Обновление городской инфраструктуры: новая технология уплотнения грунта

Развитые страны сталкиваются с одновременным старением инфраструктуры, построенной в периоды бурного экономического роста. Япония достигла критической точки: множество зданий и сооружений, возведенных послевоенный бум, теперь нуждаются в сносе и обновлении. Этот процесс ускорился после Великого восточно-японского землетрясения 2011 года, выявившего уязвимости конструкций, не соответствующих современным стандартам сейсмостойкости, что привело к резкому росту демонтажных работ в городах.

При сносе зданий фундаментные сваи извлекаются и классифицируются как промышленные отходы. Однако традиционные методы обратной засыпки неизменно приводят к неравномерному распределению материала по всей глубине скважины. Эта техническая проблема создает серьезные риски, включая проседание грунта, наклон соседних зданий и смещение новых фундаментов. В результате критически важный процесс засыпки лишен научного подхода и механизмов контроля качества.

В недавнем прорыве команда исследователей под руководством профессора Синьи Инадзуми из Университета Шибаура (Япония) разработала новый метод, обеспечивающий равномерную засыпку по всей глубине скважины, решая как непосредственные проблемы безопасности, так и долгосрочную устойчивость инфраструктуры. Их новаторские результаты были опубликованы в журнале Cleaner Engineering and Technology.

Предложенный метод циркулярного смешивания был проверен посредством модельных испытаний, полевых экспериментов и продвинутых численных симуляций с использованием метода движущихся частиц (MPS) в рамках системы автоматизированного проектирования (CAE). Эти испытания продемонстрировали исключительную однородность с коэффициентом вариации всего 0.036, что примерно в десять раз лучше, чем у традиционных методов улучшения грунта, которые обычно колеблются в пределах 0.3–0.5. Кроме того, полевые испытания на скважинах глубиной 15 метров подтвердили, что все образцы превысили целевую прочность в 1500 кН/м² без обнаружения структурно недостаточных слабых зон.

«Самое главное, наш подход позволяет инженерам оптимизировать параметры процесса и улучшить контроль качества, используя продвинутые симуляции MPS-CAE для прогнозирования поведения смеси перед строительством. Более того, он отвечает насущным потребностям Японии в обновлении инфраструктуры, одновременно способствуя устойчивому развитию, предотвращая деградацию почвы, сокращая строительные отходы и минимизируя углеродный след городских проектов», — отмечает проф. Инадзуми.

Результаты показывают, что этот метод особенно ценен при строительстве высотных зданий на участках с существующими свайными фундаментами, где неправильно засыпанные скважины могут поставить под угрозу устойчивость новых конструкций стоимостью в миллионы долларов. Примечательно, что предложенный метод предотвращает проседание грунта и наклон зданий, которые могут привести к катастрофическим последствиям во время сейсмических событий, решая критические проблемы безопасности в сейсмоопасных регионах.

«Наше исследование устанавливает новый стандарт в области геотехнического строительства при реконструкции городов с потенциальным применением по всему миру, особенно в городах, сталкивающихся с проблемами стареющей инфраструктуры. В густонаселенных мегаполисах, таких как Токио, Нью-Йорк или Лондон, где множество зданий, построенных в период послевоенного экономического подъема, теперь требуют сноса и реконструкции, эта технология обеспечивает безопасную и эффективную подготовку площадки», — говорит проф. Инадзуми.

Объединение инженерных методов с численным моделированием в предложенном подходе позволяет отрасли перейти от реактивной оценки качества к проактивной оптимизации процессов, повышая эффективность, безопасность, долговечность и устойчивость проектов городского обновления, особенно в зонах повышенного риска. Этот сдвиг в геотехнической практике может помочь инженерным консультантам и строительным компаниям заверить своих клиентов в качестве строительства посредством предстроительного численного анализа, повышая прозрачность и ответственность в проектах городской инфраструктуры.

«Наш новаторский метод поддерживает устойчивое городское развитие, минимизируя строительные отходы и сокращая углеродный след, связанный с транспортировкой и утилизацией материалов. Он также предлагает путь к улучшению геотехнических характеристик в развитии городской инфраструктуры, способствуя повышению устойчивости к стихийным бедствиям, защите жизни и инвестиций», — заключает проф. Инадзуми.