شمع مخروطی یا شمع با قطر ثابت؛ کدام ظرفیت بیشتری دارد؟

در طراحی فونداسیون‌های عمیق، یکی از مهم‌ترین پرسش‌ها این است که آیا تغییر شکل هندسی شمع می‌تواند ظرفیت باربری آن را افزایش دهد؟

سال‌ها تصور می‌شد که اگر دو شمع با طول و سطح جانبی تقریباً یکسان اجرا شوند، عملکرد آن‌ها نیز تفاوت محسوسی نخواهد داشت. با این حال، نتایج مطالعات آزمایشگاهی و به‌ویژه آزمایش‌های تمام‌مقیاس در سال‌های اخیر نشان داده‌اند که شمع‌های مخروطی (Tapered Piles) در بسیاری از شرایط عملکرد بهتری نسبت به شمع‌های با مقطع یکنواخت (Uniform Piles) دارند.

در مقاله‌ای که در سال ۲۰۲۶ در International Journal of Geoengineering Case Histories منتشر شد، نتایج چهار مطالعه میدانی پیشین از ایران، ایتالیا و سوئد، به همراه یک برنامه آزمایش تمام‌مقیاس جدید در ایالت آلابامای آمریکا، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. هدف این پژوهش، پاسخ به این سؤال بود که آیا افزایش ظرفیت باربری شمع‌های مخروطی صرفاً یک تصور تجربی است یا واقعاً با شواهد میدانی قابل اثبات است.

نتایج این پژوهش نشان داد که در تمامی مطالعات بررسی‌شده، شمع‌های مخروطی توانسته‌اند مقاومت اصطکاکی جداره بسیار بیشتری نسبت به شمع‌های مستقیم ایجاد کنند و در برخی موارد، با وجود سطح مقطع کوچک‌تر در نوک شمع، ظرفیت باربری نهایی آن‌ها تا حدود ۲۰ درصد بیشتر بوده است.

در این مقاله، ابتدا تفاوت شمع مستقیم و شمع مخروطی را بررسی می‌کنیم، سپس علت افزایش ظرفیت باربری شمع‌های مخروطی را توضیح می‌دهیم و در ادامه نتایج مهم‌ترین مطالعات تمام‌مقیاس انجام‌شده در ایران، ایتالیا و آمریکا را مرور خواهیم کرد.

شمع مخروطی چیست و چه تفاوتی با شمع مستقیم دارد؟

در پروژه‌های ژئوتکنیکی، شمع‌ها معمولاً بر اساس شکل هندسی خود به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: شمع‌های مستقیم (Uniform Piles)  و شمع‌های مخروطی (Tapered Piles).

در شمع مستقیم، قطر یا ابعاد مقطع در تمام طول شمع ثابت است. این نوع شمع متداول‌ترین گزینه در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی و صنعتی محسوب می‌شود و رفتار آن به‌خوبی در آیین‌نامه‌ها و روش‌های طراحی شناخته شده است.

در مقابل، شمع مخروطی دارای مقطع متغیر است؛ به‌طوری‌که قطر شمع از سر شمع (Pile Head) به‌تدریج تا نوک آن (Pile Toe) کاهش می‌یابد. میزان این کاهش معمولاً کم است و شیب مخروطی شمع اغلب کمتر از یک درجه در نظر گرفته می‌شود، اما همین تغییر هندسی کوچک می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد شمع در هنگام کوبش و همچنین ظرفیت باربری آن داشته باشد.

شکل 1- شماتیک مقایسه شمع مستقیم و مخروطی

یکی از نکات جالبی که در مقاله به آن اشاره شده، این است که قدیمی‌ترین شمع‌های مورد استفاده در تاریخ، یعنی شمع‌های چوبی، ذاتاً دارای شکل مخروطی بودند. بعدها با توسعه شمع‌های فولادی و بتنی، استفاده از شمع‌های با مقطع یکنواخت رواج پیدا کرد. با این حال، در دهه‌های اخیر دوباره توجه پژوهشگران و طراحان به مزایای شمع‌های مخروطی جلب شده است؛ به‌ویژه در مناطقی مانند شرق آمریکا، سوئیس و شمال ایتالیا که این نوع شمع‌ها به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند.

از نظر هندسی، تفاوت این دو نوع شمع را می‌توان به‌صورت زیر خلاصه کرد:

در نگاه اول ممکن است تصور شود که کوچک‌تر بودن قطر نوک شمع مخروطی باعث کاهش ظرفیت باربری آن خواهد شد. اما نتایج آزمایش‌های تمام‌مقیاس نشان می‌دهد که افزایش مقاومت اصطکاکی در طول بدنه شمع، این کاهش را جبران کرده و در بسیاری از موارد حتی باعث افزایش ظرفیت باربری کلی شمع می‌شود. همین موضوع انگیزه اصلی انجام پژوهش‌های مختلف و آزمایش‌های میدانی بوده است.

چرا شمع مخروطی ظرفیت باربری بیشتری دارد؟

یکی از مهم‌ترین یافته‌های مطالعات انجام‌شده بر روی شمع‌های مخروطی، نقش شکل هندسی شمع در افزایش ظرفیت باربری آن است. اگرچه کاهش تدریجی قطر شمع موجب کاهش سطح مقطع نوک می‌شود، اما نتایج آزمایش‌های تمام‌مقیاس نشان می‌دهد که این کاهش با افزایش قابل توجه مقاومت اصطکاکی جداره جبران شده و در بسیاری از موارد، ظرفیت باربری نهایی شمع افزایش می‌یابد.

ظرفیت باربری یک شمع از دو مؤلفه اصلی تشکیل می‌شود: مقاومت اصطکاکی جداره (Shaft Resistance) و مقاومت نوک (Toe Resistance). در شمع‌های با مقطع یکنواخت، مقاومت جداره عمدتاً از تنش مؤثر خاک و اصطکاک ایجادشده در سطح تماس بین خاک و شمع تأمین می‌شود. بنابراین، افزایش ظرفیت باربری در این شمع‌ها عمدتاً به شرایط خاک، مشخصات سطح شمع و میزان جابه‌جایی نسبی بین شمع و خاک وابسته است.

در شمع‌های مخروطی، مکانیزم انتقال بار تا حدی متفاوت است. کاهش تدریجی قطر شمع باعث می‌شود هنگام کوبش یا اعمال بار، علاوه بر ایجاد تنش برشی در امتداد جداره، خاک اطراف نیز تحت فشردگی جانبی قرار گیرد. این فشردگی موجب افزایش تنش مؤثر در مجاورت بدنه شمع شده و در نتیجه، مقاومت اصطکاکی جداره نسبت به شمع‌های مستقیم افزایش می‌یابد.

به عبارت دیگر، در شمع‌های مخروطی علاوه بر مکانیزم معمول اصطکاک جداره، اثر ناشی از افزایش تنش جانبی خاک نیز در فرآیند انتقال بار مشارکت می‌کند. همین مکانیزم سبب می‌شود کاهش مقاومت نوک ناشی از کوچک‌تر بودن سطح مقطع انتهایی، در بسیاری از موارد با افزایش مقاومت جداره جبران شود.

مفهوم Donut Effect

برای مدل‌سازی این رفتار، نویسنده مقاله از مفهومی با عنوان Donut Effect  استفاده کرده است. در این روش، اختلاف قطر بین دو مقطع متوالی از بخش مخروطی شمع به‌صورت یک حلقه (Donut) در نظر گرفته می‌شود. این حلقه بیانگر ناحیه‌ای است که در اثر تغییر شکل هندسی شمع، موجب فشرده شدن خاک اطراف شده و مقاومت اضافی ایجاد می‌کند. در تحلیل‌های عددی، این مقاومت به‌صورت یک مؤلفه مستقل در کنار مقاومت جداره و مقاومت نوک در نظر گرفته می‌شود و نتایج حاصل از آن تطابق مناسبی با آزمایش‌های تمام‌مقیاس داشته است.

شکل2- اثر دونات (Donut Effect)

لازم به ذکر است که Donut Effect  یک مفهوم تحلیلی است و نه یک مؤلفه فیزیکی مجزا در شمع. این روش صرفاً ابزاری برای مدل‌سازی اثر فشردگی جانبی ناشی از شکل مخروطی شمع است و به مهندسان کمک می‌کند تا سهم این پدیده را در افزایش ظرفیت باربری با دقت بیشتری ارزیابی کنند.

نتایج مطالعات بررسی‌شده در این مقاله نشان می‌دهد که این مکانیزم می‌تواند مقاومت اصطکاکی جداره را در بخش مخروطی شمع بیش از دو برابر شمع‌های مستقیم افزایش دهد. در نتیجه، با وجود کوچک‌تر بودن سطح مقطع نوک، ظرفیت باربری کل شمع‌های مخروطی در برخی از آزمایش‌های تمام‌مقیاس تا حدود ۲۰ درصد بیشتر از شمع‌های مستقیم گزارش شده است.

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که در طراحی شمع‌های کوبشی، ارزیابی ظرفیت باربری نباید تنها بر اساس مقاومت نوک انجام شود. در شمع‌های مخروطی، سهم مقاومت اصطکاکی جداره می‌تواند به‌مراتب بیشتر از شمع‌های با مقطع یکنواخت باشد؛ موضوعی که در انتخاب نوع شمع، برآورد ظرفیت باربری و تحلیل اقتصادی پروژه اهمیت قابل توجهی دارد.

نتایج مطالعات تمام‌مقیاس

اگرچه طی چند دهه گذشته مطالعات آزمایشگاهی و تحلیل‌های عددی متعددی درباره عملکرد شمع‌های مخروطی منتشر شده است، اما تعداد آزمایش‌های تمام‌مقیاس (Full-Scale Tests) که امکان مقایسه مستقیم شمع‌های مخروطی و شمع‌های مستقیم را فراهم کرده باشند، بسیار محدود است. به همین دلیل، نتایج این دسته از مطالعات اهمیت ویژه‌ای در ارزیابی عملکرد واقعی شمع‌های مخروطی دارند.

در مقاله حاضر، چهار مطالعه تمام‌مقیاس پیشین از ایران، ایتالیا و سوئد، به همراه یک برنامه آزمایش جدید در ایالت آلابامای آمریکا مورد بررسی قرار گرفته است. وجه مشترک تمامی این مطالعات، مقایسه عملکرد شمع‌های مخروطی و مستقیم با ابعاد و شرایط اجرایی مشابه بوده است.

روش تحلیل رفتار شمع در این پژوهش

برای مقایسه عملکرد شمع‌های مستقیم و مخروطی، صرف بررسی منحنی بار–نشست کافی نیست؛ زیرا ظرفیت باربری شمع از دو مؤلفه اصلی، یعنی مقاومت اصطکاکی جداره (Shaft Resistance) و مقاومت نوک (Toe Resistance) تشکیل می‌شود و هر یک رفتار متفاوتی در برابر بارگذاری دارند. به همین دلیل، نویسنده برای تحلیل نتایج آزمایش‌ها از روش تحلیل بار–انتقال    (Load Transfer Analysis)  در نرم‌افزار UniPile6  استفاده کرده است.

در این روش، رفتار شمع با استفاده از دو پارامتر اصلی β  و N_t  مدل‌سازی می‌شود. ضریب β  بیانگر نحوه بسیج مقاومت اصطکاکی در امتداد بدنه شمع است و نسبت بین تنش برشی ایجادشده در سطح تماس شمع و خاک و تنش مؤثر خاک را نشان می‌دهد. از سوی دیگر، ضریب N_t  برای توصیف مقاومت نوک شمع به‌کار می‌رود و میزان ظرفیت قابل بسیج در نوک شمع را مشخص می‌کند. هر دو پارامتر به ویژگی‌های خاک، روش اجرای شمع، شرایط تنش و حتی شکل هندسی شمع وابسته هستند.

نویسنده تأکید می‌کند که مقادیر β و N_t  ثابت نیستند و علاوه بر شرایط ژئوتکنیکی، با افزایش جابه‌جایی نسبی بین شمع و خاک نیز تغییر می‌کنند. ازاین‌رو، در تحلیل‌ها از منحنی‌های t-z برای مدل‌سازی مقاومت اصطکاکی جداره و منحنی‌های q-z برای مدل‌سازی مقاومت نوک استفاده شده است. این منحنی‌ها نشان می‌دهند که مقاومت شمع چگونه به‌تدریج و هم‌زمان با افزایش نشست بسیج می‌شود.

نکته مهم در این پژوهش آن است که برای مقایسه منصفانه شمع‌های مستقیم و مخروطی، در هر مطالعه مقادیر β، Nt  و توابع    t-z  و q-z  برای هر دو شمع یکسان در نظر گرفته شده‌اند. تنها تفاوت میان دو مدل، اعمال اثر Donut Effect  برای شمع مخروطی است. به این ترتیب، اختلاف مشاهده‌شده در ظرفیت باربری مستقیماً به اثر شکل هندسی شمع نسبت داده می‌شود و نه به تغییر پارامترهای تحلیل.

این رویکرد باعث شده است تا در تمامی مطالعات موردی، بتوان سهم واقعی شکل مخروطی شمع در افزایش مقاومت اصطکاکی جداره و ظرفیت باربری نهایی را با دقت بیشتری ارزیابی کرد.

مطالعه موردی ایران

یکی از نخستین مطالعات تمام‌مقیاس که عملکرد شمع‌های مخروطی را با شمع‌های مستقیم مقایسه کرد، توسط Ghazavi  و Ahmadi (2008)  در ایران انجام شد. در این پژوهش، دو شمع بتنی پیش‌ساخته کوبشی با طول 5/12 متر و سطح جانبی تقریباً یکسان تحت آزمایش بارگذاری استاتیکی قرار گرفتند.

شمع مستقیم دارای مقطع مربعی 400×400 میلی‌متر بود، در حالی که شمع مخروطی از مقطع 570×570 میلی‌متر در سر شمع به 200×200 میلی‌متر در نوک شمع کاهش می‌یافت. نرخ کاهش ابعاد برابر با 5/7 میلی‌متر بر متر (حدود 5/0درجه) بود. اگرچه سطح جانبی دو شمع تقریباً برابر طراحی شده بود، اما سطح مقطع نوک شمع مخروطی تنها 12 درصد سطح مقطع نوک شمع مستقیم را تشکیل می‌داد.

به‌منظور بررسی تأثیر زمان بر رفتار شمع‌ها، آزمایش بارگذاری در دو مرحله انجام شد؛ مرحله نخست 35 روز پس از کوبش و مرحله دوم 254 روز بعد. نتایج هر دو آزمایش نشان داد که شمع مخروطی، علی‌رغم کوچک‌تر بودن سطح مقطع نوک، ظرفیت باربری بیشتری نسبت به شمع مستقیم دارد.

به‌منظور تحلیل نتایج، منحنی‌های بار–نشست با استفاده از نرم‌افزار UniPile6  شبیه‌سازی شدند. در هر دو مدل، مقدار هدف β برابر با 25/0 در جابه‌جایی 5 میلی‌متری و ضریب N_t برابر با 13 در نظر گرفته شد. همچنین برای مدل‌سازی مقاومت نوک، از تابع Gwizdala q-z  استفاده شد؛ بنابراین نسبت N_t/β  برابر با 52 برای هر دو شمع یکسان بود.

برای شمع مخروطی، علاوه بر پارامترهای فوق، اثر Donut Effect  نیز در مدل اعمال شد. در این بخش، ضریب N_t  معادل 33 برای ناحیه حلقوی ناشی از تغییر قطر شمع اختصاص یافت، در حالی که سایر پارامترهای مدل بدون تغییر باقی ماندند. این رویکرد توانست تطابق مناسبی بین نتایج تحلیل و منحنی‌های بار–نشست آزمایشگاهی ایجاد کند.

تحلیل توزیع مقاومت در طول شمع نشان داد که افزایش ظرفیت باربری شمع مخروطی عمدتاً ناشی از افزایش مقاومت اصطکاکی جداره است. در جابه‌جایی‌های بیش از حدود 8  میلی‌متر، مقاومت اصطکاکی در بخش مخروطی بیش از دو برابر شمع مستقیم برآورد شد. در مقابل، مقاومت نوک به دلیل کوچک‌تر بودن سطح مقطع انتهایی کاهش یافت، اما این کاهش با افزایش قابل توجه مقاومت جداره جبران شد و در نهایت ظرفیت باربری کل شمع افزایش یافت.

شکل 3- مقایسه منحنی‌های بار–نشست شمع مستقیم و شمع مخروطی در مطالعه تمام‌مقیاس ایران

شکل 4- مقایسه توزیع مقاومت اصطکاکی جداره در شمع مستقیم و شمع مخروطی. نتایج نشان می‌دهد مقاومت اصطکاکی در بخش مخروطی به‌طور قابل توجهی بیشتر از شمع مستقیم توسعه یافته است.

مطالعه موردی دوم: آزمایش‌های Porto Marghera، ایتالیا

یکی دیگر از مطالعات تمام‌مقیاس بررسی‌شده در این پژوهش، آزمایش‌های انجام‌شده توسط Gambini (1973)  در منطقه Porto Marghera  ایتالیا است. در این پروژه، علاوه بر آزمایش بارگذاری فشاری، آزمایش کششی نیز انجام شد که امکان تفکیک مقاومت اصطکاکی جداره از مقاومت نوک شمع را فراهم کرد.

شکل 5- نتایج تحلیل بارگذاری و مقایسه عملکرد شمع مستقیم و مخروطی در مطالعه Porto Marghera ایتالیا.

در این مطالعه، دو جفت شمع پیش‌تنیده سانتریفیوژی با طول‌های 10 و 15 متر مورد آزمایش قرار گرفتند. قطر شمع‌های مستقیم به‌ترتیب 330 و 400 میلی‌متر بود، در حالی که قطر شمع‌های مخروطی از 390 به 240 میلی‌متر و از 460 به 240 میلی‌متر کاهش می‌یافت. نرخ مخروطی شدن در هر دو شمع 15 میلی‌متر بر متر(حدود 85/0درجه) بود. اگرچه سطح جانبی شمع‌ها تقریباً یکسان طراحی شده بود، سطح مقطع نوک شمع‌های مخروطی تنها 53 درصد و 36 درصد شمع‌های مستقیم بود.  محل آزمایش از لایه‌های متناوب خاک ریزدانه و ماسه تشکیل شده بود و سطح آب زیرزمینی در حدود 1 متر زیر سطح زمین قرار داشت. همچنین برای تعیین مشخصات ژئوتکنیکی خاک، آزمایش CPT  در محل انجام شد.

برای تحلیل نتایج، ابتدا رفتار شمع مستقیم با استفاده از نتایج آزمایش کششی کالیبره شد و سپس همان پارامترها برای شمع مخروطی به‌کار رفت. تنها تفاوت دو مدل، در نظر گرفتن Donut Effect  برای شمع مخروطی بود.  نتایج نشان داد که برای شمع 10 متری، مقادیر β = 0.45  و N_t = 40  بهترین تطابق را با نتایج آزمایش ایجاد می‌کنند. برای شمع 15 متری نیز مقادیر β = 0.16  و N_t = 110  به دست آمد. در هر دو حالت، تحلیل‌ها نشان داد که مقاومت اصطکاکی جداره شمع مخروطی تقریباً دو برابر شمع مستقیم است؛ موضوعی که با وجود کوچک‌تر بودن سطح مقطع نوک، باعث افزایش ظرفیت باربری نهایی شمع مخروطی شد.

اهمیت این مطالعه در استفاده هم‌زمان از آزمایش‌های کششی و فشاری است. این روش نشان داد که افزایش ظرفیت باربری شمع‌های مخروطی، بیش از آنکه به مقاومت نوک وابسته باشد، ناشی از افزایش مقاومت اصطکاکی جداره است؛ نتیجه‌ای که با یافته‌های مطالعه انجام‌شده در ایران نیز همخوانی دارد.

مطالعه موردی سوم: آزمایش تمام‌مقیاس در Monselice ایتالیا

سومین مطالعه بررسی‌شده در این مقاله، یک آزمایش بارگذاری استاتیکی است که در سال 2018 در شهر  Monselice، در فاصله حدود 50 کیلومتری از Porto Marghera انجام شد. در این آزمایش، دو شمع سانتریفیوژی به طول 12 متر شامل یک شمع مستقیم و یک شمع مخروطی با یکدیگر مقایسه شدند.

قطر شمع مستقیم 330 میلی‌متر بود، در حالی که قطر شمع مخروطی از 420 میلی‌متر در سر شمع به 240 میلی‌متر در نوک شمع کاهش می‌یافت. با وجود این تفاوت، سطح جانبی هر دو شمع تقریباً یکسان در نظر گرفته شده بود. شمع‌ها از حدود 8 متر خاک ریزدانه عبور کرده و سپس وارد 2 متر لایه رس روی بستر ماسه‌ای شدند. همچنین سطح آب زیرزمینی در عمق 4 متری قرار داشت و برای تعیین مشخصات خاک، آزمایش CPTU در محل انجام شد.

نتایج آزمایش بارگذاری نشان داد که شمع مخروطی در مقایسه با شمع مستقیم، بار بیشتری را در نشست‌های مشابه تحمل می‌کند. برای تحلیل این رفتار، ابتدا پاسخ شمع مستقیم در نرم‌افزار UniPile6 کالیبره شد و سپس همان پارامترها برای شمع مخروطی به‌کار رفت. تنها تفاوت بین دو مدل، در نظر گرفتن Donut Effect برای شمع مخروطی بود.

در این مطالعه، مقدار هدف β برابر با 40/0 در جابه‌جایی 5 میلی‌متری در نظر گرفته شد. همچنین برای مدل‌سازی مقاومت نوک، مقدار N_t برابر با 55 و برای مدل‌سازی Donut Effect مقدار هدف N_t برابر با 130 انتخاب شد که در جابه‌جایی‌های بزرگ به 170 افزایش می‌یافت. نسبت N_t/β برای مقاومت نوک برابر 138 و برای اثر Donut حدود 425 گزارش شد.

تحلیل توزیع مقاومت در طول شمع نشان داد که پس از حدود 10 میلی‌متر جابه‌جایی، مقاومت اصطکاکی در بخش مخروطی بیش از دو برابر شمع مستقیم می‌شود. به همین دلیل، برای ایجاد جابه‌جایی مشابه، شمع مستقیم به باری در حدود 1500 کیلونیوتن نیاز داشت، در حالی که شمع مخروطی توانست تا حدود 2400 کیلونیوتن بار را تحمل کند. با وجود کوچک‌تر بودن سطح مقطع نوک، افزایش مقاومت اصطکاکی باعث شد ظرفیت باربری شمع مخروطی به‌طور محسوسی بیشتر از شمع مستقیم باشد.

نتایج این مطالعه نیز یافته‌های مطالعات ایران و Porto Marghera را تأیید می‌کند. در هر سه مطالعه، عامل اصلی افزایش ظرفیت باربری شمع مخروطی، افزایش مقاومت اصطکاکی جداره بوده است؛ در حالی که مقاومت نوک به دلیل کوچک‌تر بودن سطح مقطع افزایش نیافته است. این تکرار نتایج در شرایط مختلف خاک، اطمینان بیشتری نسبت به عملکرد شمع‌های مخروطی ایجاد می‌کند.

مطالعه موردی چهارم: آزمایش تمام‌مقیاس در Mobile، آلاباما

آخرین مطالعه این پژوهش، مجموعه‌ای از آزمایش‌های تمام‌مقیاس است که در سال 2025 در شهر Mobile ایالت آلابامای آمریکا انجام شد. این پروژه با هدف مقایسه مستقیم عملکرد شمع‌های مستقیم و مخروطی طراحی شد و نسبت به مطالعات قبلی، از ابزارهای اندازه‌گیری کرنش و نیرو در طول شمع نیز استفاده شد.

در این برنامه، پنج شمع فولادی لوله‌ای پرشده با بتن تا عمق 4/17 متر کوبیده شدند. دو شمع دارای مقطع یکنواخت و سه شمع از نوع Tapered Steel Pipe Pile (TSFP) بودند. قطر خارجی تمام شمع‌ها 457 میلی‌متر بود، اما در شمع‌های مخروطی، از فاصله 6/7 متری بالاتر از نوک شمع، قطر به‌تدریج تا 203 میلی‌متر کاهش می‌یافت. نرخ مخروطی شدن برابر با 16 میلی‌متر بر متر (حدود 1 درجه) بود. در این حالت، سطح جانبی بخش مخروطی حدود 83 درصد و سطح مقطع نوک تنها 20 درصد شمع مستقیم بود.

برای بررسی رفتار شمع‌ها، علاوه بر آزمایش بارگذاری استاتیکی، کرنش در نقاط مختلف شمع اندازه‌گیری شد تا توزیع نیرو، مقاومت اصطکاکی جداره و مقاومت نوک با دقت بیشتری استخراج شود. این اطلاعات امکان تحلیل دقیق‌تر مکانیزم انتقال بار را نسبت به مطالعات قبلی فراهم کرد.

نتایج نشان داد که با وجود کوچک‌تر بودن سطح مقطع نوک، شمع‌های مخروطی ظرفیت باربری برابر یا حتی اندکی بیشتر از شمع‌های مستقیم داشتند. تحلیل توزیع مقاومت نیز نشان داد که در طول بخش مخروطی، مقاومت اصطکاکی تقریباً دو برابر شمع مستقیم توسعه یافته است؛ موضوعی که کاهش مقاومت نوک را به‌طور کامل جبران کرد.

نویسنده همچنین به چند نکته اجرایی مهم اشاره می‌کند. در این پروژه، نحوه اعمال بار و بتن‌ریزی داخل لوله‌ها باعث بروز مشکلاتی در برخی داده‌های کرنش شد و بخشی از اطلاعات ابزارها قابل استفاده نبود. این تجربه نشان می‌دهد که در آزمایش‌های تمام‌مقیاس، نحوه اجرای آزمایش و نصب تجهیزات اندازه‌گیری می‌تواند به اندازه خود طراحی شمع اهمیت داشته باشد.

مطالعه Mobile مهم‌ترین شاهد این پژوهش است، زیرا نتایج آن تنها بر منحنی بار–نشست متکی نیست، بلکه با استفاده از ابزار دقیق، نحوه توزیع نیرو در طول شمع نیز بررسی شده است. این آزمایش بار دیگر تأیید می‌کند که افزایش ظرفیت شمع‌های مخروطی عمدتاً ناشی از افزایش مقاومت اصطکاکی جداره است و در این مطالعه نیز مقاومت این بخش تقریباً دو برابر شمع‌های مستقیم گزارش شده است.

مقایسه نتایج مطالعات

با وجود تفاوت در نوع شمع، شرایط خاک، روش اجرا و محل انجام آزمایش‌ها، نتایج چهار مطالعه بررسی‌شده روندی مشابه را نشان می‌دهند. در تمامی این مطالعات، شمع‌های مخروطی عملکردی بهتر یا حداقل هم‌تراز با شمع‌های مستقیم داشتند؛ در حالی که سطح مقطع نوک آن‌ها به‌مراتب کوچک‌تر بود.

وجه مشترک تمامی این مطالعات آن است که افزایش ظرفیت باربری شمع‌های مخروطی عمدتاً ناشی از افزایش مقاومت اصطکاکی جداره بوده است. اگرچه کاهش قطر نوک باعث کاهش مقاومت نوک شمع می‌شود، اما افزایش تنش جانبی خاک در امتداد بخش مخروطی، مقاومت اصطکاکی را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد و این کاهش را جبران می‌کند.

جدول زیر، مهم‌ترین نتایج مطالعات را به‌صورت خلاصه نشان می‌دهد.

نکته قابل توجه آن است که این نتایج تنها به یک نوع خاک یا یک نوع شمع محدود نمی‌شود. مطالعات انجام‌شده در خاک‌های مختلف و با استفاده از شمع‌های بتنی و فولادی، همگی روند مشابهی را نشان داده‌اند. این موضوع بیانگر آن است که مزیت اصلی شمع‌های مخروطی به مکانیزم انتقال بار و نحوه برهم‌کنش آن‌ها با خاک مربوط می‌شود، نه صرفاً جنس یا ابعاد شمع.

جمع‌بندی

نتایج چهار مطالعه تمام‌مقیاس بررسی‌شده در این مقاله نشان می‌دهد که شکل هندسی شمع تأثیر مستقیمی بر نحوه انتقال بار به خاک دارد. در تمامی آزمایش‌ها، با وجود کوچک‌تر بودن سطح مقطع نوک، شمع‌های مخروطی توانستند عملکردی هم‌تراز یا بهتر از شمع‌های مستقیم داشته باشند. این برتری عمدتاً ناشی از افزایش مقاومت اصطکاکی جداره در اثر افزایش تنش جانبی خاک در اطراف بخش مخروطی شمع بوده است.

تحلیل‌های انجام‌شده با استفاده از نرم‌افزار UniPile6 و مدل Donut Effect  نیز نشان داد که با در نظر گرفتن اثر شکل هندسی شمع، می‌توان نتایج آزمایش‌های میدانی را با دقت مناسبی شبیه‌سازی کرد. این موضوع بیانگر آن است که افزایش ظرفیت باربری شمع‌های مخروطی تنها یک مشاهده تجربی نیست، بلکه از منظر مکانیزم انتقال بار نیز قابل توجیه است.

البته باید توجه داشت که انتخاب شمع مخروطی به‌عنوان گزینه مناسب طراحی، به عواملی مانند شرایط ژئوتکنیکی محل، روش اجرا، نوع شمع و ملاحظات اقتصادی نیز بستگی دارد. بنابراین، استفاده از این نوع شمع باید بر پایه مطالعات ژئوتکنیکی، نتایج آزمایش‌های صحرایی و تحلیل‌های مهندسی انجام شود.

به‌طور کلی، نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که شمع‌های مخروطی می‌توانند در بسیاری از پروژه‌ها، به‌ویژه در شمع‌های کوبشی جابه‌جایی، گزینه‌ای کارآمد برای افزایش ظرفیت باربری بدون افزایش طول شمع باشند. با توجه به شواهد به‌دست‌آمده از مطالعات انجام‌شده در ایران، ایتالیا و آمریکا، به نظر می‌رسد استفاده از این نوع شمع‌ها می‌تواند در پروژه‌هایی که ظرفیت اصطکاکی سهم قابل توجهی در تحمل بار دارد، مورد توجه بیشتر مهندسان طراح قرار گیرد.