Розробка та експериментальна оцінка біо-інсіірованих нерівностей поверхні паль для покращеного перенесення навантаження в піщаних ґрунтах

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.334186

Ключові слова:

осьова вантажопідйомність, каудальна нерівність, краніальна нерівність, експериментальна перевірка, співвідношення L / H

Анотація

У піщаних ґрунтах ефективність опору поверхневого шару є критично важливою, оскільки вона визначає вантажопідйомність, осідання та вартість фундаменту. У цій роботі досліджуються пальові фундаменти зі спрямованими нерівностями поверхні, вбудованими в однорідний пісок, щоб з'ясувати обмежені знання про те, як орієнтація нерівностей (краніальна проти каудальної), геометричне співвідношення (L / H) та діаметр палі впливають на передачу осьового навантаження. Експериментальні випробування проводилися на сталевих палях діаметром 10, 12 та 15,85 мм за гладких, краніальних та каудальних умов зі співвідношеннями L / H 20, 26,67 та 33,33. Випробування на осьове стискання відповідно до ASTM D1143-20 у контрольованому сухому піску забезпечили дані про граничне навантаження та опір стволу, підтверджені однофакторним дисперсійним аналізом. Результати показують, що краніальні нерівності послідовно перевершували інші поверхні, причому конфігурація Cr L / H 20 на палі 15,85 мм досягла 0,368 кН, що на 392,51% більше, ніж у гладких палях, тоді як каудальні нерівності досягли лише 134,30%. Черепні нерівності також рівномірніше мобілізували опір ствола вздовж палі, зменшуючи залежність від торцевих опор. Ця продуктивність пояснюється сильнішою пасивною взаємодією на межі розділу паля-ґрунт, що підвищує нормальні напруження та мобілізацію тертя. Відмінною особливістю цього дослідження є визначення співвідношення L / H як вимірюваного параметра проектування, причому L / H = 20 було визнано оптимальним, на відміну від попередніх досліджень, які описували шорсткість лише якісно. Результати дослідження демонструють практичний потенціал застосування конструкцій з урахуванням нерівностей краніальної лінії в пальових фундаментах для легкої та середньої інфраструктури на піщаних ґрунтах, таких як мости, пристані та вежі ліній електропередач, що дозволяє використовувати коротші або меншу кількість паль без шкоди для безпеки, одночасно покращуючи економічну ефективність та геотехнічні характеристики

Біографії авторів

Agata Iwan Candra, Department of Civil Engineering, Brawijaya University

Doctor Candidate in Civil Engineering

Department of Civil Engineering

As`ad Munawir, Universitas Brawijaya

Doctor of Civil Engineering, Professor

Department of Civil Engineering

Yulvi Zaika, Universitas Brawijaya

Doctor of Civil Engineering

Department of Civil Engineering

Eko Andi Suryo, Universitas Brawijaya

Doctor of Philosophy (PhD) Geotechnical Engineering

Department of Civil Engineering

Посилання

  1. Lee, S.-H., Nawaz, M. N., Chong, S.-H. (2023). Estimation of interface frictional anisotropy between sand and snakeskin-inspired surfaces. Scientific Reports, 13 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31047-3
  2. Tramsen, H. T., Gorb, S. N., Zhang, H., Manoonpong, P., Dai, Z., Heepe, L. (2018). Inversion of friction anisotropy in a bio-inspired asymmetrically structured surface. Journal of The Royal Society Interface, 15 (138), 20170629. https://doi.org/10.1098/rsif.2017.0629
  3. Martinez, A., Palumbo, S., Todd, B. D. (2019). Bioinspiration for Anisotropic Load Transfer at Soil–Structure Interfaces. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 145 (10). https://doi.org/10.1061/(asce)gt.1943-5606.0002138
  4. Martinez, A., Frost, J. D. (2018). Undrained Behavior of Sand–Structure Interfaces Subjected to Cyclic Torsional Shearing. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 144 (9). https://doi.org/10.1061/(asce)gt.1943-5606.0001942
  5. Krengel, D., Jiang, H., Chen, J., Matsushima, T. (2025). The combined effect of particle angularity and inter-particle friction on micro- and macroscopic properties of granular assemblies. Computers and Geotechnics, 177, 106850. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2024.106850
  6. Zhang, T., Wang, Y., Zhang, C., Wang, S. (2024). DEM investigation of particle gradation effect on the stress-dilatancy behavior of granular soil. Advanced Powder Technology, 35 (11), 104692. https://doi.org/10.1016/j.apt.2024.104692
  7. Zhong, W., Liu, H., Wang, Q., Zhang, W., Li, Y., Ding, X., Chen, L. (2021). Investigation of the penetration characteristics of snake skin-inspired pile using DEM. Acta Geotechnica, 16 (6), 1849–1865. https://doi.org/10.1007/s11440-020-01132-2
  8. Martinez, A., Frost, J. D. (2017). The influence of surface roughness form on the strength of sand–structure interfaces. Géotechnique Letters, 7 (1), 104–111. https://doi.org/10.1680/jgele.16.00169
  9. Gayathri, V. L., Vangla, P., Riya, A. (2022). Effect of snakeskin-inspired patterns on the shear response of soil - continuum interfaces. International Journal of Geotechnical Engineering, 16 (6), 759–775. https://doi.org/10.1080/19386362.2022.2066049
  10. O’Hara, K. B., Martinez, A. (2020). Monotonic and Cyclic Frictional Resistance Directionality in Snakeskin-Inspired Surfaces and Piles. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 146 (11). https://doi.org/10.1061/(asce)gt.1943-5606.0002368
  11. Stutz, H. H., Martinez, A., Heepe, L., Tram Tramsen, H., Gorb, S. N. (2019). Strength anisotropy at soil-structure interfaces with snake skin inspired structural surfaces. E3S Web of Conferences, 92, 13008. https://doi.org/10.1051/e3sconf/20199213008
  12. Martinez, A., Palumbo, S. (2018). Anisotropic Shear Behavior of Soil-Structure Interfaces: Bio-Inspiration from Snake Skin. IFCEE 2018, 94–104. https://doi.org/10.1061/9780784481592.010
  13. Nawaz, M. N., Lee, S.-H., Chong, S.-H., Ku, T. (2024). Interface frictional anisotropy of dilative sand. Scientific Reports, 14 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-024-56621-1
  14. Moon, J.-S., Lee, S. (2016). Static skin friction behavior of a single micropile in sand. KSCE Journal of Civil Engineering, 20 (5), 1793–1805. https://doi.org/10.1007/s12205-016-0918-2
  15. Kodicherla, S. P. K., Gong, G., Yang, Z. X., Krabbenhoft, K., Fan, L., Moy, C. K. S., Wilkinson, S. (2019). The influence of particle elongations on direct shear behaviour of granular materials using DEM. Granular Matter, 21 (4). https://doi.org/10.1007/s10035-019-0947-x
  16. Huang, L., Martinez, A. (2020). Study of Interface Frictional Anisotropy at Bioinspired Soil-Structure Interfaces with Compliant Asperities. Geo-Congress 2020, 253–261. https://doi.org/10.1061/9780784482834.028
  17. Vangla, P., Wala, B. A., Gayathri, V. L., Frost, J. D. (2022). Snakeskin-inspired patterns for frictional anisotropic behaviour of split set rock bolts. Géotechnique Letters, 12 (2), 95–100. https://doi.org/10.1680/jgele.21.00076
  18. Han, F., Ganju, E., Salgado, R., Prezzi, M. (2018). Effects of Interface Roughness, Particle Geometry, and Gradation on the Sand–Steel Interface Friction Angle. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 144 (12). https://doi.org/10.1061/(asce)gt.1943-5606.0001990
  19. Liu, R., Lou, S., Li, X., Han, G., Jiang, Y. (2020). Anisotropic surface roughness and shear behaviors of rough-walled plaster joints under constant normal load and constant normal stiffness conditions. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 12 (2), 338–352. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2019.07.007
  20. Liu, Y., Liu, X., Hu, W. (2022). Competition mechanism between dilation and interlocking in granular soils: DEM simulation and constitutive modeling. Acta Geotechnica, 18 (1), 149–169. https://doi.org/10.1007/s11440-022-01552-2
  21. Vesic, A. B. (1963). Bearing capacity of deep foundations in sand. Highway Research Record. Available at: https://trid.trb.org/View/126654
  22. Yang, Q., Hong, S., Shen, Q., Xiao, S., Zhu, H. (2025). An Investigation of the Influence of Concrete Tubular Piles at the Pit Bottom During Excavation on Bearing Behavior. Buildings, 15 (14), 2437. https://doi.org/10.3390/buildings15142437
  23. O’Hara, K. B., Martinez, A. (2022). Load Transfer Directionality of Snakeskin-Inspired Piles during Installation and Pullout in Sands. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 148 (12). https://doi.org/10.1061/(asce)gt.1943-5606.0002929
  24. Aleali, S. A., Bandini, P., Newtson, C. M. (2020). Multifaceted Bioinspiration for Improving the Shaft Resistance of Deep Foundations. Journal of Bionic Engineering, 17 (5), 1059–1074. https://doi.org/10.1007/s42235-020-0076-6
Розробка та експериментальна оцінка біо-інсіірованих нерівностей поверхні паль для покращеного перенесення навантаження в піщаних ґрунтах

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-10-30

Як цитувати

Candra, A. I., Munawir, A., Zaika, Y., & Suryo, E. A. (2025). Розробка та експериментальна оцінка біо-інсіірованих нерівностей поверхні паль для покращеного перенесення навантаження в піщаних ґрунтах. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(1 (137), 94–101. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.334186

Номер

Том 5 № 1 (137) (2025): Виробничо-технологічні системи

Розділ

Виробничо-технологічні системи

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Agata Iwan Candra, As`ad Munawir, Yulvi Zaika, Eko Andi Suryo

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.