Инженеры Петербургского Политеха разработали конструкцию стеклопластиковой сваи для эффективного строительства на вечной мерзлоте

Строительство на территориях распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ) сопряжено с высокими рисками деформаций и разрушений фундаментов из-за сложных геокриологических условий и изменения климата.  Широко применяемые сегодня традиционные решения имеют высокую стоимость и при этом недостаточно надежны и адаптивны к неоднородным грунтам, что особенно критично для развития инфраструктуры в Арктической зоне.

Исследователи Научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы» создали конструкцию буроопускной сваи из стеклопластика, применив оригинальную технологию изготовления макетов. Технология заключается в особом способе намотки армирующего материала. Все это позволило снизить вес конструкции сваи более чем на 6%, а материалоемкость — на 5% при одновременном росте несущей способности по сравнению с традиционными решениями.

Кроме того, инженеры разработали адаптивную цифровую модель взаимодействия сваи с многолетнемерзлыми грунтами. Цифровая модель способна прогнозировать поведение сваи в ММГ грунте с точностью до 95% (валидация цифровой модели проводилась на данных испытаний Научно-технологического комплекса «Новые технологии и материалы»). Технология объединяет стендовые испытания (которые проводятся в Якутске) и цифровое моделирование, позволяя оперативно подбирать оптимальные параметры свай под нестандартные и разнородные грунтовые условия.

«Работа над проектом потребовала нестандартного синтеза материаловедения и цифрового инжиниринга. Удалось не просто создать более легкую и прочную сваю, а сформировать целостную технологию — от виртуального проектирования до стендовых испытаний, адаптированную под экстремальные условия Арктики. Это результат, который делает строительство на вечной мерзлоте не только более надежным, но и экономически оправданным», – комментирует результаты работы инженер-исследователь Научно-технического комплекса «Новые технологии и материалы» ИММиТ СПбПУ Иван Карпов.

Разработка «политехников» позволяет снизить общие затраты на возведение фундаментов в условиях многолетнемерзлых грунтов до 10% за счет использования полимерных материалов, новой конструкции сваи, а также ускорения проектирования с помощью цифровой модели. Повышенная надежность фундаментов снижает риски аварий и дорогостоящих ремонтов, обеспечивая долгосрочную устойчивость объектов инфраструктуры, что особенно актуально для территорий Крайнего Севера. Новая технология может быть востребована в нефтегазовой отрасли, энергетике и жилищном строительстве, а ее масштабируемость дает большие возможности коммерциализации.

«Потенциал использования композиционных материалов в изделиях в различных отраслях промышленности – от нефтегаза до строительства – в России очень высок в силу их высоких технических, эксплуатационных и стоимостных характеристик. Так, по прогнозам, российский рынок композиционных материалов с 2025 по 2027 год в денежном выражении вырастет более, чем на 25%. Технологии, объединяющие свойства композиционных материалов с возможностями цифрового инжиниринга, будут способствовать достижению лидерства нашей страны в инжиниринге композитов», – объясняет перспективы новой технологии директор НТК «Новые технологии и материалы» ИММиТ СПбПУ Алексей Альхименко.

В планах разработчиков до 2030 года пройти путь от стендовых и натурных испытаний до опытно-промышленной эксплуатации и промышленного освоения технологии.  Планируется полная верификация цифровой модели, патентование ключевых решений и разработка регламентов серийного производства свай. В перспективе технология может быть внедрена в строительные нормы. Дальнейшее развитие проекта предполагает масштабирование производства и адаптацию решения под различные типы многолетнемерзлых грунтов.