بررسی عدم قطعیت در محاسبه ظرفیت باربری شمع‌های مارپیچی با در نظرگرفتن مدهای رفتاری مختلف به روش مونت‌کارلو

رحمتی, حامد; باقری پور, محمدحسین

doi:10.48301/kssa.2025.453252.2960

بررسی عدم قطعیت در محاسبه ظرفیت باربری شمع‌های مارپیچی با در نظرگرفتن مدهای رفتاری مختلف به روش مونت‌کارلو

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (نظری)

نویسندگان

حامد رحمتی

محمدحسین باقری پور

گروه مهندسی عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید باهنر، کرمان، ایران

10.48301/kssa.2025.453252.2960

چکیده

کارایی و ظرفیت باربری شمع‌های مارپیچی، علاوه بر نحوه‌ی ساخت و هندسه آن‌ها، به‌شدت به خاک محل اجرا وابسته می‌باشد. از طرفی پارامترهای مقاومتی خاک دارای عدم قطعیت ذاتی هستند که این موضوع باعث بروز اختلاف در نتایج محاسباتی و آزمایش‌های واقعی می‌باشد. در این پژوهش با استفاده از آنالیز مونت‌کارلو، عدم قطعیت ظرفیت باربری فشاری شمع های مارپیچی با استفاده از پارامترهای غیر قطعی چسبندگی، زاویه اصطکاک داخلی و وزن مخصوص خاک مورد ارزیابی قرار گرفت. برای تعیین حالت های شکست مختلف، شمع هایی با هندسه‌های متفاوت (شمع تک‌صفحه‌ای و دوصفحه‌ای با S/D های متفاوت) در نرم‌افزار plaxis دو بعدی مدل‌سازی شدند. نتایج حاصل از محاسبات تحلیلی، آنالیز عدم قطعیت و مدل‌سازی المان محدود نشان داد که نشست مجاز شمع‌های مارپیچی در خاک مورد نظر به‌منظور دستیابی به ظرفیت باربری نهایی نباید بیشتر از 5% قطر صفحه باربر باشد. همچنین برای این خاک، نسبت S/D=1.5 مرز تغییر رفتار باربری شمع مارپیچی دوصفحه‌ای از حالت باربری صفحات مجزا به برش استوانه ای می‌باشد. نتایج به دست آمده حاکی از تاثیر بیشتر صفحه های باربر در عدم قطعیت های نهایی ظرفیت باربری است و همچنین ظرفیت باربری حالت برشی استوانه‌ای از عدم قطعیت کمتری نسبت به حالت باربری صفحات مجزا برخوردار می‌باشد. همچنین با انجام آنالیز حساسیت پارامترهای مقاومتی خاک در عدم قطعیت‌های نهایی و پراکندگی ظرفیت باربری خروجی مشخص گردید که بیشترین تأثیر در ایجاد عدم قطعیت‌های نهایی مربوط به زاویه اصطکاک داخلی خاک است و وزن مخصوص خاک تأثیر بسزایی در همگرایی یا واگرایی داده‌های خروجی ندارد.

کلیدواژه‌ها

شمع‌های مارپیچی

ظرفیت باربری

مدل‌سازی عددی

عدم قطعیت

ضریب تغییرات

آنالیز مونت‌کارلو

موضوعات

مهندسی عمران (ژئوتکنیک)

عنوان مقاله English

Investigating the uncertainty in calculating the bearing capacity of helical piles by considering different behavior modes using the Monte Carlo method.

نویسندگان English

hamed rahmati

Mohammad hossein bagheripour

, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Shahid Bahonar university, Kerman, Iran

چکیده English

The performance and bearing capacity of helical piles, in addition to their construction and geometry, are highly dependent on characteristics of site soil. On the other hand, the soil resistance parameters have inherent uncertainty, which causes differences in the analytical results and experiments. In this paper, using Monte Carlo analysis, the uncertainty of the compressive bearing capacity of helical evaluated by stochastic parameters of cohesion, internal friction angle, and unit weight of soil. To determine different failure mode, different piles with different geometries (single-plate and double-plate piles with different S/D) were modeled in PLAXIS 2D software. The results of analytical calculations, uncertainty analysis and FEM showed that the permissible settlement of helical piles in selected soil in order to achieve ultimate bearing capacity should not be more than 5% of the piles plate diameter. Also, the ratio S/D=1.5 is the change boundary of bearing behavior from individual plate to cylindrical shear for the two-plates helical pile. The results also showed that the greater influence of bearing plates on the final uncertainties of the bearing capacity of piles, and also the bearing capacity of the cylindrical shear mode has less uncertainty than the individual bearing mode. Also, by performing the sensitivity analysis of the input parameters in the final bearing capacity uncertainties, it was observed that the greatest effect in the final uncertainties is related to the internal friction angle of the soil than to the unit weight of the soil on the output of the analysis.

کلیدواژه‌ها English

helical piles

bearing capacity

numerical modeling

uncertainty

Coefficient of variation

Monte Carlo simulation

[1]Alnmr, A., Ray, R. P., & Alsirawan, R. (2023). A State-of-the-Art Review and Numerical Study of Reinforced Expansive Soil with Granular Anchor Piles and Helical Piles. Sustainability, 15(3), 2802. https://doi.org/10.3390/su15032802

[2] Hussein, A. F., & El Naggar, M. H. (2023). Dynamic performance of driven and helical piles in cohesive soil. Acta Geotechnica, 18(3), 1543-1568. https://doi.org/10.1007/s11440-022-01649-8

[3] Vignesh, V., & Mayakrishnan, M. (2020). Design parameters and behavior of helical piles in cohesive soils—A review. Arabian Journal of Geosciences, 13(22), 1194. https://doi.org/10.1007/s12517-020-06165-1

[4] Vali, R., & Parsamanesh, M. (2022). Statistical Analysis of the Skirted Ring Footings Located on Sandy Soil. Karafan Quarterly Scientific Journal, 19(1), 35-58.‏ https://doi.org/10.48301/kssa.2022.330537.2019

[5] Lutenegger, A. J. (2011). Historical development of iron screw-pile foundations: 1836–1900. The International Journal for the History of Engineering & Technology, 81(1), 108-128. https://doi.org/10.1179/175812109X12547332391989

[6] Chance, A. (2006). Design Methodology: Chance Helical Anchor/Pile Bearing Capacity. Hubbell Power Systems. http://www.helicalpier.com/wp-content/uploads/2013/09/Helical-Pile-Design-Methodology.pdf

[7] Bobbitt, D., & Clemence, S. (1987, 7-11 December). Helical anchors: application and design criteria. 9 Southeast Asian geotechnical conference. Bangkok, Thailand. http://pascalfrancis.inist.fr/vibad/index.php?action=getRecordDetail&idt=7565244

[8] Perez, Z. A., Schiavon, J. A., Tsuha, C. d. H. C., Dias, D., & Thorel, L. (2018). Numerical and experimental study on influence of installation effects on behaviour of helical anchors in very dense sand. Canadian Geotechnical Journal, 55(8), 1067-1080. https://doi.org/10.1139/cgj-2017-0137

[9] Sakr, M. (2009). Performance of helical piles in oil sand. Canadian Geotechnical Journal, 46(9), 1046-1061https://doi.org/10.1139/T09-04.

[10]Rao, S. N., Prasad, Y., & Shetty, M. D. (1991). The behaviour of model screw piles in cohesive soils. Soils and Foundations, 31(2), 35-50. https://doi.org/10.3208/sandf1972.31.2_35

[11] Wang, D., Merifield, R., & Gaudin, C. (2013). Uplift behaviour of helical anchors in clay. Canadian Geotechnical Journal, 50(6), 575-584. https://doi.org/10.1139/cgj-2012-0350

[12] Lutenegger, A. J. (2011, 2-6 October). Behavior of multi-helix screw anchors in sand. In Proceedings of the 14th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Toronto, Canada. http://geoserver.ing.puc.cl/info/conferences/PanAm2011/panam2011/pdfs/GEO11Paper126.pdf

[13] Nowkandeh, M. J., & Choobbasti, A. J. (2021). Numerical study of single helical piles and helical pile groups under compressive loading in cohesive and cohesionless soils. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 80, 4001-4023. https://doi.org/10.1007/s10064-021-02158-w

[14] Shuman, N. M., Khan, S., & Amini, F. (2023). Settlement based load capacity curve for single helix helical pile in c-ϕ soil. Soils and Foundations, 63(1), 101265. https://doi.org/10.1016/j.sandf.2022.101265

[15] Li, W., Islam, N., & Deng, L. (2023). Large deformation finite element analyses of axially loaded helical piles in cohesive soil. Computers and Geotechnics, 164, 105819. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2023.105819

[16] Cheng, P., Guo, J., Yao, K., & Chen, X. (2023). Numerical investigation on pullout capacity of helical piles under combined loading in spatially random clay. Marine Georesources & Geotechnology, 41(10), 1118-1131. https://doi.org/10.1080/1064119X.2022.2120843

[17] Spagnoli, G., de Hollanda Cavalcanti Tsuha, C., Oreste, P., & Mendez Solarte, C. M. (2018). A sensitivity analysis on the parameters affecting large diameter helical pile installation torque, depth and installation power for offshore applications. DFI Journal-The Journal of the Deep Foundations Institute, 12(3), 171-185. https://doi.org/10.1080/19375247.2019.1595996

[18] Cheng, P., Liu, Y., Li, Y. P., & Yi, J. T. (2022). A large deformation finite element analysis of uplift behaviour for helical anchor in spatially variable clay. Computers and Geotechnics, 141, 104542. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2021.104542

[19] Cheng, P., Liu, Y., & Yi, J.-T. (2023, 23-26 July). Effect of Installation on the Uplift Capacity of Helical Pile Considering Soil Spatial Variability. In Geo-Risk 2023, Virginia, USA. https://doi.org/10.1061/9780784484999.036

[20] Fang, H.-Y. (2012). Foundation engineering handbook. Springer Science & Business Media. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-3928-5

[21]Parry, R. H. (1977). Estimating bearing capacity in sand from SPT values. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 103(9), 1014-1019. https://doi.org/10.1061/AJGEB6.0000484

[22] Johari, A., & Javadi, A. (2012). Reliability assessment of infinite slope stability using the jointly distributed random variables method. Scientia Iranica, 19(3), 423-429. https://doi.org/10.1016/j.scient.2012.04.006

[23] Johari, A., & Rahmati, H. (2019). System reliability analysis of slopes based on the method of slices using sequential compounding method. Computers and Geotechnics, 114, 103116. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103116

[24] Gholampour, A., & Johari, A. (2019). Reliability-based analysis of braced excavation in unsaturated soils considering conditional spatial variability. Computers and Geotechnics, 115, 103163. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.103163

[25] Johari, A., Rahmati, H., Zarei, F., & Hekmatzadeh, A. (2016, 15-17 November). Probabilistic analysis of infinite slope with implementing soil and geometric parameters uncertainties 5th international conference on geotechnical engineering and soil mechanics, Tehran-Iran. https://www.researchgate.net/publication/365995934_Probabilistic_analysis_of_infinite_slope_with_implementing_soil_and_geometric_parameters_uncertainties

[26] Yu, Y., Damians, I. P., & Bathurst, R. J. (2015). Influence of choice of FLAC and PLAXIS interface models on reinforced soil–structure interactions. Computers and Geotechnics, 65, 164-174. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2014.12.009

[27] Elsherbiny, Z. H., & El Naggar, M. H. (2013). Axial compressive capacity of helical piles from field tests and numerical study. Canadian Geotechnical Journal, 50(12), 1191-1203. https://doi.org/10.1139/cgj-2012-0487

[28] Sakr, M. (2011). Installation and performance characteristics of high capacity helical piles in cohesionless soils. DFI Journal-The Journal of the Deep Foundations Institute, 5(1), 39-57. https://doi.org/10.1179/dfi.2011.004

[29] Shao, K., Su, Q., Liu, J., Liu, K., Xiong, Z., & Wang, T. (2022). Optimization of inter-helix spacing for helical piles in sand. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 14(3), 936-952. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2021.11.007

[30] Johari, A., & Talebi, A. (2021). Stochastic analysis of piled-raft foundations using the random finite-element method. International Journal of Geomechanics, 21(4), 04021020. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2020.103707

[31] Johari, A., & Fooladi, H. (2020). Comparative study of stochastic slope stability analysis based on conditional and unconditional random field. Computers and Geotechnics, 125, 103707. https://doi.org/10.1061/(ASCE)GM.1943-5622.0001966