بخشی از مقاله
خلاصه
در ساختمانهای با تعداد طبقات بالا، با توجه به وجود بارهای سنگین در فونداسیون و نشست زیادی که انتظار میرود، معمولا از ترکیب پی گسترده و شمع استفاده میشود. روشهای تحلیل سامانههای پی-شمع به سه دسته کلی تقسیمبندی میشوند؛ روشهای محاسباتی ساده شده، روشهای عددی تقریبی و روشهای عددی دقیقتر. در این مطالعه ابتدا خلاصهای از هریک از این روشها ارائه شده و سپس مقایسهای بین آنها انجام شده است. به منظور صحت سنجی روشهای محاسباتی ساده شده، یک سامانه فرضی پی-شمع با استفاده از نرم افزار Plaxis 3D Foundation مدل شده و نتایج آن با نتایج این روشها مقایسه شده است. نتایج نشان میدهد که با ضریب اطمینان زیاد میتوان از روشهای محاسباتی ساده شده برای تعیین ظرفیت باربری پی بهره برد. اما در مورد تخمین نشست، نتایج این روشها تنها برای بارهای کمتر از 20 درصد ظرفیت باربری پی قابل قبول است.
کلمات کلیدی: سامانهی پی-شمع، سختی پی-شمع، سهم باربری پی گسترده و شمعها.
1. مقدمه
یکی از مهمترین جنبه های یک پروژه عمرانی نوع پی آن است که طراحی دقیقو صحیح آن، یقیناً منجر به پروژهای ایمن، کارآمد و اقتصادی میشود. مهندسان ژئوتکتیک طراح، برای ساخت یک سازه سبک و زمانی که نشست های کمی انتظار میرود، پی سطحی را در نظر میگیرند و در شرایطی که ظرفیت باربری پایین و نشستهای قابل توجهی انتظار میرود پیهای عمیق - پیهای شمعی - راهحل مناسبی میباشد. مهندسان در مواقعی که بار سازه بسیار زیاد است و علاوه بر آن نشست قابل توجهی به دلیل وجود لایهی قابل تراکم و یا سطح آب زیرزمینی نزدیک به سطح زمین انتظار میرود، از سامانه ترکیبی پی گسترده و گروه شمع ها استفاده می کنند. این سامانهی ترکیبی "پی گستردهی متکی بر شمع" یا "پی گستردهی مستقر بر شمع" و یا "پی-شمع" نامیده میشود.
2. فلسفه های طراحی سامانهی پی-شمع
محققان برای فرموله کردن فرآیند طراحی پی از فلسفههای طراحی مختلف استفاده میکنند. [1] Randolph سه فلسفه طراحی مختلف در رابطه با پی-شمع تعریف کردهاست؛ - 1 - روش مرسوم: شمعها به عنوان گروه شمع و با فواصل منظم در کل ناحیه پی گسترده طراحی میشوند تا بخش عمدهای از بار را تحمل کنند. مزیت اصلی این روش نسبت به گروههای شمع، تعداد شمع کمتر بکار رفته می باشد زیرا در این روش، تمام بار سازه برخلاف گروه-های شمع توسط شمعها تحمل نمیشود. - 2 - شمع خزشی: شمعها برای عمل در باری که در آن خزش قابل توجهی شروع به رخ دادن میکند و معمولا 70 تا 80 درصد از ظرفیت بار نهایی است، طراحی میشوند. - 3 - کنترل نشست غیریکنواخت: شمعها به صورت استراتژیک و برای کاهش نشست غیریکنواخت و نه به منظور کاهش قابل ملاحظهی نشست کل در زیر پی گسترده قرار داده میشوند.
در این شکل، منحنی صفر رفتار پی گسترده به تنهایی را نشان میدهد که در این مورد، در بار طراحی نشستها بیش از حد هستند. منحنی 1 روش طراحی مرسوم که رفتار سامانهی پی-شمع توسط رفتار گروه شمع اداره میشود، را نشان می دهد که تا حد زیادی میتواند در بار طراحی به صورت خطی عمل کند. در این مورد، شمعها بخش عمدهای از بار را تحمل میکنند. منحنی 2 مربوط به شمعهای خزشی میباشد که شمعها در ضریب ایمنی پایینتری عمل میکنند. اما به دلیل اینکه تعداد شمع کمتری وجود دارد، پی گسترده بار بیشتری نسبت به منحنی 1 تحمل میکند. منحنی 3 رویکرد استفاده از شمعها به عنوان کاهندههای نشست و بهرهگیری از ظرفیت کامل شمعها در بار طراحی را نشان میدهد. درنتیجه، رابطهی بار-نشست ممکن است در بار طراحی غیرخطی باشد، اما با این وجود، کل سامانهی پی دارای یک حاشیه کافی از ایمنی و معیار نشست راضیکننده است. بنابراین طراحی ترسیم شده توسط منحنی 3 قابل قبول میباشد و به احتمال زیاد بسیار مقرون به صرفهتر از طراحیهای نشان داده شده توسط منحنیهای 1و2 است.[2]
3. روشهای تحلیل سامانهی پی- شمع
چندین روش برای تحلیل سامانهی پی-شمع ارائه شده است که برخی از آنها توسط [3] Poulos et al. جمعبندی شده است. سه طبقهبندی برای این روشها بیان شده است: - 1 - روشهای محاسباتی ساده شده، - 2 - روشهای عددی تقریبی و - 3 - روشهای عددی دقیقتر. روشهای محاسباتی ساده شده توسط [4] Poulos and Davis، [1] Randolph و [5] Burland ارائه شده است که همه آنها شامل یک سری سادهسازی در رابطه با مدلسازی پروفیل خاک و شرایط بارگذاری بر پی گسترده میباشد. روشهای عددی - کامپیوتری - تقریبی به دو زیر مجوعه تقسیم می شود: - 1 - روش نوار بر روی فنر که در آن، پی گسترده را به صورت یک سری پیهای نواری و شمعها را به صورت فنرهایی که سختی فنر معرف سختی شمع است، نشان میدهند - مانند روش - [6] Poulos و - 2 - روش صفحه بر فنر که پی گسترده به صورت صفحه و شمعها به صورت فنر مدل میشوند - مانند . - [7] Viggiani روشهای کامپیوتری دقیقتر چهار روش را در بر میگیرند:
- 1 - روش اجزای مرزی که در آن شمع و پی گسترده به صورت مجزا هستند و از نظریه کشسان استفاده میشود - مانند - [8] Kuwabara، - 2 - روش های تحلیلی ساده شده اجزای محدود که در آنها سامانه-ی پی یا به صورت یک مسئله کرنش صفحهای - مانند - [9] Desai و یا به صورت مسئله تقارن محوری - مانند - [10] Hooper در نظر گرفته میشود و متناظر با آن تحلیل اختلاف محدود با کمک برنامهی Flac - مانند - [11] Hewitt and Gue، - 3 - تحلیل سه بعدی اجزای محدود - مانند Zhuang et - [12] al. و تحلیلهای اختلاف محدود به کمک برنامهی Flac-3D و - 4 - روشهای ترکیبی اجزای مرزی برای شمعها و اجزاء محدود برای پی گسترده - مانند . - [13] Viggiani and Russo خلاصهای از قابلیتهای روشهای ذکر شده برای پیشبینی رفتار سامانههای پی-شمع در جدول 1 آمده است .[2] در این مقاله به بررسی و مقایسه روش های محاسباتی ساده شده و روش اجزای محدود درخصوص سختی، ظرفیت باربری نهایی سامانه و سهم پی گسترده از کل بار اعمالی پرداخته میشود. برای مدلسازی پی-شمع، از نرم افزار Plaxis 3D Foundation استفاده شده است.
4. حل سامانهی پی-شمع
در این مطالعه روش های PRD و Fleming که در دستهی روشهای تحلیلی ساده شده میباشند، مورد بررسی قرار گرفتهاند. برای ارزیابی ظرفیت باربری قائم پی-شمعها توسط این روشها، کمترین مقدار مقادیر زیر به عنوان ظرفیت باربری نهایی در نظر گرفته میشود: - 1 - برآیند ظرفیت نهایی پی گسترده با ظرفیت نهایی همه شمعها و - 2 - ظرفیت نهایی یک بلوک در برگیرنده شمعها و پی گسترده به علاوه بخشی از پی گسترده که خارج از حاشیه شمعها میباشد.[2]
4,1. روش - PRD - Poulos-Davis-Randolph
روش PRD سعی میکند تا سهم باربری شمعها و پی گسترده را با استفاده از عناصر سختی محاسبه نماید. شکل 2 تعریف مسأله پی-شمع در نظر گرفته شده توسط این روش را نشان میدهد. با استفاده از این روش، سختی پی-شمع را میتوان به صورت زیر تخمین زد.[2] که در آن، Kpr، سختی پی-شمع، Kp، سختی گروه شمع، Kr، سختی پی گسترده به تنهایی و cp، ضریب اندرکنش پی و شمع می باشد. سختی پی گسترده را میتوان با نظریه کشسانی، به عنوان مثال با استفاده از حلهای [14] Fraser and Wardle و یا [15] Mayne and Poulos به دست آورد.
