گروه شمع،‏ به طور گسترده در سازه های دریایی مورد استفاده قرار می گیرد. بارهای وارد بر این سازه ها به دو گروه اصلی بارهای قائم و جانبی تقسیم می شوند. استفاده از شمع های قائم برای تحمل بارهای قائم،‏ مورد توافق همه محققان می باشد. ولی برای استفاده از شمع های مایل تردید وجود دارد. عده ای از دانشمندان استفاده از شمع مایل را برای مقابله با بارهای جانبی توصیه می کنند در حالی که عده ای دیگر فقط به استفاده از ظرفیت باربری جانبی شمع های قائم اعتقاد دارند. شمع مایل در گروه شمع رفتار و عملکرد دوگانه ای دارد: با استفاده از شمع مایل،‏ از یک طرف تغییر مکان جانبی گروه شمع و عرشه بر اثر بارهای جانبی کاهش می یابد و از طرف دیگر تمرکز تنش زیادی در محل اتصال این شمع به سرشمع به وجود می آید. بنابراین درک صحیح رفتار شمع های مایل و قائم از اهمیت بالایی برخوردار است. تحقیق حاضر بر اساس روش عددی تفاضل های محدود استوار است. خاک به صورت محیط پیوسته و با مدل رفتاری موهر - کولمب در نظر گرفته شده و شمع ها و سرشمع از جنس بتن و با مدل رفتاری الاستیک فرض شده اند. برای صحت سنجی تحلیل ها،‏ بین نتایج به دست آمده از مدل سازی عددی و نتایج حاصل از آزمایش های بارگذاری شمع و فرمول های تجربی موجود مقایسه صورت گرفته است.

در این مقاله، رفتار شمع بلند (Long pile)، تحت بارگذاری جانبی، با استفاده از روش سرعت سنجی تصویری ذرات PIV (Particle Image Velocimetry) ، در آزمایشگاه مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر مایل بودن شمع در رفتار خاک اطراف آن، مورد مطالعه قرار گرفته است. خاکی که در این پروژه استفاده شده از نوع ماسه خشک بد دانه بندی شده می باشد که در سست ترین حالت به شکل ریزش بارانی در داخل جعبه آزمایش ریخته می شد. شمع ها از نوع فولادی و به طول 40 سانتیمتر بودند، که، 37 سانتیمتر از آن در داخل خاک مدفون است. زاویه انحراف شمع نسبت به قائم در شش حالت و مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمایش ها نشان داد که تاثیر زاویه انحراف شمع مهم تر از تحت فشار یا کشش بودن شمع می باشد. همچنین طول عمق گیرداری شمع هایی که تحت کشش قرار می گیرند (شمع مایل منفی)، نسبت به شمع هایی که تحت فشار هستند (شمع مایل مثبت)، کمتر است. بررسی ها نشان داد که با مایل تر شدن شمع، با اعمال بار جانبی، شمع تحت نیروی محوری بیشتری قرار گرفته، در نتیجه سبب نشست بیشتر خاک اطراف شمع در اعماق پایین تر می گردد، که برای شمع های مایل مثبت نسبت به شمع های مایل منفی این میزان نشست بیشتر می باشد.

در این نوشتار اصطکاک منفی در شمع قائم و مایل منفرد بررسی شده است. ابتدا به منظور صحت سنجی نتایج، یک شمع قائم اتکایی و اصطکاکی مدل شده و نتایج به دست آمده از آن با نتایج ارائه شده توسط سایر پژوهشگران مقایسه و تایید شده است، سپس یک شمع منفرد قائم اتکایی و یک شمع قائم اصطکاکی تحت سربارهای سطحی متفاوت مدل سازی شده و نیروی فروکش آنها مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، رفتار شمع منفرد مایل اتکایی و اصطکاکی با زوایای تمایل بین 0 تا 30 درجه نسبت به قائم تحت شرایط مشابه شمع قائم مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفته است. نتایج تحلیل ها نشان می دهد که نیروی فروکش در شمع قائم و مایل کاملا وابسته به مقدار بارگذاری سطحی و نوع شمع به لحاظ اتکایی و اصطکاکی است. در حالت شمع مایل متناسب با نحوه توزیع تنش در خاک اطراف شمع بین حالت های محرک، سکون و مقاوم عمل می کند و مقادیر نیروی فروکش متناسب با آن ایجاد می شود.

پی های عمیق عموما برای تحمل بارهای فشاری سنگین و انتقال بار از سطوح ضعیف خاک به لایه های عمیق و مقاوم تر زمین استفاده می شوند. باتوجه به افزایش ضرورت ساخت سازه هایی نظیر برج های انتقال نیرو و دودکش های بزرگ که علاوه بر تحمل بارهای فشاری سنگینی، در معرض نیروهای بالارانش قایم و مایل بزرگی همچون بارهای باد و زلزله نیز قرار دارند، محققین به دنبال بررسی راه حل هایی برای مقابله با این نیروها هستند. استفاده از شمع ها به عنوان مهار جهت مقابله با بارهای کششی مایل و قایم، باعث گسترش مطالعه رفتار کششی و بررسی عوامل مختلف موثر بر ظرفیت بالارانش شمع ها، در سالیان گذشته شده است. در این پژوهش توسط دستگاه ساخته شده در دانشگاه بوعلی سینا، مطالعه آزمایشگاهی رفتار مدل های شمع ساده و پافیلی واقع بر بستر خاک ماسه ای با دانسیته نسبی 60%، تحت بار های کششی انجام گرفته و اثر پارامتر های مختلف شامل زاویه اعمال بار و نسبت قطر پافیلی به قطر شمع بر رفتار بار-جابه جایی مطالعه شد. مدل های شمع با زوایای صفر (قایم)، 30، 60 و 90 درجه (افقی)، نسبت به محور شمع تحت کشش قرار گرفته و سپس پاسخ بار-جابه جایی به دست آمد. بر پایه نتایج تحقیق، مقادیر زوایای بحرانی بارهای کششی مایل تحت پارامترهای مختلف که به ازای آن حداکثر ظرفیت باربری شمع تحت بار کششی حاصل می شود، تعیین شد؛ زاویه بحرانی متناظر با حداکثر ظرفیت کششی، 60 درجه به دست آمد. تحلیل نتایج مطالعه نشان داد که ظرفیت باربری قایم نهایی شمع پافیلی نسبت به شمع ساده و همچنین با افزایش قطر قسمت پافیلی شمع، به طور قابل توجهی افزایش می یابد.