شمعها اعضای سازه‌ای از چوب، بتن، فولاد و یا مصالح دیگر هستند كه برای انتقال بارهای سطحی به سطوح پایین‌تر در خاك مورد استفاده قرار می‌گیرند. این انتقال توسط توزیع بار در طول بدنه شمع یا انتقال مستقیم بار به لایه پایین‌تر از طریق نوك شمع صورت می‌گیرد كه حالت اول را شمع اصطكاكی و حالت دوم را شمع اتكایی گویند. معمولاَ همه‌ی شمعها بار را به صورت تركیبی از اصطكاك بدنه و مقاومت نوك انتقال می‌دهند مگر مواردی كه مثلاَ شمع در یک خاك خیلی نرم نفوذ كرده 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 كششی رو به بالا یا واژگونی به عنوان مثال برای پی‌های یكنواخت در زیر سطح آب یا برای نگه‌داشتن پایه‌های پل در مقابل واژگونی ناشی از بارهای جانبی نظیر باد.
3- تراكم لایه‌های نرم و غیرچسبنده توسط تركیبی از جابه‌جایی‌ها توسط حجم شمع و حركت شمع به شیوه‌ی لرزشی . این نوع شمعها ممكن است بعداً بیرون كشیده شوند.
4- كنترل نشست، هنگامی كه پی نواری یا گسترده روی خاكی كه در زیر آن لایه‌ای با قابلیت تراكم زیاد قرار دارد.
5- سخت‌تر كردن خاك در زیر پی برای كنترل دامنه ارتعاش و فركانس طبیعی سیستم.
6- به عنوان ضریب اطمینانی بیشتر برای پایه‌ها یا تكیه‌گاه‌های پل.
7- در سازه‌های فراساحلی برای انتقال بارها در بالای سطح آب به خاك زیرین. گاهی اوقات برای كنترل حركات زمینی (برای مثال زمین لغزش‌ها). شمعها تحت بارهای عمودی و جانبی ممكن است گسیخته شوند. همچنین در اعضای طویل ممكن است گسیختگی كمانشی 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 خاك محل بسیار حائز اهمیت است. زیرا براساس این مطالعات باید با دقت تصمیم‌گیری شود كه آیا نیاز به شمع است و اگر هست آیا به تعداد بیشتری یا طول شمع بیشتری نیاز است.
ظرفیت باربری شمع به معنای حداكثر بار وارده به شمع می‌باشد، كه شمع تحت اثر آن به میزان قابل قبولی نشست كند. در نظر گرفتن ظرفیت باربری به میزان بیشتر از مقدار واقعی، چه بسا موجب وارد آمدن خسارت سنگین به سازه‌ها و یا زوال كلی آنها شده است. از طرف دیگر در نظر گرفتن آن به میزان كمتر از مقدار واقعی، باعث بزرگ شدن بیش از حد ابعاد شمع شده و آن را غیراقتصادی می‌سازد. ظرفیت باربری نه تنها به مشخصات مكانیكی خاك و شرایط محیطی بستگی دارد، بلكه تابعی از شكل، ابعاد، جنس و نحوه اجرای آن می‌باشد. به دست آوردن یک رابطه كلی برای محاسبه ظرفیت باربری شمعها حتی با در نظر گرفتن تعداد محدودی از عوامل مؤثر در آن، منجر به معادلات دیفرانسیل بسیار پیچیده‌ای می‌شود كه حل آنها در حالت كلی مقدور نبوده و تنها در برخی حالات محدود میسر می‌باشد. اگرچه كه امروزه روش های تحلیلی سودمندی مانند روش اجزای محدود باعث شده تا گرایش به سمت روش‌های تحلیل عددی افزایش یابد. البته باید توجه داشت كه 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 پركردن آن با بتن شكل می‌گیرد. این سوراخ ممكن 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 طوریكه محور فولادی در هنگام بالا آمدن، لوله جداری را رها می‌كند.
شكل (1-1) برخی از شمعهای درجا كه استفاده از آن ها رایج است را نشان می‌دهد. باید توجه داشت كه این شمعها به طور كلی سه نوع می‌باشند. (1) پوسته‌ای یا جداره‌ای (2) فاقد پوسته و (3) پایه ستونی.
شکل 1-1- هندسه برخی شمعهای درجا [1]
در شكل (1) موارد (a) و (b) شمعهای بدون پوسته هستند. موارد (b) و © شمعهای پایه ستونی هستند كه حداكثر تا 35 متر طول دارند. شمعهای © تا (h) از نوع پوسته‌ای هستند كه در بین آن ها (f) و (g) شمعهای مخروطی و (h) شمع مخروطی پله‌ای می‌باشد.
شمعهای با مقطع متغیر شمع‌هایی هستند كه مقاطع عرضی در قسمت سرشمع نسبت به نوك بزرگتری دارند. یكی از انواع شمعهای با مقطع متغیر شمع با مقطع دایروی متغیر می‌باشد كه از لحاظ شكل ظاهری به شكل مخروط بوده و به شمع مخروطی شهرت دارد (شكل 1- موارد f و g). شمعهای به شكل مخروط یک مزیت اساسی نسبت به شمعهای استوانه‌ای دارند و آن این است كه در حالت اصطكاك به طرف پایین، نیروی محوری شمع از قسمت سرشمع به سمت نوك شمع كم می‌شود پس از لحاظ مقطع برای انتقال بار سازه‌ای به خاك هر چه به سمت پایین شمع می‌رویم به مقاطع كوچكتری نیاز می‌باشد كه این موضوع را در شمعهای مخروطی مشاهده می‌كنیم. این امر باعث صرفه‌جویی در حجم مصالح و توزیع صحیح مصالح در شمع می‌شود. همچنین برای شمعهای تحت بار جانبی هنگامی كه بار جانبی به قسمت سرشمع اعمال می‌شود، از سر شمع به نوك شمع به دلیل انتقال بار به خاك از مقدار نیروی افقی در بدنه سازه‌ای شمع كاسته می‌شود كه این امر با شكل و حجم مصالح و اندازه مقاطع شمع مخروطی كه روندی كاهنده در طول شمع دارد مطابقت دارد و در كل می‌توان گفت كه شمعهای مخروطی نسبت به شمعهای استوانه‌ای دارای یک توزیع مناسب‌تر مصالح برای انتقال انواع بارگذاری‌ها می‌باشند. برای آنكه یک شالوده به عنوان شمع تعریف شود لازم است كه نسبت عمق به عرض متوسط یا شعاع حداقل برابر 6 باشد. طبق این تعریف حداكثر زاویه‌ای كه برای یک شمع مخروطی می‌توان در نظر گرفت 9/46◦ درجه می‌باشد. بیشتر روابطی كه تاكنون برای شمعها انتشار یافته‌اند مربوط به شمعهای استوانه‌ای یا منشوری می‌باشند، در حالی كه برای شمعهای مخروطی رابطه تئوری مشخصی ارائه نشده است كه بتواند رفتار آنها در خاك را مشخص كند. 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 خاك
شمعها از طریق چندین روش در خاك قرار می‌گیرند:
1- راندن شمع در خاك توسط ضربات ثابت متوالی در بالای شمع با بهره گرفتن از چكش شمع. این روش صدا و لرزش‌های محلی قابل توجهی ایجاد می‌كند كه ممكن است توسط آیین‌نامه‌های محلی یا سازمان‌های محیط زیستی مجاز نباشد و همچنین ممكن است به سازه‌های اطراف خسارت وارد كند.
2- راندن شمع در خاك توسط دستگاه لرزش متصل به سرشمع. این روش معمولاً بی‌سروصدا است. این روش برای راندن در خاك‌های با چسبندگی كم كاربردی‌تر است.
3- جك كردن شمع. این تكنیک برای شمعهای كوتاه و سخت كاربردی‌تر می‌باشد.
4- حفر كردن یک سوراخ و قراردادن شمع درون آن یا به صورت رایج‌تر، پركردن حفره با بتن.
1-4- گروه شمعها
گروه شمعها با بارگذاری عمودی
وقتی كه تعدادی شمع در كنار هم جمع می‌شوند، معقول است كه انتظار داشت كه فشارهای ایجاد شده در خاك ناشی از اصطكاك جانبی و یا مقاومت اتكائی همانطور كه در شكل زیر نشان داده شده روی هم بیافتند. (شكل2-1)
شکل 1-2- تنشها اطراف یک شمع اصطکاکی وتداخل محدوده تنشها دریک گروه[1]
شدت فشار اضافی، به بار شمعها و فواصل آنها بستگی خواهد داشت و اگر تا حد كافی بزرگ شود خاك در برش گسیخته خواهد شد و یا نشست‌های اضافی خواهیم داشت. شدت تنش در نواحی تنشی روی هم افتاده به طور واضحی با افزایش در فواصل شمعها (S) كاهش خواهد یافت. اگرچه كه فواصل زیاد اغلب غیرعملی هستند. زیرا معمولاً كلاهك گروه شمع برای تكیه‌گاه ستون‌های سازه و همچنین پخش كردن بار روی چندین شمع بر روی سر تمام شمعها به صورت یكپارچه ساخته می‌شود و همین عامل می‌تواند باعث محدود شدن فاصله‌ی شمعها از هم شود. (شكل 1-3)
شکل 1-3- الگوهای متعارف گروه شمعها-(a) برای دالهای بتنی تکی(b) برای دیوارهای بتنی[1]
با توجه به كم بودن بررسی‌های عددی و مدلسازی‌ها توسط نرم‌افزار برای شمعهای مخروطی و به خصوص برای گروه شمعهای مخروطی نسبت به آزمایش‌های آزمایشگاهی در این زمینه، در این تحقیق هدف مدلسازی گروه شمعهای مخروطی و استوانه‌ای با بهره گرفتن از نرم‌افزار سه بعدی “PLAXIS” و در نهایت مقایسه و بررسی نتایج حاصل از مدلسازی‌ها با بهره گرفتن از نمودارهای بار- نشست می‌باشد. بنابراین مشخصه هایی از گروه شمعها یعنی زاویه مخروط شدگی، زاویه اصطكاك داخلی خاك ماسه‌ای، ضریب فشار جانبی خاك و زاویه اتساع خاك در گروه را تغییر می‌دهیم و مدل‌ها را با هم مقایسه می‌كنیم. باید توجه داشت كه برای شمعهای مخروطی، زاویه مخروط شدگی را از صفر تا 1/6° در چند مرحله افزایش می‌دهیم. در طول مراحل مدلسازی طول همه‌ی شمعها ثابت می‌باشد و فاصله‌ی شمعها از یكدیگر نیز در گروه شمعها بهینه انتخاب شده و ثابت می‌ماند. مدلسازی‌ها برای گروه شمعهای 4 تایی انجام می‌شوند. پس از بدست آوردن نمودارهای نیرو- نشست برای هر گروه شمع ظرفیت باربری كل هر گروه با بهره گرفتن از چندین تكنیک متفاوت و مرسوم اندازه‌گیری شده و گروه شمع دوباره تحت همان نیرو مورد آنالیز قرار می‌گیرد. سپس نتایج حاصل از آنالیز ثانوی را برداشت كرده و با بهره گرفتن از یک سری داده‌های مربوط به تنش مؤثر قائم و بردن آنها به نرم‌افزار تجاری “surfer 2009” یک انتگرال‌گیری عددی روی سطح كف شمعها انجام می‌دهیم تا مقدار ظرفیت باربری اتكائی و اصطكاكی شمعها را نیز در اختیار داشته باشیم. بدین صورت مقایسات بهتری را برای هر گروه شمع خواهیم داشت.
در فصل بعدی از پایان نامه مروری بر تحقیقات و مطالعات انجام شده و روش‌های محاسبه ظرفیت باربری شمعهای مخروطی و استوانه‌ای خواهیم داشت.
فرم در حال بارگذاری ...
