اثر چیدمان شمع بر عملکرد پی- شمع

نوع مقاله: گزارش فنی

نویسندگان

دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه یزد

10.29252/anm.2019.1244

چکیده

شمع‌ها ضمن مشارکت در باربری پی- شمع، نشست را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهند. در این پژوهش با مدلسازی سه‌بعدی پی- شمع‌ها در نرم‌افزار اجزا محدود PLAXIS 3-D Foundation در دو نوع خاک رس متوسط و ماسه‌ متراکم، تاثیر چیدمان شمع‌ها و شکل رادیه بر عملکرد مجموعه پی مطالعه شد. نتایج مدل‌ها مشخص کرد که در دو پی همجوار و متقارن در ماسه که تحت بارگذاری یکنواخت هستند با انتقال شمع‌های گوشه‌ای و جایگذاری شمع‌های بلندتر در نزدیکی محور تقارن بین آنها، می‌توان نشست و دوران پی را بیش از 50 درصد کاهش داد. همچنین برای پی‌های مربعی با نشست کلی 154 میلی‌متر در دو نوع خاک رسی و ماسه‌ای، اثر چیدمان‌های مختلف شمع بررسی شد. بر اساس نتایج عددی، در خاک رسی با چینش شمع‌های بلندتر در مرکز پی و در خاک ماسه‌ای با تمرکز شمع‌ها در هسته مرکزی پی، بیش‌ترین کاهش نشست حاصل می‌شود. در مدل‌ها حجم شمع‌ها باهم مساوی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effect of Piles Arrangement on the Performance of Piled- Raft Foundations

نویسندگان [English]

  • Reza Pourhosseini
  • Parham Sharafzadeh
Dept. of Civil, Yazd University, Iran
چکیده [English]

Summary
Piled-raft foundation is a complex system that divide the overall load between the piles and raft upon pile-soil-raft interaction. Piles mainly act as a settlement reducer. Piled-raft foundations with different piles arrangement and soil type, i.e. medium clay and dense sand, were modeled in 3-D finite element software, PLAXIS 3-D Foundation. Influence of piles on differential settlement depends on the piles arrangement and soil properties. The numerical results showed that in two adjacent and symmetrical foundations on sand under uniform surcharge, when corner piles were removed and longer piles were placed close to the symmetry axes of the foundations, the foundation settlement and rotation decreased considerably (at least 50%). For piled-raft foundation on soft with placement of longer piles in the center raft and shorter piles out of center, the optimal piles arrangement was achieved, while in dense sand piles concentration in the central region of raft was optimal arrangement. These later results obtained from rafts on clay and sand with different surcharge that has been analyzed to attain equal 154mm settlement.
 
Introduction
One of the effective ways to improve the footing bearing capacity is using pile foundations. The piled-raft foundation is a new design concept as one of the effective methods of foundation to reduce settlements of structures.  In piled raft foundation role of raft foundation is to provide adequate bearing capacity and role of pile foundation is mainly to act as settlement reducers. In this paper 3-D finite element analysis of piled raft foundations on dense sand and medium clay was studied. The purpose of the present study is to investigate the role of piles arrangement in reducing settlement of the piled raft foundation.
 
Methodology and Approaches
Numerical method used for analysis of piled raft foundation, due to complex soil-structure interaction. A 3-D finite element software, PLAXIS 3-D Foundation utilized to analyze three dimensional models of piled raft foundation. The model results validated among settlements of Messe–Torhaus structure in Germany which was modeled in ABAQUS. Different pile arrangement plan in dense sand and medium clay was molded. Soil behavior was modeled by Mohr-Coulomb elastoplastic model.
 
Results and Conclusions
Piles arrangement has a significant influence on the performance of piled raft foundation. Numerical results show that appropriate arrangement of piles which has maximum reduction in settlement strongly depends on soil type. Additionally, increasing the piles length has more influence on the performance of piled raft foundation, rather than pile diameter growth, when the volume of concrete in piles bodies has been constant.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Piled- Raft
  • Settlement
  • Soil
  • Piles Arrangement
  • Numerical Analysis

نشست از عوامل مؤثر بر طراحی پی است. بسته به نوع خاک، استفاده از روش‌های مختلف بهسازی خاک مانند تراکم خاک، تزریق، ستون سنگی و یا استفاده از شمع برای پی­سازی بر روی خاک سست نیاز است]1[. از روش‌های مؤثر برای افزایش باربری پی‌های گسترده، استفاده از شمع‌های کاهنده نشست است که طراحی اقتصادی نیاز به تعیین سهم باربری شمع‌ها و پی گسترده دارد[2، 3]. تلفیق پی گسترده و شمع‌ها و یا پی شمع– رادیه[i] (پی– شمع) از دهه‌ 1970 میلادی مطرح‌ شد. استفاده از دیدگاه شمع‌های کاهنده نشست[ii] به کاهش حجم شمع‌ها می‌انجامد[4]. در سال 1994 در مفهوم بهینه طراحی پی- شمع گفته شد که شمع‌ها با نقش اصلی‌ کاهش نشست طراحی شده به نحوی که باعث افزایش ظرفیت باربری نیز می‌شوند]5[. بررسی‌ها نشان می‌دهد که تأثیر شمع بر کاهش نشست، بیش‌تر از افزایش ظرفیت باربری است]6[.کائو[iii] و همکاران با مدل آزمایشگاهی تأثیر پارامترهای مختلف از جمله طول شمع‌ها، تعداد شمع‌ها و ضخامت پی بر روی نشست پی را بررسی کردند]7[. الوکیل و همکاران نسبت نشست به عرض برابر 007/0 را مناسب‌ترین مقدار برای طراحی در خاک ماسه‌ای پیشنهاد دادند، در این حالت سهم باربری پی 39 درصد از کل بار خواهد بود]8[. باجاد[iv] نشان داد که با جایگذاری شمع‌ها در قسمت‌ مرکزی پی، نشست تفاضلی نسبت به حالت جایگذاری یکنواخت شمع‌ها 30 درصد کاهش پیدا می‌کند]9[. زهکشی و نشست زیاد رس نرم منجر به فاصله گرفتن رادیه از خاک و اعمال کل بار به شمع‌ها می‌شود]10[. با این وجود نمونه‌های موفق اجرای پی– شمع در خاک‌های نرم نیز وجود دارد]11، 12[.

رندولف]5[ و پولس]10[ سه فلسفه طراحی را ارائه کردند: الف: "روش مرسوم"، شمع‌ها برای تحمل بخش عمده بار طراحی می‌شوند، در حالی ‌که تا حدودی اجازه مشارکت به پی داده می‌شود، ب: "روش شمع خزشی"، شمع‌ها برای بارهای بهره‌برداری به نحوی طراحی می‌شوند تا در 70~ 80 درصد مقاومت نهایی شروع به حرکت ‌کنند. در این روش شمع‌های کافی وجود دارد تا فشار تماس خالص بین رادیه و خاک زیرین را به مقدار کم‌تر از فشار پیش‌تحکیمی خاک کاهش دهند، ج:"روش محدودیت نشست غیریکنواخت"، که شمع‌ها به عنوان کاهنده نشست طراحی می‌شوند.

تأثیر چیدمان شمع‌ها و همچنین سهم باربری شمع‌ها و پی کم‌تر بررسی شده است. در اینجا با مدلسازی سه‌بعدی به روش اجزاء محدود، اثر چیدمان شمع‌ها در کاهش نشست و سهم باربری شمع‌ها و پی، تحت بارگذاری قائم مطالعه ‌شده است. چیدمان بهینه شمع‌های کاهنده نشست در خاک ماسه‌ای متراکم و خاک رس متوسط با شمع‌های هم‌قطر و با طول‌های متفاوت (حجم ثابت شمع)، از اهداف مطالعه اخیر است. همچنین چیدمان بهینه‌ شمع‌ها برای کاهش نشست تفاضلی در پی‌های همجوار با دو الگوی بارگذاری مورد توجه قرار گرفته است.



[i] Piled Raft

[ii] Settlement reducing piles

[iii] Cao

[iv] Bajad

[1]           Haghbin, M. (2014). Study on behavior of soil reinforcing pile in piled raft systems. International Journal of Civil Engineering, Vol. 12, No. 4, Transaction B: Geotechnical Engineering.

[2]           Eslami, A., Veiskarami, M., & Eslami, M. M. (2010). Piled-raft foundation (PRF) optimization design with connected and disconnected piles. Proceedings of the 33rd Annual and 11th International Conference on Deep Foundations, Deep Foundations Institute (DFI), New York, NY, USA, pp. 201-211.

[3]           Seo, Y. K., Lee, H. J., & Kim, T. H. (2006). Numerical analysis of piled raft foundation considering sand cushions effects. Proceedings of the 16th International Offshore and Polar Engineering Conference, San Francisco, California, USA, pp. 608-613.

[4]           Oh, E., Bolton, M., & Balasubramaniam, A. S. (2013). A design method for piled raft foundations. Proceedings of the 18th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris, pp. 2671-2674.

[5]           Randolph, M. F. (1994). Design methods for pile groups and piled rafts. State-of-the-art report, 13th International Conference on Soil Mechanics and. Foundation Engineering, New Delhi, 5, pp. 61-82.

[6]           Reul, O., & Randolph, M. F. (2004). Design strategies for piled rafts subjected to non-uniform vertical loading. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 130, No. 1, pp. 1-13.

[7]           Cao, X. D., Wong, M. F., & Chang, M. F. (2004). Behavior of model rafts resting on pile-reinforced sand. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 130, No. 2, pp. 129-138.

[8]           Elwakil, A. Z. and Azzam, W.R. (2016). Experimental and numerical study of piled raft system. Alexandria Engineering Journal, Vol. 55, pp. 547-560.

[9]           Bajad, S. P., & Sahu, R. B. (2009). Optimum design of piled raft in soft clay- a model study”, Geotide, India Geotechnical Society, pp. 131-134.

[10]         Poulos, H. G. (2001). Piled-raft foundation: Design and applications. Geotechnique, Vol. 51, No. 2, pp. 95-113.

[11]         Poulos, H. G. (2005). Piled raft and compensated piled raft foundations for soft soil sites. Geotechnical Special Publication, Vol. 129, pp. 214-234.

[12]         Tan, Y. C., Chow, C. M., & Gue, S. S. (2005). Piled raft with deferent pile length for medium-rise buildings on very soft clay. 16th International Conference ICSMGE, Osaka, pp. 2045- 2048.

[13]         Ibanez, L., & Cunha, R. (2013).  Spreadsheets for the analysis of piled raft foundations. Revista Ingenieria de Construction RIC, Vol.28, No.2, pp. 207-216.

[14]         El-Garhy, B., Abdel Galil, A., Abdel-Fattah Youssef, A. F., & Abo Raia, M. (2013). Behavior of raft on settlement reducing piles: Experimental model study, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, Vol. 5.

[15]         Horikoshi, K., & Randolph, M. F. (1994). Settlement of Piled Raft Foundations on Clay, Centrifuge 94, Balkema, Rotterdam, pp. 449-454.

[16]         Poulos, H. G., & Davis, A. J. (2005). Foundation design for the emirates twin tower, Dubai. Journal of Geotechnical, Vol. 6, No. 42, pp. 716-730.

[17]         Baziar, M. H., Ghorbani, A., & Ghiassian, H. (1999). Finite element and simplified analysis of piled- raft system, Proceedings of 4th International Conference on Deep Foundation Practice, Singapore, pp. 125-133.

[18]         Ryltenius, A. (2011). FEM modelling of Pile raft foundation in two and three dimensions. Geotechnical Engineering, LTH, Sweden.

[19]         Reul, O., & Randolph, M. F. (2003). Piled rafts in over consolidated clay: comparison of in situ measurements and numerical analyses. Geotechnique, Vol. 53, No. 3, 301-315