به طور کلی یکی از راهکارهای تقلیل نشست خاک زیرین سازه های بلند و خاص، استفاده از پی های گسترده و شمع، بجای پی های نواری و منفرد می باشد. علیرغم مخارج بالا، در عمل موارد متعددی وجود دارد که برای ایمنی ساختمان در برابر نشست و عوامل دیگر، از پی های شمعی استفاده می شود. در دهه اخیر اجرای ریزشمع ها (micropiles) در پروژه های بزرگ ساختمانی به دلیل مزایای منحصر به فرد این روش در مقایسه با شمع های بتنی متداول، بطور گسترده افزایش یافته است. هدف از انجام این پروژه تحقیقاتی، آن است تا با توجه به مطالبی که در ادامه ذکر خواهد شد، با انجام این پژوهش، ابتدا روشهای محاسبه، ساخت واجرای شمع ها ی متداول و سنتی معرفی و مورد بررسی قرار گیرد، در ادامه روشهای نوینی همچون استفاده از ریزشمع ها و کاربرد آنها در فعالیتهای مختلف عمرانی معرفی شده و روشهای محاسبه، ساخت و اجرای این المانها بطور کامل مورد بررسی قرار گرفته، و مقایسه ای بین مزایا و معایب هرکدام از این دو روش صورت پذیرد. در این تحقیق سعی بر آن است تا با مدلسازی و تحلیل تعداد زیادی از ساختمانهای مستقر بر بسترهای ماسه ساحلی، با توجه به تنوع پارامترهای مختلف خاک و بزرگی و یا کوچکی پروژه های مورد نظر، که نیاز به استفاده از شمع و یا ریزشمع در آنها وجود دارد و با استفاده از نرم افزارهایplaxis و safe و نیز با بهره گیری از آیین نامه ریزشمع اداره بزرگراه های آمریکا (fhwa)، مقایسه ای بین شمعهای بتنی درجاریز متداول و ریزشمعها صورت گرفته و عوامل موثر بر انتخاب بهترین گزینه از قبیل حجم مصالح مصرفی، نیروی انسانی، زمان اجرا و... مورد بررسی قرار گیرد و جایگاه واقعی این روش در مقایسه با شمعهای بتنی درجاریز متداول سنجیده شود تا بستری فراهم گردد که با توجه به مشخصات خاک بستر و نیز بارهای وارده از طرف سازه، امکان انتخاب بهترین گزینه از بین این دو روش مسیر گردد. در این تحقیق یک جامعه آماری با تعداد نمونه های کافی مشتمل بر 60 نمونه که ماحصل 3 نوع خاک ماسه ای واقعی در سواحل دریای خزر و 10 نوع سازه واقعی می باشد، با هر دو روش اجرای شمع سنتی و ریزشمع تشکیل و مورد بررسی قرار گرفت. در حالت کلی، با توجه به انبوه تحلیلهای انجام شده و نیز شرایط اقتصادی امروز، اجرای ریزشمع ها برای سازه های با بار متوسط ستون کمتر از 650 تن اقتصادی می باشد. مقایسه صورت گرفته نشان می دهد که اختلاف هزینه پی شمعی و پی ریزشمعی در خاکهای ماسه ای با تراکم پایین به مراتب بیشتر از اختلاف هزینه پی شمعی و پی ریزشمعی در خاکهای ماسه ای با تراکم متوسط و متراکم می باشد.

استفاده از سیستم میخکوبی به منظور پایدارسازی گودبرداری های عمیق، در سالهای اخیر افزایش پیدا کرده است. این روش به خاطر محاسن فنی و اقتصادی و همچنین سرعت بالای اجرا، مقبولیت جهانی یافته است. در طراحی دیوارهای میخکوبی شده، مقادیر تغییرمکان دیواره نباید از حدود مجاز تجاوز نماید، به ویژه زمانیکه ساختمان یا سایر تاسیسات زیرزمینی در نزدیکی محل گودبرداری وجود داشته باشد. روشهای تعادل حدی که برای تحلیل و طراحی دیوارهای میخکوبی شده مورد استفاده قرار می گیرند، هیچگونه اطلاعی درباره مقادیر تغییرمکان دیواره، به دست نمی دهند. بنابراین استفاده از روشهای عددی مانند روش المان محدود به منظور پیش بینی مقادیر تغییرمکان دیوارهای میخکوبی شده و برای اطمینان از عدم تجاوز این مقادیر از حدود مجاز، ضروری می باشد. آئین نامه اداره بزرگراه های آمریکا (fhwa-2003)، مقادیر تغییرمکان جانبی بالای دیوارهای میخکوبی شده را بر اساس ضریبی از ارتفاع دیواره، پیش بینی می نماید. در این تحقیق سعی بر آن است که دقت تحلیلهای عددی و پیش بینی های آئین نامه ای در برآورد مقادیر واقعی تغییرمکانهای دیوارهای میخکوبی شده، مورد بررسی قرار گیرد. برای این منظور، هفت دیوار مورد مطالعه قرار گرفت که مقادیر تغییرمکان آنها از طریق نصب شیب سنجها در داخل دیواره و یا انجام عملیات نقشه برداری و میکروژئودزی، به دست آمده بود. این دیوارها به روش عددی و با استفاده از نرم-افزار المان محدود plaxis، مدلسازی شدند و مقادیر تغییرمکان دیوارها در مراحل مختلف گودبرداری، محاسبه گردید. مطالعه عددی هفت دیوار مذکور نشان داد که در حالت کلی، نتایج حاصل از تحلیلهای عددی از نظر مقدار و توزیع، به مقادیر واقعی تغییرمکانهای اندازه گیری شده نزدیک می باشد، با این توضیح که در قسمتهای بالایی همه دیوارها، مقادیر حاصل از تحلیلهای عددی کمتر از مقادیر واقعی به دست می آید. از دیگر نتایج مهم به دست آمده این بود که آئین نامه fhwa مقدار تغییرمکان را برای دیوارهای با ارتفاع زیاد که از خاکهای دانه ای همراه با ریزدانه غیرچسبنده (خاکهای شنی و ماسه ای همراه با سیلت)، تشکیل شده اند، خیلی کمتر از مقادیر واقعی پیش بینی می نماید.

یکی از روشهای موثردر بهبود ظرفیت باربری خاک و کاهش نشست پی ها ، اجرای ریزشمع در زیر فونداسیون می باشد. روشهای متداول اجرای شمعهای بتنی در جا و یا کوبیدن شمعهای پیش ساخته توأم با دست خوردن خاک اطراف شمع می باشد، لیکن ریز شمع ها به دلیل قطر کوچک و نحوه خاص اجرا کمترین دست خورد گی را در خاک زیر پی ایجاد کرده و بعلاوه سرعت اجرای بالاتر و هزینه کمتری را نیز به همراه دارند. از اینرو در دو دهه اخیر استفاده از ریز شمع به عنوان یک گزینه مناسب و آسان نسبت به استفاده از شمع و یا سایر روشهای بهبود ظرفیت باربری خاک همچون تراکم دینامیکی مطرح شده و در بسیاری از پروژه ها به کار برده شده است. مسئله کمینه سازی هزینه های ساخت همواره یکی از چالش های پیمانکاران و مهندسین ژئوتکنیک بوده است. در مورد ریز شمعها، تحلیل هزینه ای بسیارکمی درزمینه کاهش هزینه های اجرایی با رویکرد تغییر چیدمان ریز شمع ها در پی و کاهش تعداد آنها با استفاده از روش های بهینه سازی انجام گرفته است. در این تحقیق ضمن بررسی روشهای متداول طراحی ریز شمع ها، به ارائه یک الگوریتم طراحی برای تعیین چیدمان ، قطر میلگرد تقویتی و طول بهینه ریز شمع ها، مبتنی بر یک الگوریتم ژنتیک پرداخته شده است. تابع هدف شامل کلیه هزینه های اجرائی ریز شمعها بوده و قیود طراحی حاکم بر مسئله بهینه سازی نیز با توجه به محدودیت های اجرایی فواصل ریز شمع ها از یکدیگر ، تنشها و تغییر مکانهای مجاز زیر پی تعریف شده اند. در انتها برای نشان دادن قابلیت و عملکرد برنامه نوشته شده،یک مثال عددی از طراحی ریز شمع ها در زیر یک مجموعه فونداسیون بر اساس روش مرسوم طراحی ارائه و سپس طرح مزبوربا استفاده از برنامه نوشته شده در محیط ویژوال بیسیک بهینه سازی شده و با طرح غیر بهینه مقایسه شده است. به کمک مثال مزبور اثر پارامترهای موثر بر روی طراحی ریز شمعها بصورت عددی بررسی شده است.

ریزشمع ها به طور موثری در بسیاری از پروژه های بهسازی برای افزایش ظرفیت باربری و کاهش نشست به ویژه در مقاوم سازی پی های موجود استفاده می شوند. ریزشمع ها که به عنوان المان هایی جهت حفاظت از پی، بارهای استاتیکی و لرزه ای را تحمل می کنند و یا به عنوان مسلح کننده های درجا برای پایدارسازی شیب و خاکبرداری ها به کار می روند، عموما در فواصل نزدیک به هم و به صورت گروهی نصب می شوند. اثر گروه باعث می شود رفتار هر ریزشمع درون گروه متفاوت از یک ریزشمع تکی باشد. در این تحقیق، رفتار گروه ریزشمع قائم تحت بار محوری استاتیکی با استفاده از نرم افزار المان محدود plaxis 3d foundation مورد بررسی قرار گرفته است. مدل الاستیک خطی برای مدلسازی ریزشمع ها و مدل موهر- کولمب برای شبیه سازی خاک اطراف استفاده شد. بدین منظور نتایج حاصل از کالیبره کردن دو آزمایش بزرگ مقیاس پس از مدلسازی، مطالعه شده است. نتایج این تحقیق در محدوده مقادیر بارهای مجاز می باشد. در این مطالعه، با تحلیل برنامه با ابعاد مختلف و مقایسه با نتایج آزمایش بارگذاری انجام شده، مناسب ترین ابعاد برای مدلسازی انتخاب شده است. بدین ترتیب، عرض مدل برای ریزشمع تکی تحت بار محوری استاتیکی 100d و ارتفاع مدل 1.5l و عرض و ارتفاع مدل برای گروه ریزشمع قائم تحت بار محوری استاتیکی به ترتیب برابر 30b و 1.5l بدست آمده است (d : قطر ریزشمع، l : طول ریزشمع و b : عرض کلاهک گروه ریزشمع). در بررسی پارامتریک گروه ریزشمع، با افزایش قطر، طول و فاصله ریزشمع ها در گروه، سختی گروه ریزشمع افزایش یافته است. افزایش تراکم خاک و افزایش تعداد ریزشمع ها در گروه، نیز افزایش سختی گروه را به همراه داشته است. در آرایش های مختلف گروه ریزشمع، میزان ضریب گروه ریزشمع تحت بار مجاز محاسبه شد و روابطی برای ضریب گروه ریزشمع بدست آمد. همچنین، رفتار گروه ریزشمع با برنامه آزمایش میدانی در سایتی واقع در بندرعباس مورد بررسی قرار گرفته است. برنامه شامل آزمایش های بارگذاری محوری استاتیکی روی ریزشمع تکی و گروه ریزشمع می باشد. نتایج آزمایش با نتایج آنالیزهای عددی که با استفاده از روش المان محدود سه بعدی انجام شده، مقایسه شده است.

یکی از روش های بهسازی و اصلاح خاک روش تزریق دوغاب در خاک می باشد. تزریق دوغاب معمولاً به منظور پر کردن منافذ خاک با هدف افزایش مقاومت در برابر تغییر شکل و افزایش پارامترهایی نظیر چسبندگی، نفوذناپذیری، مقاومت برشی و فشاری صورت می پذیرد. از روش تزریق نفوذی جهت پرکردن منافذ و یا ترکها درسنگهای بزرگ و یا حفره های باز خاک بدون هرگونه اختلال دربافت و یا ساختار خاک استفاده می شود. دوغاب درفضای خالی بین دانه های خاک نفوذ می کند و به طور موثر توده های خاک را به هم می چسباند. ولی در روش تزریق تراکمی دوغاب با ویسکوزیته بالا و اسلامپ کم بدون نفوذ در منافذ بین ذرات خاک، جایگزین خاک سست شده و با جابجایی خاک باعث تراکم و در نتیجه افزایش مقاومت نواحی مجاور آن می شود. هدف اصلی در این تحقیق آن است که تأثیر هر یک از روش های تزریق نفوذی و تزریق تراکمی بر روی پارامترهای مقاومت برشی خاک های ماسه ای ساحلی خشک و اشباع مشخص شود. با توجه به مکانیسم هر یک از روش های مذکور در بهسازی پارامترهای مقاومتی خاک، پارامترهای آزمایشگاهی متفاوتی در هر یک از آنها مورد بررسی قرار گرفته است. بدین صورت که در روش تزریق نفوذی از چهار تست مدل استفاده شده است که اثر این روش را با نسبت های مختلف آب به سیمان مورد بررسی قرار می دهد. ولی در روش تزریق تراکمی نسبت آب به سیمان و مصالح دانه ای ثابت بوده ولی در عوض حجم دوغاب مصرفی در مدل های تزریق متفاوت می-باشد. بدین طریق می توان اثر افزایش حجم دوغاب مصرفی را بر روی میزان تراکم و افزایش پارامترهای مقاومتی خاک مشخص کرد. در انتها به وسیله انجام آزمایشات برش مستقیم بر روی نمونه های اخذ شده از مدلها و براساس نتایج بدست آمده مناسبترین و بهینه ترین روش از نظر فنی و اقتصادی معرفی شده است. نتایج آزمایشات حاکی از این است که روش تزریق نفوذی تأثیر بهتری بر روی زاویه اصطکاک داخلی ماسه ساحلی داشته و افزایش نسبت آب به سیمان تأثیر چندانی در زاویه اصطکاک داخلی ماسه تزریق شده نداشته و برخلاف روش تزریق تراکمی که تأثیری بر چسبندگی ماسه ندارد تنها باعث افزایش چسبندگی ماسه ساحلی می شود. همچنین مشخص شد که در روش تزریق نفوذی به سبب افزایش سختی نمونه و ایجاد ساختاری شبیه به بتن، مدت زمان گسیختگی کاهش یافته و نوع گسیختگی آن به نحوه گسیختگی بتن شباهت دارد. نکته قابل ذکر دیگر این است که با افزایش فاصله افقی و عمودی از مرکز تزریق، پارامترهایی از قبیل دانسیته، سختی، مقاومت برشی، چسبندگی و زاویه اصطکاک داخلی کاهش یافته و مکانیسم تزریق نفوذی رفتاری مشابه تزریق تراکمی از خود نشان می دهد. در انتها مشخص شد که عوامل زیادی نظیر فشار تزریق، عمق لایه خاک و سطح آب زیرزمینی در عملکرد هر یک از روشهای تزریق نفوذی و تزریق تراکمی موثر هستند و به طور خاص در مورد ماسه ساحلی مورد نظر در این تحقیق، روش تزریق نفوذی از نظر فنی و اقتصادی، مناسب تر و بهینه تر می باشد، چراکه حتی در نسبت های بالای آب به سیمان نیز نتایج به مراتب بهتری به دست داده است.

به منظور بررسی اثر توزیع سختی برشی بر پاسخ دینامیکی محیط هایی مانند خاک که در آن سختی برشی با افزایش عمق بطور پیوسته افزایش می یابد، به دو شکل مطالعه انجام پذیرفته است. در قسمت اول، حل تحلیلی بمنظور تعیین پاسخ دینامیکی یک لایه خاک ناهمگن پیوسته مستقر بر سنگ بستر متحرک ارائه شده است. توزیع سختی برشی با توابع خطی، سهموی، و نمایی نسبت به عمق تغییر می یابد. مسئله با استفاده از سری توانی، حل گردیده است. نتایج ارائه شده، تاثیر پارامتر ناهمگنی عمقی و نحوه توزیع سختی برشی را بر ضریب بزرگنمایی در سطح و فرکانس تشدید نشان می دهد. همچنین این تاثیرات، با ثابت فرض نمودن سختی برشی در سطح، روی سنگ بستر و محتوای سختی، بررسی گردیده. در قسمت بعدی، پاسخ دینامیکی یک پی سطحی نواری مستقر بر نیم فضای ناهمگن پیوسته، بطوری که پی با یک بار هارمونیک نوسان می کند بررسی گردیده است. مسئله با استفاده از یک برنامه تفاضل محدود، بررسی شده است. در این محیط، سختی برشی با توابع نمایی و درجه دو نسبت به عمق افزایش می یابد و تاثیر نحوه توزیع، با ملحوظ نمودن سختی برشی در سطح، عمق بینهایت و محتوای سختی ثابت، بررسی گردیده است و با مطالعات گذشته که در آنها محیط همگن در نظر گرفته می شد، مقایسه شده است. نتایج بدست آمده در هر دو قسمت، با مطالعات قبلی که عموماً لایه خاک را همگن فرض می نمودند، مقایسه شده است.

مدلهای مبتنی بر مکانیک محیطهای پیوسته و استفاده از روش المانهای محدود که برای تحلیل تنش در محیطهای سنگی بکار می روند، عمدتا منجر به نتایجی می شوند که با نتایج آزمایشگاهی و مشاهدات محلی مغایرت دارد. وجود ناپیوستگی های مختلف اعم از درزه، گسل و ...، ایجاد و گسترش ترکها نامنظم، رفتار اصطکاکی این ترکها و تاثیر آنها بر رفتار کلی مجموعه مهمترین دلایل عدم کفایت مدلهای تحلیلی پیوسته می باشند.در این پایان نامه سعی گردیده است با ارائه مدلهای گوناگون قابلیت روش ترکیبی المانها محدود - المانهای مجزا و مزایای این روش در تحلیل محیط های سنگی معرفی گردد.در این مدلها، محیط سنگی با یک شبکه ترکیبی از المانهای محدود / الماننهای مجزا مدل گردیده و سپس تحلیل از یک محیط پیوسته شروع می گردد و ضمن پیش بینی ایجاد ترک، کنترل گسترش ترک بر مبنای روشهای مبتنی بر نرم شدگی مصالح، انجام می شود. سپس با استفاده از یک تکنیک ویژه مش بندی مجدد ترکها بصورت هندسی مدل شده و شبکه ریزتری در اطراف ترکها ایجاد می شود تا تقریب عددی بهبود یابد و چنانکه مشاهده خواهد شد؛ بدینوسیله بسیاری از نواقص مدلهای مبتنی بر مکانیک محیط پیوسته رفع خواهد گردید.