بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از چالشهاي اساسی حال حاضر، نبود راهکارها و دستورالعملهاي مناسب براي درنظرگرفتن اثرات عوارض زیرسطحی و یا به عبارتی اثرات حفرههاي زیرزمینی بر پاسخ لرزهاي سطح زمین در مسائل مهندسی است. بهرغم اهمیت این اثرات، به جرأت میتوان گفت که هیچ آییننامهاي چنین اثراتی را در نظر نگرفته است. حضور حفرهها بهصورت منفرد با مقاطع متفاوت و فواصل متفاوت از سطح، اشاره به گستردگی این مسئله دارد. تحقیقات نشان میدهد که پاسخ لرزهاي سطح زمین در بالاي تونلها میتواند متفاوت از حرکت زمین طبیعی در هنگام وقوع زمینلرزه باشد. در مطالعهي حاضر، پاسخ لرزهاي در یک محیط الاستوپلاستیک، شامل یک تونل کند و پوش - Cut & cover - پوششدار مدفون، بر اساس روش تفاضل محدود، تحت اثر اعمال مجموعهاي از شتابنگاشتهاي زلزلههاي نزدیک و دور از گسل، موردبررسی قرارگرفته و نتایجِ تغییرات ضریب بزرگنمایی در مقابل عمق دفن تونل، بهعنوان نتایج عمدهاي از این مطالعه به تصویر کشیده شده است.
کلمات کلیدي: الگوي بزرگنمایی، تونلهاي کند و پوش، اجزا محدود، حفرههاي زیرزمینی، زلزله میدان نزدیک.
.1 مقدمه
زندگی راحت و ایمن رؤیاي دائمی انسان است. براي تحقق این رؤیا، فضاي مناسبی براي سکونت، کار و همچنین عملکردهاي گوناگونی همچون تأمین و ذخیرهي انرژي و حملونقل ضروري است؛ اما فضاي مناسب براي تحقق این نیازها در بسیاري از مناطق جهان با مشکلاتی مانند کمبود فضا در مراکز متراکم شهري، ازدحام و شلوغی بیشازحد، آلودگی صوتی، آبوهوا و اقلیم ناسازگار روبرو است. پیشرفتهاي اخیر علمی و فنی سازندگان را قادر ساخته است تا بر موانع همیشگی در برابر ساختوسازهاي زیرزمینی غلبه نمایند .[1]
در مطالعاتِ بسیاري اعم از تحلیلهاي تجربی، مدلسازيهاي فیزیکی و عددي، محققین کوشیدهاند تا اهمیت اثرات ساختگاه را موردبررسی قرار دهند. بهطورکلی میتوان مطالعات انجامشده در این زمینه را به دو بخش کلی الف - روشهاي تحلیلی، ب - روشهاي عددي، تقسیمبندي نمود. الف - : لی و هاو در سال [2] 2010 و [3] با استفاده از روش تحلیلی بسط تابع موج به بررسی تفرق امواج SH توسط حفرههاي دوبعدي نیم دایرهاي و مقایسه با حفرههاي دایرهاي در محیط الاستیک، پرداختند. نتایج نشان داد که با عمیقتر شدن حفرهي نیم دایرهاي نسبت به سطح زمین، دامنهي تغییر مکان سطح زمین کاهش مییابد. تیسور و چانگ در سال [4] 2012 تحقیقاتی درزمینهي تفرق امواج توسط حفرههاي مدفون انجام دادند. در این تحقیق آنها با استفاده از روش تحلیلی تصویرسازي به بررسی تفرق امواج صفحهاي SH در اثر برخورد با مقطع تونل، پرداختند.
ب - : روشهاي عددي مورداستفاده جهت تحلیل لرزهاي ساختگاههاي چندبعدي را میتوان به روشهاي حجمی مانند اجزاي محدود، روشهاي مرزي مانند اجزاي مرزي و روشهاي مرکب که از ترکیب روشهاي حجمی و مرزي هستند تقسیمبندي نمود. ازجمله جدیدترین تحقیقات انجامشده در این زمینه میتوان به مقالهي علیالهی و همکاران در سال [5] 2015 اشاره نمود. در این مقاله پاسخ لرزهاي درهي نیم سینوسی شکل، بالاي حفرات زیرزمینی، ازنظر ابعاد، عمق و موقعیت قرارگیري، موردبررسی قرار گرفت. ایشان با استفاده از روش عددي اجزاي مرزي مستقیم در حوزهي زمان، مشاهده نمودند که حضور حفره در زیر دره، بهطور قابلتوجهی میتواند پاسخ سطح زمین را در باندهاي متناوب مختلف تغییر دهد؛ همچنین آنها نشان دادند اندرکنش لرزهاي بین دره و حفره با توجه به پارامترهاي مختلف هندسی منجر به تشکیل الگوهاي بزرگنمایی مختلف در مرکز و لبهي دره میشود؛ درنهایت گزارشهایی در خصوص ضرایب بزرگنمایی طیفی سطح دره به همراه حفره، براي موارد مختلفِ اندرکنش دره–حفره، ارائه دادند.
همچنین در مقالهاي دیگر، علیالهی و همکاران در سال [6] 2015، پاسخ لرزهايِ تونل بدون پوشش مدفون در یک محیط الاستیک خطی را تحت امواج مهاجم عمودي SV و P موردبررسی قراردادند. آنها تحلیلشان را بر مبناي تحلیل عددي در حوزهي زمان، با استفاده از یک الگوریتم عددي قوي بر اساس روش المان مرزي، انجام دادند. ایشان مشاهده نمودند بزرگنمایی سطح زیرین زمین، به خاطر حضور تونل در پریودهاي بلند افزایش یافت؛ و همچنین تغییر ضریب بزرگنمایی و میانگین پریود مشخصه در مقابل عمق دفن تونل را بهعنوان نتایج عمدهاي از این مطالعه، به تصویر کشیدند.
آنها برخی از روابط ساده و مفید را نیز براي برآورد ریز پهنهبندي لرزهاي سطوح زیرین تونلها ارائه نمودند و پیشنهاد دادند که میتوان از این روابط، براي طراحی لرزهاي اولیهي سازههایی که بر روي سازههاي زیرزمینی واقع شدند استفاده کرد.
با توجه به مطالب ذکرشده تمامی تحقیقاتی که تا امروز در این زمینه انجامشده در حضور امواج مهاجم SH، P، SV و بهطور خلاصه امواج هارمونیک با دامنههاي کنترلشده در محیط الاستیک بوده است؛ ازاینرو در این مقاله در ادامهي کار محققین دیگر سعی بر آن شد تا پاسخ لرزهاي سطح زمین را در یک محیط الاستوپلاستیک، شامل یک تونل کند و پوش - Cut & Cover - مدفون با پوششِ مسلح، بر اساس روش تفاضل محدود و نرمافزار [7] FLAC 2D - Ver 7 .0 - ، تحت اثر اعمال مجموعهاي از شتابنگاشتهاي زلزلههاي نزدیک و دور از گسل موردبررسی قرارداده و نتایجِ تغییرات ضریب بزرگنمایی در مقابل عمق دفن تونل، بهعنوان نتایج عمدهاي از این مطالعه به تصویر کشیده شده و مورد مقایسه و بحث قرار گیرد.
نرمافزار FLAC داراي قابلیتهاي فراوان ازجمله درنظرگرفتن اندرکنش خاك و سازه، محاسبه تغییر شکلهاي بزرگ، مدلهاي رفتاري مختلف خاك، درنظرگرفتن فشار آب حفرهاي میباشد. این نرمافزار براي مدلسازي دوبعدي سازههاي خاکی بکار میرود که قادر به تحلیل استاتیکی و دینامیکی این نوع سازهها است. مرزهاي قائم دو طرف مدل ساختهشده از تونل به حد کافی دورتر انتخابشده است و با استفاده از میراگرهاي ویسکوز میتوان ویژگی مرزهاي قائم جوانب مدلهاي ساختهشده را بهصورت میدان آزاد تعریف کرده و یک محیط نیمه بینهایت در مدلسازي حفرهي زیرزمینی با استفاده از نرمافزار به دست آورد. میرایی مورداستفاده در این آنالیزها، از نوع میرایی رایلی با حداقل نسبت میرایی %5 میباشد.
.2 روش تحلیل پارامتریک
در بررسی اثر حضور تونلهاي زیرزمینی تونلهاي کند و پوش بر پاسخ لرزهاي سطح زمین که عموماً داراي مقطع چهارضلعی هستند، در محیط نیمصفحهي الاستوپلاستیک تحت اثر اعمال مجموعهاي از شتابنگاشتهاي زلزلههاي نزدیک و دور از گسل قرار گرفتند. در این مطالعه از بین شتابنگاشتها، رکوردهاي موجود در فاصلهي شعاع 10 کیلومتري مرکز سطحی زلزله، بهعنوان زلزلهي حوزهي نزدیک و یک رکورد دیگر در فاصلهي فراتر از این فاصله از مرکز سطحی مربوط به همان زلزله، بهعنوان زلزلهي حوزهي دور مطابق با جدول 2 انتخاب شدند. براي بررسی اثراتِ زلزلههاي حوزهي دور و نزدیک گسل، زلزلههاي منتخب یکبار شتابنگاشت زلزله حوزهي نزدیک گسل و بار دیگر شتابنگاشت زلزلهي دور از گسل به زیر بستر اعمالشده و تغییرات جابجایی در فواصل مختلفی از آکس تونل ثبت و موردبررسی قرار گرفت. شتاب پیک تمامی رکوردهاي زلزله براي اعمال به مدلها بهشتاب 3/5 متر بر مجذور ثانیه مقیاس شدهاند؛ همچنین بهمنظور تسهیل در دستهبندي نتایج و نیز قابلیت تعمیم آنها در شرایط مشابه، پارامترهاي هندسی و مکانیکی دخیل در مسئله، بیبعد شدهاند. پارامترهاي هندسی بیبعد در این مطالعه شامل نسبت عمق تونل - DR=d/a - ، نسبت فاصلهي افقی در سطح زمین - XR=X/a - ، فرکانس بیبعد - η - و سختی پوشش تونل - J - میباشد. جدول 1 هندسهي مدل و پارامترهاي مربوط به آن را نشان میدهد.
جدول -1 مشخصات هندسی و مکانیکی تونل
جدول -2 لیست زلزلههاي مورداستفاده در مقایسهي حوزه نزدیک و دور گسل
.3 نتایج حاصل از مطالعات پارامتریک
بهمنظور تفکیک تأثیرات هر یک از پارامترهاي دخیل در بزرگنمایی پاسخ سطح زمین، نتایج مربوط به تغییرات هر پارامتر بهصورت جداگانه و در قالب چند نمودار موردبررسی قرارگرفته است. در این نمودارها مؤلفهي قائم نمودارها - US - U x معیاري از بزرگنمایی لرزهاي است که در آن U x تغییر مکان افقی سطح زمین در حضور حفرهي زیرزمینی و U s تغییر مکان افقی سطح زمین در شرایط free-field - عدم حضور حفره - میباشد.
.1-3 تغییرات عمق تونل - DR=d/a -
نتایج تغییرات در عمق دفن تونل، پس از اعمال شتابنگاشت زلزلههاي منتخب به مدلها و انجام آنالیز دینامیکی، در شکل 1 قابلمشاهده هست. با توجه به شکل 1، در یک نگاهی کلی میتوان اذعان کرد که تأثیر تونل در پاسخ لرزهاي سطح زمین، هم در زلزله حوزهي نزدیک و هم در حوزهي دور، با بیشتر شدن عمق دفن تونل و فاصله گرفتن حفرات نسبت به سطح زمین، بهتدریج کاهشیافته یا ناچیز میشود؛ همچنین در نگاهی کلیتر به نتایج، عمده بزرگنمایی رخداده در محدودهي < 4 x -4 < بوده ولی در خصوص x 4 <، ماهیت آن در عمقهاي گوناگون، به کوچکنمایی تغییر کرده و یا کم تأثیر میشود. لازم به ذکر است که در فرکانسهاي بیبعد متفاوت، تغییرات محسوسی در نمودارهاي بزرگنمایی سطح شاهد خواهیم بود.
.2-3 تغییرات فرکانس بیبعد - η -
