در این تحقیق ظرفیت باربری گروه شمعهای مخروطی و گروه شمعهای استوانه‌ای با حجم یکسان محاسبه شده و مورد مقایسه قرار می‌گیرند. با توجه به کم بودن بررسی‌های عددی و مدلسازیها توسط نرم افزار برای شمعهای مخروطی نسبت به آزمایش‌های آزمایشگاهی در این زمینه، در این تحقیق مدلسازی گروه شمع‌ها توسط نرم‌افزار سه بعدی2012 PLAXIS با استفاده از روش اجزای محدود انجام شده است. همچنین با توجه به اهمیت شمع‌ها در گروه نسبت به شمعهای تکی، در این تحقیق هدف اصلی بررسی جزئی رفتار گروه شمعهای مخروطی و مقایسه آن با گروه شمعهای استوانه‌ای هم حجم است. بدین منظور نمودارهای بار- نشست هر گروه شمع تحت یک بار دلخواه بدست آمده که با استفاده از این نمودار و با تکنیک‌های موجود ظرفیت باربری کل گروه شمع محاسبه شده است. سپس مدل گروه شمع را برای دومین بار تحت باری برابر با ظرفیت باربری خودش قرار داده تا بتوان مشخصات گروه شمع از جمله وضعیت تنش موجود در اطراف بلوک گروه شمع‌ها، نشست گروه شمع ها، راندمان گروه شمع ها و … را تعیین کرد و در نهایت مقایسه‌ای را برای هر دو گروه شمع مخروطی و استوانه‌ای هم حجم متناظر انجام داد. برای محاسبه‌ی راندمان گروه هر شمع، شمع تکی از آن گروه جداگانه مدلسازی شده و مانند قبل مورد بارگذاری قرار گرفته است تا ظرفیت باربری کل شمع تکی از هر گروه نیز بدست آید. مدلسازیها در خاک ماسه‌ای و با شمع‌هایی از جنس بتن در مقیاس واقعی انجام شدهاند. پارامترهایی که در این مدلسازیها متغیر بوده تا تأثیر تغییرات آنها واضح‌تر شود، عبارتند از : زاویه مخروط شدگی، زاویه اصطکاک داخلی خاک ماسه‌ای، زاویه اتساع و ضریب فشار جانبی خاک .
واژه‌های کلیدی: شمع مخروطی، اجزای محدود، ظرفیت باربری، مدلسازی سه بعدی، انتگرال‌گیری عددی
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………….. 2
1-2- هندسه متعارف برخی شمعهای درجا …………………………………………………………………. 3
1-3- نحوه قرارگیری شمع‌ها در خاک …………………………………………………………………………… 5
1-4- گروه شمع‌ها …………………………………………………………………………………………. 6
فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته
2-1- مقدمه ……………………………………………………………………………………… 10
2-2- مطالعات آزمایشگاهی انجام شده بر روی شمعهای مخروطی …………………………….. 10
2-3- مدلسازیهای انجام شده برای شمعهای مخروطی ……………………………………………. 17
2-4- روشهای تحلیلی برای شمعهای باریک شونده …………………………………………………… 19
2-5- سایر مطالعات …………………………………………………………………………………. 21
فصل سوم: روش تحقیق
3-1- مقدمه ………………………………………………………………………………………………………. 23
3-2- مدل‌های شمع تکی ………………………………………………………………………………………………… 23
3-3- مشخصات خاک‌های مورد استفاده ………………………………………………………………………… 28
3-4- ابعاد Borehole (کلاستر) …………………………………………………………………………………… 30
عنوان صفحه
3-5- مش‌بندی کلاستر ……………………………………………………………………………………………………. 31
3-6- مدل گروه شمع‌ها …………………………………………………………………………………………………… 32
3-7- نحوه‌ی آنالیز مد‌ل‌ها و بدست آوردن نتایج …………………………………………………………… 35
3-8- نحوه مدلسازی در برنامه PLAXIS سه بعدی2012 ………………………………………. 37
فصل چهارم: تفسیر نتایج
4-1- مقدمه …………………………………………………………………………………….. 43
4-2- نتایج مدلسازیها ………………………………………………………………………… 44
4-3- روشهای محاسبه‌ی ظرفیت باربری در این تحقیق با استفاده از نمودارهای نیرو-
نشست ……………………………………………………………………………………………… 45
4-3-1- روش مماس بر منحنی “US Army Corps of Engineers” …… 45
4-3-2- روش “Davisson 1967” …………………………………………………………………… 46
4-4- نتایج شمع تکی در ماسه و رس ……………………………………………………………………. 47
4-4-1- تفسیر نتایج شمع تکی در ماسه و رس ……………………………………………………. 49
4-5- نتایج گروه شمع‌ها در ماسه و رس ……………………………………………………………………….. 50
4-5-1- تفسیر نتایج گروه شمع‌ها در ماسه و رس ……………………………………………….. 52
4-6- مقایسه نمودارها و واریوگرام ها ……………………………………………………………………………… 56
4-7- مقایسه ظرفیت باربری گروه شمع‌ها در ماسه و رس …………………………………………… 59
4-8- ارائه رابطه‌ای برای کارآمدی گروه شمعهای مخروطی و استوانه‌ای …………………… 64
4-8-1- مقایسه معادله‌ی بدست آمده برای بازدهی
گروه شمع‌ها با دیگر معادلات
ارائه شده ……………………………………………………………………………………………… 70
4-9- بازدهی اصطکاکی و اتکایی شمع‌ها …………………………………………………….. 72
4-10- مقایسه‌ی فاکتور نشست در گروه شمعهای استوانه‌ای و مخروطی در ماسه ….. 74
4-11- بررسی وضعیت تنش ها روی صفحات بلوک گروه …………………………….. 76
4-11-1- وضعیت تنش‌های برشی روی صفحات دیواره بلوک گروه شمع‌ها …….. 76
عنوان صفحه
4-11-2- وضعیت تنش در صفحات انتهایی بلوک گروه شمع‌ها بدون در نظر گرفتن
سطح انتهایی خود شمع‌ها ……………………………………………………………………….. 78
4-11-3- نقاط پلاستیک و الاستیک ……………………………………………………………………… 79
فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات
5-1- نتیجهگیری …………………………………………………………………………… 83
5-2- پیشنهادات ……………………………………………………………………………………….. 85
پیوست ………………………………………………………………………………………………………… 86
منابع و مراجع ……………………………………………………………………………………… 111
مقدمه
شمع‌ها اعضای سازه‌ای از چوب، بتن، فولاد و یا مصالح دیگر هستند که برای انتقال بارهای سطحی به سطوح پایین‌تر در خاک مورد استفاده قرار می‌گیرند. این انتقال توسط توزیع بار در طول بدنه شمع یا انتقال مستقیم بار به لایه پایین‌تر از طریق نوک شمع صورت می‌گیرد که حالت اول را شمع اصطکاکی و حالت دوم را شمع اتکایی گویند. معمولاَ همه‌ی شمع‌ها بار را به صورت ترکیبی از اصطکاک بدنه و مقاومت نوک انتقال می‌دهند مگر مواردی که مثلاَ شمع در یک خاک خیلی نرم نفوذ کرده تا به یک بستر سخت برسد. شمع‌ها معمولاً برای اهداف زیر استفاده می‌شوند:
1- انتقال بار سازه‌های عظیم به درون لایه‌های زیرین. (بارهای عمودی و جانبی)
2- مقاومت در مقابل نیروی کششی رو به بالا یا واژگونی به عنوان مثال برای پی‌های یکنواخت در زیر سطح آب یا برای نگه‌داشتن پایه‌های پل در مقابل واژگونی ناشی از بارهای جانبی نظیر باد.
3- تراکم لایه‌های نرم و غیرچسبنده توسط ترکیبی از جابه‌جایی‌ها توسط حجم شمع و حرکت شمع به شیوه‌ی لرزشی . این نوع شمع‌ها ممکن است بعداً بیرون کشیده شوند.
4- کنترل نشست، هنگامی که پی نواری یا گسترده روی خاکی که در زیر آن لایه‌ای با قابلیت تراکم زیاد قرار دارد.
5- سخت‌تر کردن خاک در زیر پی برای کنترل دامنه ارتعاش و فرکانس طبیعی سیستم.
6- به عنوان ضریب اطمینانی بیشتر برای پایه‌ها یا تکیه‌گاه‌های پل.
7- در سازه‌های فراساحلی برای انتقال بارها در بالای سطح آب به خاک زیرین. گاهی اوقات برای کنترل حرکات زمینی (برای مثال زمین لغزش‌ها). شمع‌ها تحت بارهای عمودی و جانبی ممکن است گسیخته شوند. همچنین در اعضای طویل ممکن است گسیختگی کمانشی رخ دهد.
یک پی به صورت شمع بسیار هزینه‌برتر از پی نواری و تقریباً هزینه‌برتر از یک پی گسترده است. در هر مورد طراحی پی‌ها مطالعات در مورد مشخصات خاک محل بسیار حائز اهمیت است. زیرا براساس این مطالعات باید با دقت تصمیم‌گیری شود که آیا نیاز به شمع است و اگر هست آیا به تعداد بیشتری یا طول شمع بیشتری نیاز است.
ظرفیت باربری شمع به معنای حداکثر بار وارده به شمع می‌باشد، که شمع تحت اثر آن به میزان قابل قبولی نشست کند. در نظر گرفتن ظرفیت باربری به میزان بیشتر از مقدار واقعی، چه بسا موجب وارد آمدن خسارت سنگین به سازه‌ها و یا زوال کلی آنها شده است. از طرف دیگر در نظر گرفتن آن به میزان کمتر از مقدار واقعی، باعث بزرگ شدن بیش از حد ابعاد شمع شده و آن را غیراقتصادی می‌سازد. ظرفیت باربری نه تنها به مشخصات مکانیکی خاک و شرایط محیطی بستگی دارد، بلکه تابعی از شکل، ابعاد، جنس و نحوه اجرای آن می‌باشد. به دست آوردن یک رابطه کلی برای محاسبه ظرفیت باربری شمع‌ها حتی با در نظر گرفتن تعداد محدودی از عوامل مؤثر در آن، منجر به معادلات دیفرانسیل بسیار پیچیده‌ای می‌شود که حل آنها در حالت کلی مقدور نبوده و تنها در برخی حالات محدود میسر می‌باشد. اگرچه که امروزه روشهای تحلیلی سودمندی مانند روش اجزای محدود باعث شده تا گرایش به سمت روشهای تحلیل عددی افزایش یابد. البته باید توجه داشت که نتایج حاصل از مدلسازیهای اجزای محدود و یا روشهای مشابه باید حتماً با نتایج آزمایشگاهی صحت سنجی شوند تا قابل استفاده باشند.
1-2- هندسه متعارف برخی شمعهای درجا
یک شمع درجا با حفر یک سوراخ در زمین و پرکردن آن با بتن شکل می‌گیرد. این سوراخ ممکن است به صورت صندوقچه حفر شده و یا به وسیله راندن یک پوسته یا لوله جداری در زمین ایجاد شود. لوله جداری می‌تواند توسط یک محور فولادی در زمین رانده شود؛ به طوریکه محور فولادی در هنگام بالا آمدن، لوله جداری را رها می‌کند.
شکل (1-1) برخی از شمعهای درجا که استفاده از آنها رایج است را نشان می‌دهد. باید توجه داشت که این شمع‌ها به طور کلی سه نوع می‌باشند. (1) پوسته‌ای یا جداره‌ای (2) فاقد پوسته و (3) پایه ستونی.
شکل 1-1- هندسه برخی شمعهای درجا [1]
در شکل (1) موارد (a) و (b) شمعهای بدون پوسته هستند. موارد (b) و © شمعهای پایه ستونی هستند که حداکثر تا 35 متر طول دارند. شمعهای © تا (h) از نوع پوسته‌ای هستند که در بین آنها (f) و (g) شمعهای مخروطی و (h) شمع مخروطی پله‌ای می‌باشد.
شمعهای با مقطع متغیر شمع‌هایی هستند که مقاطع عرضی در قسمت سرشمع نسبت به نوک بزرگتری دارند. یکی از انواع شمعهای با مقطع متغیر شمع با مقطع دایروی متغیر می‌باشد که از لحاظ شکل ظاهری به شکل مخروط بوده و به شمع مخروطی شهرت دارد (شکل 1- موارد f و g). شمعهای به شکل مخروط یک مزیت اساسی نسبت به شمعهای استوانه‌ای دارند و آن این است که در حالت اصطکاک به طرف پایین، نیروی محوری شمع از قسمت سرشمع به سمت نوک شمع کم می‌شود پس از لحاظ مقطع برای انتقال بار سازه‌ای به خاک هر چه به سمت پایین شمع می‌رویم به مقاطع کوچکتری نیاز می‌باشد که این موضوع را در شمعهای مخروطی مشاهده می‌کنیم. این امر باعث صرفه‌جویی در حجم مصالح و توزیع صحیح مصالح در شمع می‌شود. همچنین برای شمعهای تحت بار جانبی هنگامی که بار جانبی به قسمت سرشمع اعمال می‌شود، از سر شمع به نوک شمع به دلیل انتقال بار به خاک از مقدار نیروی افقی در بدنه سازه‌ای شمع کاسته می‌شود که این امر با شکل و حجم مصالح و اندازه مقاطع شمع مخروطی که روندی کاهنده در طول شمع دارد مطابقت دارد و در کل می‌توان گفت که شمعهای مخروطی نسبت به شمعهای استوانه‌ای دارای یک توزیع مناسب‌تر مصالح برای انتقال انواع بارگذاری‌ها می‌باشند. برای آنکه یک شالوده به عنوان شمع تعریف شود لازم است که نسبت عمق به عرض متوسط یا شعاع حداقل برابر 6 باشد. طبق این تعریف حداکثر زاویه‌ای که برای یک شمع مخروطی می‌توان در نظر گرفت 9/46◦ درجه می‌باشد. بیشتر روابطی که تاکنون برای شمع‌ها انتشار یافته‌اند مربوط به شمعهای استوانه‌ای یا منشوری می‌باشند، در حالی که برای شمعهای مخروطی رابطه تئوری مشخصی ارائه نشده است که بتواند رفتار آنها در خاک را مشخص کند. با این حال در سه دهه اخیر یک افزایش در علاقه مندی به مطالعه، برای بررسی رفتار شمعهای مخروطی دیده شده است.
1-3- نحوه قرارگیری شمع‌ها در خاک
شمع‌ها از طریق چندین روش در خاک قرار می‌گیرند:
1- راندن شمع در خاک توسط ضربات ثابت متوالی در بالای شمع با استفاده از چکش شمع. این روش صدا و لرزش‌های محلی قابل توجهی ایجاد می‌کند که ممکن است توسط آیین‌نامه‌های محلی یا سازمان‌های محیط زیستی مجاز نباشد و همچنین ممکن است به سازه‌های اطراف خسارت وارد کند.
2- راندن شمع در خاک توسط دستگاه لرزش متصل به سرشمع. این روش معمولاً بی‌سروصدا است. این روش برای راندن در خاک‌های با چسبندگی کم کاربردی‌تر است.