مطالعه عددی رفتار شالوده های شمعی در معرض اصطکاک منفی جدار

اصطکاک منفی جدار یک پدیده نامطلوب در شالوده های شمعی قرار گرفته در یک لایه خاک نرم و تحکیم پذیر است. در مطالعه عددی حاضر رفتار تک شمع های متکی به نوک، با قابلیت جابجایی محدود نوک (socketed pile) و شناور در معرض اصطکاک منفی جدار، بار مرده و بار زنده گذرا با استفاده از یک مدل اجزا محدود با تقارن محوری مورد بررسی قرار گرفت. اصطکاک منفی جدار ناشی از دو عامل افت سطح آب زیرزمینی و اعمال سربار بر سطح زمین، که از دلایل معمول اصطکاک منفی جدار در عمل می باشند، مدل گردید. رفتار گروه های شمع نیز در معرض اصطکاک منفی جدار با بسط مدل دوبعدی متقارن محوری به یک مدل اجزا محدود سه بعدی مطالعه شد. نتایج مدلسازی ها در برابر نتایج آزمایشگاهی، مشاهدات صحرایی، برخی روش های تجربی برآورد نیروی اصطکاک منفی جدار در شمع های تک و گروه های شمع و همچنین برخی مطالعات عددی دیگر مقایسه شد. مقایسه های انجام شده نشان داد که در مطالعه عددی پدیده اصطکاک منفی جدار، تاثیر المان های فصل مشترک (interface elements) در سطح تماس خاک و شمع نقش بسزایی در مدلسازی و بروز پدیده اصطکاک منفی جدار دارند و ویژگی های آنها (نظیر زاویه تماس بین خاک- شمع) بایستی متناسب با نوع مدل رفتاری انتخاب شده برای خاک نرم تعیین شود. مقایسه نتایج حاصل از مدلسازی ها با نتایج حاصل از یک آزمایش سانتریفوژ نشان داد که مدل عدی حاضر قادر است تا بزرگی نیروی فروکش و محل نقطه خنثی را بدرستی محاسبه نماید. خطای نتایج مدلسازی عددی در برابر نتایج آزمایش سانتریفوژ در حدود %10± می باشد. نظر به اینکه روش های تجربی ? و ? (empirical methods) مبتنی بر توسعه کامل اصطکاک منفی جدار می باشند، بنابراین حداکثر نیروی فروکش در جسم شمع را بیش از حد تخمین می زنند و بعنوان یک تقریب قابل اطمینان قابل استفاده می باشند. مقایسه نتایج تحلیل عددی سه بعدی در برابر برخی روشهای تجربی و تحلیلی موجود در آیین نامه های طراحی شمع در معرض اصطکاک منفی جدار نشان داد که چنین روشهایی بعضا در برآورد نیروی اصطکاک منفی جدار دارای خطا بوده و بعضا منجر به طراحی محافظه کارانه سازه شمع می گردد. رژیم تنش های موثر کاهش یافته که دلیل اصلی و بنیادی مکانیسم اثر گروه در پدیده اصطکاک منفی جدار می باشد، به کمک تحلیل عددی مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از تحلیل های عددی دو بعدی متقارن محوری و سه بعدی برخی موضوعات نظیر اثرات زمان در نحوه بسیج اصطکاک منفی جدار، تاثیر شدت سربار روی اصطکاک منفی جدار بسیج شده، تاثیر بار زنده گذرا روی نیروی فروکش قفل شده در نقطه خنثی، اثرات نامساعد اعمال تنش های نرمال نامتعادل به وجوه مختلف شمع ها ناشی از اصطکاک منفی جدار، اثر تعدیل کننده کلاهک صلب گروه، اثر فاصله قرارگیری شمع ها در گروه روی اثر گروه در پدیده اصطکاک منفی جدار و نهایتا تغییرات فاکتور کاهنده گروه در شرایط مختلف خاک- شمع مورد بررسی قرار گرفت. بررسی های انجام گرفته نشان داد که با نرم تر شدن شرایط نوک (تکیه گاهی) شمع، حداکثر نیروی فروکش وارد به جسم شمع و عمق نقطه خنثی از سطح زمین کاهش می یابد. بار زنده منتقل شده به نقطه خنثی عملا مستقل از بزرگی نیروی فروکش قفل شده در نقطه خنثی، شدت سربار و بزرگی بار زنده می باشد؛ بار زنده منتقل شده به نقطه خنثی با افزایش سختی نسبی شمع- خاک (k) افزایش و با افزایش نسبت لاغری شمع (l/d) کاهش می یابد. بررسی رژیم تنش های موثر کاهش یافته در توده خاک واقع در زیر گروه شمع مبین اثر گروه متفاوت در شمع های واقع در یک گروه شمع با موضع قرارگیری مختلف است. تنش های نرمال نامتوازن وارد بر وجوه مختلف شمع های واقع در یک گروه شمع ناشی از اصطکاک منفی جدار، منجر به اعمال اضافه لنگرهای خمشی به جسم شمع ها می گردد. کلاهک صلب گروه شمع با افزایش حداکثر نیروی فروکش شمع درونی و کاهش حداکثر نیروی فروکش شمع گوشه، موجب توزیع یکنواخت تر نیروی فروکش در شمع های واقع در یک گروه شمع متصل به یک کلاهک صلب می گردد. متوسط مقدار فاکتور کاهنده گروه در قالب فاکتور grf با افزایش نسبت لاغری شمع افزایش و با افزایش شدت سربار کاهش می یابد.