Повышение качества строительства фундаментов на многолетних мерзлых грунтах. Сравнение результатов численного анализа цифровых моделей с результатами натурных испытаний буроопускных свай на ММГ
Автор: И.Д. Карпов, Ю.С. Клочков, Б.С. Ермаков, С.Б. Ермаков, А.А. Альхименко
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Машиностроение и машиноведение
Статья в выпуске: 6 т.27, 2025 года.
Бесплатный доступ
Представлены результаты численного моделирования буроопускной стальной сваи диаметром 219 мм из стали марки 09Г2С, выполненного в программном комплексе ANSYS Workbench с учётом как вертикальных, так и комбинированных (вертикальных, горизонтальных и моментных) нагрузок. Моделирование проведено для условий многолетнемерзлых грунтов (ММГ) опытного полигона в г. Якутске и включает двухслойную геологическую модель: сезонно-талый пылеватый песок (0–2 м) и многолетнемерзлый суглинок (2–15 м). Для повышения физической достоверности расчётов использованы упругопластические модели грунтов MO Granular для талого слоя и Cam-Clay для мерзлого, а также учтено наличие цементно-песчаной смеси (ЦПС), заполняющей полость сваи и образующей внешнюю оболочку. Проведено сравнение результатов с данными натурных испытаний 18 свай и с предыдущей моделью, разработанной в MIDAS GTS NX. Показано, что при вертикальной нагрузке 98,1 кН осадка составляет 4,67 мм, а максимальные напряжения 22,24 МПа; при комбинированной нагрузке осадка возрастает до 16,5 мм, а напряжения до 23,5 МПа, локализуясь в зоне контакта «свая–ЦПС–воздух». Все значения значительно ниже предела текучести стали 09Г2С (345 МПа), что подтверждает работоспособность конструкции. Установлено, что применение физически обоснованных моделей грунта в ANSYS обеспечивает более точное описание напряжённо-деформированного состояния по сравнению с упрощённой моделью Мора–Кулона, однако требует калибровки по натурным данным для учёта реальных неоднородностей и дефектов. Результаты работы способствуют повышению качества и надёжности проектирования свайных фундаментов на ММГ, особенно в условиях реализации стратегических инфраструктурных проектов в Арктической зоне РФ.
Многолетнемерзлые грунты, стальные сваи, MIDAS GTS NX, численное моделирование, освоение арктики, напряженнодеформированное состояние, вертикальные и горизонтальные нагрузки, метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/148332858
IDR: 148332858 | УДК: 69.07 | DOI: 10.37313/1990-5378-2025-27-6-166-1775
Improving the Quality of Foundation Construction on Permafrost: Comparison of Numerical Simulation Results with Field Test Data of Drilled-And-Grouted Steel Piles in Permafrost Conditions
The results of numerical modeling of a drilled-and-grouted steel pile (outer diameter 219 mm, steel grade 09G2S) performed in the ANSYS Workbench software suite, considering both vertical and combined loading conditions (vertical force, lateral force, and bending moment). The simulation was carried out for permafrost conditions at an experimental test site in Yakutsk, Russia, using a two-layer geological model: seasonally thawed silty sand (0–2 m depth) and perennially frozen clayey soil (2–15 m depth). To enhance the physical realism of the analysis, elastoplastic soil constitutive models were employed-MO Granular for the thawed layer and Cam-Clay for the frozen layer-and the presence of a cement–sand grout (CSG) was explicitly accounted for, both as internal pile filling and as an external 50-mm-thick sheath around the pile. The simulation results were compared with field test data from 18 instrumented piles and with a previously developed numerical model implemented in MIDAS GTS NX. Under a vertical load of 98.1 kN, the computed settlement was 4.67 mm, with a maximum von Mises stress of 22.24 MPa. Under combined loading (vertical force = 118.0 kN, lateral force = 34.0 kN, bending moment = 28.3 kN·m), settlement increased to 16.5 mm, and peak stresses rose to 23.5 MPa, localized at the “pile–CSG–air” interface zone. All stress values remain well below the yield strength of 09G2S steel (345 MPa), confirming the structural adequacy of the pile design. The study demonstrates that the use of physically grounded soil models (MO Granular and Cam-Clay) in ANSYS provides a more accurate representation of the stress–strain behavior compared to the simplified Mohr–Coulomb model used in the earlier MIDAS GTS NX simulation. However, calibration against field data is essential to account for real-world material heterogeneities, construction imperfections, and localized defects. These findings contribute to improving the quality, reliability, and safety of pile foundation design on permafrost, particularly in support of strategic infrastructure projects in the Russian Arctic.
