 2–7. EDN PIMBDH.

12. Ощепкова И.А., Сычкина Е.Н. Проблемы лабораторного определения механических свойств полускальных нижнепермских грунтов г. Перми // Вестник Пермского государственного технического университета. Строительство и архитектура. 2011. № 1. С. 59–63. EDN OJHLTT.

13. Zhang L. Evaluation of rock mass deformability using empirical methods : a review // Underground Space. 2017. Vol. 2. Issue 1. Pp. 1–15. DOI: 10.1016/j.undsp.2017.03.003

14. Ye X., Tang C., Phoon K.-K., Chen J. Development and use of axial load test databases for analysis and design of soft rock sockets // Canadian Geotechnical Journal. 2025. Vol. 62. Pp. 1–21. DOI: 10.1139/cgj-2024-0155

15. Barton N. A model study of rock-joint deformation // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1972. Vol. 9. Issue 5. Pp. 579–582. DOI: 10.1016/0148-9062(72)90010-1

16. Karzulovic A., Read J. Rock mass model // Guidelines for Open Pit Slope Design. 2009. Pp. 83–139. DOI: 10.1071/9780643101104.ch05

17. Brown D.A., Turner J.P., Castelli R.J., Lo-ehr E.J. Drilled Shafts Construction Procedures and Design Methods: NHI Course No. 132014: Geotechnical Engineering Circular No. 10. Washington, 2010. 970 p.

18. Зерцалов М.Г., Никишкин М.В. Мировой опыт в проектировании свай в скальных грунтах // Вестник МГСУ. 2011. № 5. С. 120. EDN OWEBRV.

19. Rowe R.K., Armitage H.H. A design method for drilled piers in soft rock // Canadian Geotechnical Journal. 1987. Vol. 24. Issue 1. Pp. 126–142. DOI: 10.1139/t87-011

20. Axtell P. Combined Side and Base Resistance in Rock-Socketed Drilled Shafts — a State of the Art Consensus // DFI Journal The Journal of the Deep Foundations Institute. 2022. Vol. 16. Issue 2. DOI: 10.37308/dfijnl.20221115.267