فهرست مطالب عنوان صفحه فصل اول: مقدمه1-1- مقدمه ................................. 21-2- هندسه متعارف برخی شمعهای درجا ......... 31-3- نحوه قرارگيري شمعها در خاک ............ 51-4- گروه شمعها ............................ 6فصل دوم: مروری بر تحقیقات گذشته 2-1- مقدمه ................................. 102-2- مطالعات آزمايشگاهي انجام شده بر روي شمع‌هاي مخروطي 102-3- مدلسازيهاي انجام شده براي شمع‌هاي مخروطي 172-4- روشهاي تحليلي براي شمع‌هاي باريك شونده . 192-5- ساير مطالعات .......................... 21فصل سوم: روش تحقیق 3-1- مقدمه ................................. 233-2- مدل‌هاي شمع تكي ........................ 233-3- مشخصات خاك‌هاي مورد استفاده ............ 283-4- ابعاد Borehole (كلاستر) ................. 30عنوان صفحه3-5- مش‌بندي كلاستر .......................... 313-6- مدل گروهشمع‌ها ........................ 323-7- نحوه‌ي آناليز مد‌ل‌ها و بدست آوردن نتايج . 353-8- نحوه مدلسازي در برنامه PLAXIS سه بعدی2012 37فصل چهارم: تفسیر نتایج4-1- مقدمه ................................. 434-2- نتايج مدل‌سازي‌ها ....................... 444-3- روشهاي محاسبه‌ي ظرفيت باربري در اين تحقيق با استفاده از نمودارهاي نيرو-نشست ....................................... 454-3-1- روش مماس بر منحني “US Army Corps of Engineers” 454-3-2- روش “Davisson 1967” ................. 464-4- نتايج شمع تكي در ماسه و رس ............ 474-4-1- تفسير نتايج شمع تكي در ماسه و رس .. 494-5- نتايج گروه شمعها در ماسه و رس ......... 504-5-1- تفسير نتايج گروه شمعها در ماسه و رس 524-6- مقایسه نمودارها و واریوگرام ها ........ 564-7- مقايسه ظرفيت باربري گروه شمعها در ماسه و رس 594-8- ارائه رابطه‌اي براي كارآمدي گروه شمع‌هاي مخروطي و استوانه‌اي ............................................ 644-8-1- مقايسه معادله‌ي بدست آمده براي بازدهي گروه شمعها با ديگر معادلاتارائه شده ............................... 704-9- بازدهي اصطكاكي و اتكايي شمعها ......... 724-10- مقايسه‌ي فاكتور نشست در گروه شمع‌هاي استوانه‌اي و مخروطي در ماسه ....................................... 744-11- بررسی وضعیت تنش ها روی صفحات بلوک گروه 764-11-1- وضعيت تنش‌هاي برشي روي صفحات ديواره بلوك گروه شمعها ............................................ 76عنوان صفحه4-11-2- وضعيت تنش در صفحات انتهايي بلوك گروه شمعها بدون در نظر گرفتنسطح انتهايي خود شمعها ................... 784-11-3- نقاط پلاستيك و الاستيك ............. 79فصل پنجم: نتیجهگیری و پیشنهادات 5-1- نتيجه‌گيري ............................. 835-2- پیشنهادات ............................. 85پیوست ...................................... 86منابع و مراجع .............................. 111فهرست جداول عنوان صفحه جدول 2-1-مشخصات خاک مورد استفاده در آزمایش EL NAGGAR 13جدول 3-1-مشخصات شمعهای مخروطی مدلسازی ..... 27جدول 3-2-مشخصات بتن مورد استفاده در مدلسازیها 28جدول 3-3-مشخصات خاک ماسهای مورد استفاده در مدلسازیها 29جدول 3-4-حالات مختلف در نظر گرفته شده برای مدلسازیها در ماسه 29جدول 3-5-مشخصات خاک رسی مورد استفاده در مدلسازیها 30جدول 3-6-مشخصات خاک سست مورد استفاده در مدلسازیها 38جدول 3-7-مشخصات مشبندی مورد استفاده در مدلسازیها 39جدول 4-1-مقادیر باربری شمعهای تکی در ماسه با زاویه اصطکاک داخلی 33 درجه..................................... 48جدول 4-2-مقادیر باربری شمعهای تکی در ماسه با زاویه اصطکاک داخلی 38 درجه..................................... 48جدول 4-3-مقادیر باربری شمعهای تکی در ماسه با زاویه اصطکاک داخلی 43 درجه..................................... 49جدول 4-4-مقادیر ظرفیت باربری اتکایی و اصطکاکی شمع مخروطی با زاویه مخروطشدگی 0.8 درجه .............................. 56جدول 4-5-مقادیر باربری گروه شمعها در ماسه با زاویه اصطکاک داخلی 33 درجه .................................... 58جدول 4-6-مقادیر باربری گروه شمعها در ماسه با زاویه اصطکاک داخلی 38 درجه .................................... 58جدول 4-7- مقادیر باربری گروه شمعها در ماسه با زاویه اصطکاک داخلی 43 درجه .................................... 59جدول 4-8- مقادیر باربری گروه شمعها در ماسه با ضریب فشار جانبی k˳=0/45 ..................................... 63عنوان صفحهجدول 4-9-مقادیر باربری گروه شمعها در ماسه با ضریب فشار جانبیk˳=0/7 ................................ 63جدول 4-10-مقادیر باربری گروه شمعها در ماسه با ضریب فشار جانبی k˳=0/95 ..................................... 63جدول 4-11-مقایسه بازدهی گروه شمعها از روشهای گوناگون 71 فهرست اشکال عنوان صفحه شکل 1-1- هندسه برخی شمعهای درجا ........... 4شکل 1-2- تنشها اطراف یک شمع اصـطکاکی و تداخل محدوده تنشها دریک گروه... 6...................................شکل 1-3- الگوهای متعارف گروه شـمـعها- (a) بـرای دالهای بتنی تکی (b) برایدیوارهای بتنی .............................. .7شکل 2-1- هندسه شمعهای مورد استفاده در آزمایش های EL NAGGAR 12شکل 2-2- نـمودارهای نیرو- نشست آزمایـشهای EL NAGGAR برای شـمعهای0/95 درجه و مخروطی 0/6 درجه قرار گرفته در ماسه با تراکم شل 14شکل 2-3- نـمودارهای نیرو- نشست آزمایـشهای EL NAGGAR برای شـمعهای0/95 درجه و استوانهای قرار گرفته در ماسه با تراکم متوسط 15شکل 2-4- تحلیل نیروهای وارد بر یک شمع مخروطی به روش BOWLES 20شکل 3-1- نحوه ساخت شمعهای مخروطی با ثابت نگه داشتن سطح مقطع 24شکل 3-2- نحوه ساخت شمعهای مخروطی با تغییر سطح مقطع 24شکل 3-3- متغیرهای تعریف شده شمع مخروطی ..... 26شکل 3-4- شمعهای مخروطی در کنار شمع استوانهای هم حجم 27شکل 3-5- پلان کلاستر و گروه شمع قرار گرفته در آن و دربرگرفتن محدوده تنشهاتوسط کلاستر ................................. 31شکل 3-6- بلوک گروه شمعهای مشبندی شده با اندازه متفاوت 32عنوان صفحهشکل 3-7- پلان گروه شمعها و نحوه قرارگیری آنها در گروه 33شکل 3-8- مدل کامل شده برای گروه شمعها در خاک 34شکل 3-9- محاسبه نیروی باربری اتکایی بدنه هر شمع مخروطی 36شکل 3-10- مشبندی خاک مورد استفاده در کلاستر . 39شکل 3-11- مشبندی خـاک مورد استفاده در کلاستر و محـل قـرارگیری مدل گروهشمع‌ها در آن ................................ 40شکل 3-12- نحوه بارگذاری روی کلاهک گروه شمعها 41شکل 4-1- نحوه محاسبه ظرفیت باربری از روش مماسی 45شکل 4-2- نحوه محاسبه ظرفیت باربری از روش DAVISSON 46شکل 4-3- نمودارهای ظرفیت باربری برحسب زاویه مخروطی شمعهای تکی ............................................ 47شکل 4-4- نمودارهای ظرفیت باربری گروه شمعهای مخروطی و استوانهای در ماسه بازاویه اصطکاک داخلی 33 درجه ................. 50شکل 4-5- نمودارهای ظرفیت باربری گروه شمعهای مخروطی و استوانهای در ماسه بازاویه اصطکاک داخلی 38 درجه ................. 51شکل 4-6- نمودارهای ظرفیت باربری گروه شمعهای مخروطی و استوانهای در ماسه بازاویه اصطکاک داخلی 43 درجه ................. 51شکل 4-7- نمودارهای ظرفیت باربری گروه شمعهای مخروطی و استوانهای در رس ...................................... 52شکل 4-8- توزیع سه بعدی تنش روی سطح انتهایی شمعهای مخروطی و استوانهای................................... 53شکل 4-9- توپوگرافی توزیع تنش روی سطح انتهایی شمعهای مخروطی و استوانهایهمحجم ...................................... 54شکل 4-10- توزیع سه بعدی تنش روی سطح انتهایی شمعهای مخروطی و استوانهای...55..............................شکل 4-11- توپوگرافی توزیع تنش روی سطح انتهایی شمعهای مخروطی و استوانهایهمحجم ...................................... 55شکل 4-12- واریوگرامهای تنش موثر در سطح انتهایی شمع مخروطی و استوانهای دردو نوع ماسه ................................ 57عنوان صفحهشکل 4-13- نمودارهای نیرو- نشست گروه شمعها در ماسه با زاویه اصـطکاک داخـلی33 درجه .................................... 61شکل 4-14- نمودارهای نیرو- نشست گروه شمعها در ماسه با زاویه اصـطکاک داخـلی38 درجه .................................... 61شکل 4-15- نمودارهای نیرو- نشست گروه شمعها در ماسه با زاویه اصـطکاک داخـلی43 درجه .................................... 62شـکل 4-16- نـمودار بـازدهی گـروه شـمـعها ارایـه شـده تـوسط KISHIDA &MEYERHOF ................................. 65شکل 4-17- نمودار بازدهی گروه شمعها ارایه شده توسط VESIC 66شکل 4-18- نمودار بازدهی گروه شمعها ارایه شده توسط SAYED & BAKEER..................................... 67شکل 4-19- نمودار بازدهی گروه شـمعهای مخـروطی و استوانهای ارایـه شده در اینتحقیق ...................................... 69شکل 4-20- دستهبندی معادلات بـازدهی بر اسـاس در نـظرگرفـتن کلاهـک گـروهشمعها....................................... 71شکل 4-21- نمودار بازدهی اصطکاکی و اتکایی گروه شمعها در خاک ماسهای با زاویهاصطکاک داخلی 33 درجه ....................... 72شکل 4-22- نمودار بازدهی اصطکاکی و اتکایی گروه شمعها در خاک ماسهای با زاویهاصطکاک داخلی 38 درجه ....................... 73شکل 4-23- نمودار بازدهی اصطکاکی و اتکایی گروه شمعها در خاک ماسهای با زاویهاصطکاک داخلی 43 درجه ....................... 73شکل 4-24- نمودار فاکتور نشست ارایه شده توسط VESIC 74شکل 4-25- نمودار فاکتور نشست بر حسب زاویه مخروطشدگی 75شکل 4-26- توزیع تنش برشی روی دیواره کناری بلوک گروه شمعهای استوانهای .................................. 76شکل 4-27- توزیع تنش برشی روی دیواره کناری بلوک گروه شمعهای مخروطی ............................................ 77شکل 4-28- توزیع تنش عمودی روی سطح انتهایی بلوک گروه شمعهای استوانهای .................................. 78شکل 4-29- توزیع تنش عمودی روی سطح انتهایی بلوک گروه شمعهای مخروطی ............................................ 79عنوان صفحهشکل 4-30- نقاط الاستیک درون کلاستر خاک ....... 80شکل 4-31- نقاط پلاستیک درون کلاستر خاک ....... 801-1- مقدمه شمعها اعضاي سازه‌اي از چوب، بتن، فولاد و یا مصالح دیگر هستند كه براي انتقال بارهاي سطحي به سطوح پايين‌تر در خاك مورد استفاده قرار مي‌گيرند. اين انتقال توسط توزيع بار در طول بدنه شمع يا انتقال مستقيم بار به لايه پايين‌تر از طريق نوك شمع صورت مي‌گيرد كه حالت اول را شمع اصطكاكي و حالت دوم را شمع اتكايي گويند. معمولاَ همه‌ي شمعها بار را به صورت تركيبي از اصطكاك بدنه و مقاومت نوك انتقال مي‌دهند مگر مواردی كه مثلاَ شمع در يك خاك خيلي نرم نفوذ كرده تا به يك بستر سخت برسد. شمعها معمولاً براي اهداف زير استفاده مي‌شوند:1- انتقال بار سازه‌هاي عظيم به درون لايه‌هاي زيرين. (بارهاي عمودي و جانبي)2- مقاومت در مقابل نيروي كششي رو به بالا يا واژگوني به عنوان مثال براي پي‌هاي يكنواخت در زير سطح آب يا براي نگه‌داشتن پايه‌هاي پل در مقابل واژگوني ناشي از بارهاي جانبي نظير باد.3- تراكم لايه‌هاي نرم و غيرچسبنده توسط تركيبي از جابه‌جايي‌ها توسط حجم شمع و حركت شمع به شيوه‌ي لرزشي . اين نوع شمعها ممكن است بعداً بيرون كشيده شوند.4- كنترل نشست، هنگامي كه پي نواري يا گسترده روي خاكي كه در زير آن لايه‌اي با قابليت تراكم زياد قرار دارد.5- سخت‌تر كردن خاك در زير پي براي كنترل دامنه ارتعاش و فركانس طبيعي سيستم.6- به عنوان ضريب اطميناني بيشتر براي پايه‌ها يا تكيه‌گاه‌هاي پل.7- در سازه‌هاي فراساحلي براي انتقال بارها در بالاي سطح آب به خاك زيرين. گاهي اوقات براي كنترل حركات زميني (براي مثال زمين لغزش‌ها). شمعها تحت بارهاي عمودي و جانبي ممكن است گسيخته شوند. همچنين در اعضاي طويل ممكن است گسيختگي كمانشي رخ دهد.يك پي به صورت شمع بسيار هزينه‌برتر از پي نواري و تقريباً هزينه‌برتر از يك پي گسترده است. در هر مورد طراحي پي‌ها مطالعات در مورد مشخصات خاك محل بسيار حائز اهميت است. زيرا براساس اين مطالعات بايد با دقت تصميم‌گيري شود كه آيا نياز به شمع است و اگر هست آيا به تعداد بيشتري يا طول شمع بيشتري نياز است.ظرفيت باربري شمع به معناي حداكثر بار وارده به شمع مي‌باشد، كه شمع تحت اثر آن به ميزان قابل قبولي نشست كند. در نظر گرفتن ظرفيت باربري به ميزان بيشتر از مقدار واقعي، چه بسا موجب وارد آمدن خسارت سنگين به سازه‌ها و يا زوال كلي آنها شده است. از طرف ديگر در نظر گرفتن آن به ميزان كمتر از مقدار واقعي، باعث بزرگ شدن بيش از حد ابعاد شمع شده و آن را غيراقتصادي مي‌سازد. ظرفيت باربري نه تنها به مشخصات مكانيكي خاك و شرايط محيطي بستگي دارد، بلكه تابعي از شكل، ابعاد، جنس و نحوه اجراي آن مي‌باشد. به دست آوردن يك رابطه كلي براي محاسبه ظرفيت باربري شمعها حتي با در نظر گرفتن تعداد محدودي از عوامل مؤثر در آن، منجر به معادلات ديفرانسيل بسيار پيچيده‌اي مي‌شود كه حل آنها در حالت كلي مقدور نبوده و تنها در برخي حالات محدود ميسر مي‌باشد. اگرچه كه امروزه روشهاي تحليلي سودمندي مانند روش اجزاي محدود باعث شده تا گرايش به سمت روشهاي تحليل عددي افزايش يابد. البته بايد توجه داشت كه نتايج حاصل از مدلسازيهاي اجزاي محدود و يا روشهاي مشابه بايد حتماً با نتايج آزمايشگاهي صحت سنجي شوند تا قابل استفاده باشند. 1-2- هندسه متعارف برخي شمع‌هاي درجا يك شمع درجا با حفر يك سوراخ در زمين و پركردن آن با بتن شكل مي‌گيرد. اين سوراخ ممكن است به صورت صندوقچه حفر شده و يا به وسيله راندن يك پوسته يا لوله جداري در زمين ايجاد شود. لوله جداري مي‌تواند توسط يك محور فولادي در زمين رانده شود؛ به طوريكه محور فولادي در هنگام بالا آمدن، لوله جداري را رها مي‌كند.شكل (1-1) برخي از شمع‌هاي درجا كه استفاده از آنها رايج است را نشان مي‌دهد. بايد توجه داشت كه اين شمعها به طور كلي سه نوع مي‌باشند. (1) پوسته‌اي يا جداره‌اي (2) فاقد پوسته و (3) پايه ستوني. شکل 1-1- هندسه برخی شمعهای درجا [1] در شكل (1) موارد (a) و (b) شمع‌هاي بدون پوسته هستند. موارد (b) و (c) شمع‌هاي پايه ستوني هستند كه حداكثر تا 35 متر طول دارند. شمع‌هاي (c) تا (h) از نوع پوسته‌اي هستند كه در بين آنها (f) و (g) شمع‌هاي مخروطي و (h) شمع مخروطي پله‌اي مي‌باشد.شمع‌هاي با مقطع متغير شمع‌هايي هستند كه مقاطع عرضي در قسمت سرشمع نسبت به نوك بزرگتري دارند. يكي از انواع شمع‌هاي با مقطع متغير شمع با مقطع دايروي متغير مي‌باشد كه از لحاظ شكل ظاهري به شكل مخروط بوده و به شمع مخروطي شهرت دارد (شكل 1- موارد f و g). شمع‌هاي به شكل مخروط يك مزيت اساسي نسبت به شمع‌هاي استوانه‌اي دارند و آن اين است كه در حالت اصطكاك به طرف پايين، نيروي محوري شمع از قسمت سرشمع به سمت نوك شمع كم مي‌شود پس از لحاظ مقطع براي انتقال بار سازه‌اي به خاك هر چه به سمت پايين شمع مي‌رويم به مقاطع كوچكتري نياز مي‌باشد كه اين موضوع را در شمع‌هاي مخروطي مشاهده مي‌كنيم. اين امر باعث صرفه‌جويي در حجم مصالح و توزيع صحيح مصالح در شمع مي‌شود. همچنين براي شمع‌هاي تحت بار جانبي هنگامي كه بار جانبي به قسمت سرشمع اعمال مي‌شود، از سر شمع به نوك شمع به دليل انتقال بار به خاك از مقدار نيروي افقي در بدنه سازه‌اي شمع كاسته مي‌شود كه اين امر با شكل و حجم مصالح و اندازه مقاطع شمع مخروطي كه روندي كاهنده در طول شمع دارد مطابقت دارد و در كل مي‌توان گفت كه شمع‌هاي مخروطي نسبت به شمع‌هاي استوانه‌اي داراي يك توزيع مناسب‌تر مصالح براي انتقال انواع بارگذاري‌ها مي‌باشند. براي آنكه يك شالوده به عنوان شمع تعريف شود لازم است كه نسبت عمق به عرض متوسط يا شعاع حداقل برابر 6 باشد. طبق اين تعريف حداكثر زاويه‌اي كه براي يك شمع مخروطي مي‌توان در نظر گرفت 9/46◦ درجه مي‌باشد. بيشتر روابطي كه تاكنون براي شمعها انتشار يافته‌اند مربوط به شمع‌هاي استوانه‌اي يا منشوري مي‌باشند، در حالي كه براي شمع‌هاي مخروطي رابطه تئوري مشخصي ارائه نشده است كه بتواند رفتار آنها در خاك را مشخص كند. با اين حال در سه دهه اخير يك افزايش در علاقه مندي به مطالعه، براي بررسي رفتار شمع‌هاي مخروطي ديده شده است.