پیش‌بینی اندرکنش خاک-ساختار شمع‌های بارگذاری محوری در ماسه‌

شمع ها در پایه های ساختمان های مرتفع، برج های انتقال، سکوهای حفاری دریایی و سایر سازه ها برای افزایش ظرفیت باربری سازه زیربنایی کاربرد گسترده ای یافته اند. رفتار پی های شمع تحت بار و برهمکنش آنها با خاک اطراف، موضوع تحقیقات قابل توجهی در چند دهه گذشته بوده است. این تحقیق به پیشرفت‌های عمده‌ای در مدل‌سازی رفتار بار-جابجایی شمع‌های بار محوری منجر شده است [1]، [2].

علی‌رغم پیشرفت‌های قابل توجه در شناسایی پاسخ ساختار خاک از طریق دستاوردهای تجربی و نظری، اکثر طرح‌های فعلی هنوز بر همبستگی‌های تجربی و نیمه تجربی تکیه می‌کنند که منجر به پیش‌بینی‌های پراکنده می‌شود [3]. برای پرداختن به این موضوع، محققان روش‌های جایگزینی را برای ارزیابی پاسخ ساختار خاک در ماسه‌ها تحت بار محوری پیشنهاد کرده‌اند. برخی از مطالعات موجود [4، [5]، [6] ظرفیت باربری نهایی شمع ها را تحلیل می کنند و روش هایی را برای ارزیابی ظرفیت باربری آن ها ارائه می کنند. برخی مطالعات از مدل انتقال بار با منحنی tz برای نشان دادن مکانیسم انتقال بار استفاده می کنند. این منحنی ها اغلب اشکال مختلفی دارند، مانند دوخطی [7]، [8]، غیرخطی هذلولی [9]، [10]، غیرخطی نمایی [11]، یا غیرخطی نرم کننده [12]، با تکیه بر همبستگی های تجربی یا تحلیل برگشتی. نتایج آزمون میدانی علاوه بر این، روش تحلیل عددی سه بعدی [13]، [14]، [15]، [16] با مدل‌های ساختاری دقیق و الگوریتم‌های محاسباتی نیز رایج‌تر شده است. با این حال، شبیه‌سازی عددی به مهارت‌های شبیه‌سازی ماهرانه و هزینه‌های محاسباتی هنگفت نیاز دارد که آن را برای استفاده عملی مهندسی راحت‌تر می‌کند. اخیراً چن و همکاران. [17] یک مدل انتقال بار الاستوپلاستیک دقیق برای شمع های بارگذاری محوری نصب شده در خاک های بادامک اصلاح شده اشباع شده پیشنهاد کرد. این مدل منحنی tz را از مدل MCC به کار گرفته شده برای نشان دادن رفتار الاستوپلاستیک خاک اطراف شمع استخراج کرد. این رویکرد دیدگاه جدیدی برای پیش‌بینی رفتار بار-جابجایی شمع‌های بارگذاری محوری ارائه می‌کند. [16] با مدل‌های ساختاری دقیق و الگوریتم‌های محاسباتی نیز رایج‌تر شده‌اند. با این حال، شبیه‌سازی عددی به مهارت‌های شبیه‌سازی ماهرانه و هزینه‌های محاسباتی هنگفت نیاز دارد که آن را برای استفاده عملی مهندسی راحت‌تر می‌کند. اخیراً چن و همکاران. [17] یک مدل انتقال بار الاستوپلاستیک دقیق برای شمع های بارگذاری محوری نصب شده در خاک های بادامک اصلاح شده اشباع شده پیشنهاد کرد. این مدل منحنی tz را از مدل MCC به کار گرفته شده برای نشان دادن رفتار الاستوپلاستیک خاک اطراف شمع استخراج کرد. این رویکرد دیدگاه جدیدی برای پیش‌بینی رفتار بار-جابجایی شمع‌های بارگذاری محوری ارائه می‌کند. [16] با مدل‌های ساختاری دقیق و الگوریتم‌های محاسباتی نیز رایج‌تر شده‌اند. با این حال، شبیه‌سازی عددی به مهارت‌های شبیه‌سازی ماهرانه و هزینه‌های محاسباتی هنگفت نیاز دارد که آن را برای استفاده عملی مهندسی راحت‌تر می‌کند. اخیراً چن و همکاران. [17] یک مدل انتقال بار الاستوپلاستیک دقیق برای شمع های بارگذاری محوری نصب شده در خاک های بادامک اصلاح شده اشباع شده پیشنهاد کرد. این مدل منحنی tz را از مدل MCC به کار گرفته شده برای نشان دادن رفتار الاستوپلاستیک خاک اطراف شمع استخراج کرد. این رویکرد دیدگاه جدیدی برای پیش‌بینی رفتار بار-جابجایی شمع‌های بارگذاری محوری ارائه می‌کند. چن و همکاران [17] یک مدل انتقال بار الاستوپلاستیک دقیق برای شمع های بارگذاری محوری نصب شده در خاک های بادامک اصلاح شده اشباع شده پیشنهاد کرد. این مدل منحنی tz را از مدل MCC به کار گرفته شده برای نشان دادن رفتار الاستوپلاستیک خاک اطراف شمع استخراج کرد. این رویکرد دیدگاه جدیدی برای پیش‌بینی رفتار بار-جابجایی شمع‌های بارگذاری محوری ارائه می‌کند. چن و همکاران [17] یک مدل انتقال بار الاستوپلاستیک دقیق برای شمع های بارگذاری محوری نصب شده در خاک های بادامک اصلاح شده اشباع شده پیشنهاد کرد. این مدل منحنی tz را از مدل MCC به کار گرفته شده برای نشان دادن رفتار الاستوپلاستیک خاک اطراف شمع استخراج کرد. این رویکرد دیدگاه جدیدی برای پیش‌بینی رفتار بار-جابجایی شمع‌های بارگذاری محوری ارائه می‌کند.

بر خلاف خاک رس، رفتار نرم یا سخت شدن خاک اغلب در شمع های بارگذاری محوری در ماسه ها مشاهده می شود. بر اساس مجموعه‌ای از آزمایش‌های برشی رابط CNS (سفتی نرمال ثابت) در ماسه، محققان [18]، [19] دریافتند که رفتارهای انتقال بار برای شمع‌ها در خاک‌ها در تراکم‌های نسبی متفاوت متمایز است. زمانی که جابجایی نسبی توده و ماسه به حالت بحرانی رسید که برای خاک سست قابل مشاهده نبود، یک اوج گذرا در تنش برشی برای خاک متراکم رخ می‌دهد. چن و همکاران [17] همچنین نشان دادند که روش آنها قادر به نمایش مقاومت باقیمانده خاک پس از حالت بحرانی نبود و منجر به برآورد بیش از حد ظرفیت باربری برای شمع ها در خاک های نرم کننده کرنش شد. برای مدل‌سازی رفتار دیلاتانسی و نرم شدن برای برهمکنش ماسه-ساختار، مدل های سازنده متعددی پیشنهاد شده است. مدل‌های سازنده الاستوپلاستیک کسری برای خاک‌ها پیشنهاد شد که به پارامترهای کمتری با اهمیت فیزیکی واضح نیاز داشت [21]، [22]، [23]، [24]. دافالیاس و منظری [25] یک مدل شن پلاستیسیته ساده برای شن‌ها در شرایط فشرده‌سازی یا گسترش سه محوری ارائه کردند و صابری و همکاران. [26] یک مدل تشکیل دهنده الاستوپلاستیک دو سطحی یکپارچه برای رابط های خاک-ساختار شنی ارائه کرد. دو مدل پرکاربردترین نسخه در خانواده های مربوطه خود هستند و می توانند به اندازه کافی رفتار نرم شدن و دیلاتانسی ماسه ها را در حین بارگذاری به تصویر بکشند. از آنجایی که هر دو مدل بر اساس چارچوب مدل پلاستیسیته دو سطحی برای ماسه‌ها پیشنهاد شده توسط منظری و دافالیاس [27] است. سازگاری خوبی در تجزیه و تحلیل وضعیت تنش-کرنش خاک تحت بار ترکیبی بار فشاری و برشی وجود دارد. با استفاده از این مدل های سازنده به خوبی تثبیت شده، و بر اساس مکانیسم تغییر شکل دقیق، می توان انتظار داشت که یک روش تحلیلی نسبتا دقیق و دقیق برای حل مشکل اندرکنش خاک-سازه باشد.

این مقاله یک رویکرد تحلیلی جدید برای پیش‌بینی اندرکنش خاک-ساختار شمع‌های بارگذاری محوری در ماسه‌ها پیشنهاد می‌کند. مدل الاستوپلاستیک دو سطحی [26] و مدل ماسه با پلاستیسیته ساده [25] به ترتیب برای تعیین رابطه تنش-کرنش در و اطراف نوار برشی استفاده می‌شوند. یک منحنی tz ارائه شده است که شامل فرآیند الاستیک، الاستوپلاستیک و بحرانی است و سپس توزیع تنش-کرنش در نوار برشی تعیین می‌شود. با بهره گیری از شرایط مرزی، معادله تعادل، و رابطه سازنده الاستوپلاستیک مدل شن پلاستیک ساده، رابطه تنش-کرنش در اطراف نوار برشی به عنوان یک سیستم معادلات دیفرانسیل مرتبه اول فرموله می شود. ترکیب معادله حاکم برای شمع های بارگذاری محوری و روش تفاضل محدود (FDM)، پاسخ بار-جابجایی و وضعیت تنش-کرنش خاک اطراف شمع را می توان تعیین کرد. برای تأیید روش حاضر، یک زیرروال تعریف شده توسط کاربر با مدل شن پلاستیسیته ساده در شبیه‌سازی FEM پیاده‌سازی شده است که تطابق خوبی را نشان می‌دهد. علاوه بر این، راه‌حل‌ها در برابر آزمایش‌های سانتریفیوژ و آزمایش‌های میدانی نیز اعتبارسنجی می‌شوند که اعتبار و قابلیت روش پیشنهادی را نشان می‌دهد.