بخشی از مقاله
خلاصه
فقدان شناخت کامل از چگونگی اثرات حفره های زیرزمینی بر پاسخ لرزه ای عوارض توپوگرافی سطحی ونبود دسترسی به ابزارهای مناسب جهت تحلیل دینامیکی این عوارض،خصوصا در حوزه زمان استفاده از روشهای عددی مناسب را جهت حل مساله انتشار امواج را ایجاب می نمایید. برآورد پاسخ لرزهای عوارض توپوگرافی به ویژه در حضور حفره های زیرزمینی را ایجاب مینماید. در این مقاله با استفاده از روش عددی اجزای مرزی - - BEM جهت حل مساله انتشار امواج وارزیابی پاسخ لرزهای سطح زمین شیبدار در حضور حفرات زیرزمینی و تاثیر این عوارض بر تفرق امواج مهاجم قائم فشاری درون صفحه P پرداخته شده است. در این راستا با بیبعد نمودن پارامترهای تاثیرگذار در مساله نظیر شعاع حفره، فاصله حفره از نقطه تاج شیب و فاصله حفره از نقطه پایین شیب و زوایای مختلف شیب، به بررسی الگوهای بزرگنمایی در زمین شیبدار پرداخته شده است. نتایج بدست آمده از این تحقیق نشان میدهند که وجود حفرههای زیرزمینی میتواند مؤلفه افقی و قائم پاسخ لرزهای سطح زمینهای شیبدار را در مقایسه با حالت بدون حفره، تحت تاثیر قرار دهد. اندرکنش لرزهای توپوگرافی از نوع شیبدار با حفرات زیر زمینی، الگوی تغییر مکانهای متفاوتی از سطح شیبدار بدون حفره ایجاد خواهند نمود و با تغییرات نسبت فاصله حفره به مشخصات هندسی شیب، الگوهای تفرق امواج و به دنبال آن بزرگنمایی آنها تغییر مینماید. با افزایش زاویه شیب شیروانی واقع بر حفره ، بزرگنمایی در سطح شیب نسبت به شیروانی بدون حضور حفره، به میزان 20 درصد افزایش یافته و با افزایش فاصله حفره از پای شیب در پریودهای بالا، بزرگنمایی تغییر مکان افزایش می یابد.
.1 مقدمه
رشد روز افزون جمعیت و شهرها و مشکلات ناشی از جابجایی در مناطق شهری و برون شهری استفاده از سازه های زیرزمینی مانند تونل ها و متروها را در این مناطق در حال توسعه را بیشتر نمایان می نماید. وجود تونل ها و متروهای زیر زمینی در نواحی شهری، اهمیت بررسی تاثیر سازه های زیر زمینی در اثر زلزله بر سطح زمین و سازه های واقع برآن را آشکار می نماید. از سوی دیگر خرابی های ناشی از زلزله های اخیر اهمیت تاثیر شرایط توپوگرافی رو سطحی را نمایان کرده است و تفرق امواج مهاجم توسط عوارض توپوگرافی پدیده ای پیچیده بوده که حل دقیق آن مستلزم استفاده از روشهای مناسب عددی است. با مرور ادبیات فنی موضوع می توان مطالعات انجام شده پیشین را به دو بخش مجزا الف - مطالعات پاسخ لرزه ای توپوگرافی شیبها ب - بررسی وجود حفرات زیرزمینی بر سطح زمین، تقسیم بندی نمود.
الف: یکی از نخستین مطالعاتی که بطور خاص برای بررسی پاسخ لرزه ای شیبهای خاکی انجام گرفته است مربوط به ادریس و سید[4] در سال 1967 می باشد. نتایج مطالعات آنان نشان داد که مقدار شتاب حداکثر سطحی در تاج شیب بزرگتر از نقاط واقع بر دامنه شیب می باشد. در مقایسه شتاب حداکثر سطحی ثبت شده در تاج با نقاط دور از تاج شیب، مشخص شد که هر چند در برخی موارد شتاب در تاج بسیار بزرگتر است لیکن در بقیه موارد تفاوت اندکی بین پاسخ در تاج و پاسخ در نقاط دور از تاج شیب وجود دارد. تحقیقات اتسوکی و هارومی[5] در سال 1983، اتسوکی و همکاران[6] و[7] در سال 1984، برروی شیروانیها یکی از دیگر مراجع منتشره شده در این زمینه می باشد. آنها طی تحقیقات خود دریافتند که امواج سطحی رایلی به مقدار قابل ملاحظه ای توسط ناهمواریهای جانبی - نظیر شیروانیها - تولید می شوند که دامنه این امواج به زاویه برخورد امواج بر آنها بستگی دارد. سیتار و کلاف[8] در سال 1983، از مدل اجزای محدود دو بعدی خطی معادل برای تحلیل پاسخ لرزه ای شیبهای تند در ماسه های سیمانته شده ضعیف استفاده کرده و دریافتندکه شتابها تمایل دارند در نزدیکی و مجاورت رویه و سطح شیب تقویت شوند. نتایج آنها تا هفتاد درصد تقویت در تاج شیب را در مقایسه با میدان آزاد پشت شیب نشان می داد.
آشفورد و همکاران[9] در سال 1987، مطالعات پارامتریکی را در حوزه فرکانس و با استفاده از مرزهای گذرای سازگار تعمیم یافته به منظور ارزیابی اهمیت اثرات توپوگرافی بر پاسخ لرزه ای شیبهای تند انجام دادند. همچنین نتیجه گیری شدکه فرکانس طبیعی ناحیه پشت تاج، می تواند پاسخ را متاثر سازد. رزم خواه و همکاران [10] در سال 1384، در بررسی اثرات توپوگرافی بر پاسخ لرزه ای شیبها نشان دادند هک تقویت حداکثر در تاج تمامی شیبها تقریباً در فرکانس بی بعد برابر 0/2 حاصل می گردد که به نوعی فرکانس مشخصه شیروانی محسوب می شود. بوکووالاس و همکاران[11] در سال 2004، با استفاده از ارزیابی های عددی دریافتند که بیشترین تاثیر توپوگرافی سطوح شیبدار در فرکانس بی بعد >0.16 برای شیب های i>17o اتفاق می افتد. رزم خواه و همکاران[2] در سال 1384، در مطالعات خود نشان دادند که شیروانی ها می توانند با بزرگنمایی دامنه مولفه موافق حرکت و ایجاد مولفه مخالف حرکت، پاسخ لرزه ای زمین در برابر امواج مهاجم صفحه ای SV و P را به شکل قابل توجهی تحت تاثیر قرار دهند. مطالعات حساسیت سنجی آنها نشان داد که میزان این تاثیر صرفنظر از نوع موج مهاجم تابع زاویه شیب و تابع ضریب پواسون محیط نیز می باشد. همچنین آنها نشان دادند که به ازای پریودهای بدون بعد بزرگ، پاسخ لرزه ای بالا دست شیب به سمت پاسخ لرزه ای میدان آزاد میل می کند. مسعودی و همکاران[12] در سال 2012، در بررسی تاثیر پاسخ لرزه ای شیبها نشان دادند که حرکت لرزه ای افقی در خط الراس شیروانی تقویت شده و در طول سطح بالایی و شیب شیروانی دستخوش بزرگنمایی - کوچک نمایی می شود. این تغییر پذیری، حرکات عمودی بسیار مهمی را در سطوح بالایی اعمال می کند. همچنین آنها نشان دادند که این تاثیرات در زلزله های میدان نزدیک نسبت به میدان دور و برای فرکانس های طبیعی زمین در مقایسه با فرکانس های توپوگرافی بسیار مهمتر است.
ب: لی و همکاران [14] در سال 1993، به مطالعه پاسخ لرزه ای تونل های دایره ای و استوانه ای شکل برای امواج SV و SH در محیط همگن و همسان الاستیک در ناحیه نیم فضا در دو حالت دو بعدی و سه بعدی پرداختند. نتایج بدست آمده آنها نشان داد که مقادیر بزرگنمایی ها در حدود 4 تا 8 برابر نسبت به حالت بدون تونل در نسبت فاصله مرکز حفره به شعاع برابر 2/5می باشد. همچنین لوکو و دی بارز[15] در سال 1994، در مطالعات خود به بررسی تفرق امواج هارمونیک در حضور یک حفره استوانه ای بدون پوشش پرداختند. در این راستا حفره در محیط نیم فضا و در معرض امواج مهاجم SH،SV،P و موج رایلی با زاویه تابش مایل نسبت به محور حفره قرار داشت. نتایج حاصله آنها حاکی از این بود که افزایش عمق حفره، پاسخ لرزه ای سطح زمین را کاهش می دهد و اثر وجود حفره بر پاسخ لرزه ای سطح زمین کاهش می یابد. دراوینسکی[16] در سال 2009، در تحقیقات خود به بررسی تفرق امواج SV وP توسط حفرات دایروی و غیر دایروی در محیط همسان و همگن کشسان به صورت نیم فضا و تمام فضا در حوزه فرکانس پرداخته است. آنان به این نتیجه رسیدند که حفره های ناهموار در نیم فضا نسبت به حفره های هموار موجب کاهندگی بیشتر امواج قائم SV و P در سطح زمین می شود. این کاهش امواج در فرکانس های بالاتر نمایان تر است. علی الهی و همکاران[3],[13] در سال 2013، به منظور تحلیل پاسخ لرزه ای عوارض زیرزمینی و تاثیر آنها بر تغییر شکل های ایجاد شده برسطح زمین ، در اثر تفرق امواج لرزه ای در اثر حضور حفرات زیرزمینی را ارزیابی نموده است. با مرور مطالعات پیشین همان گونه که مشاهده می شود تمرکز تمامی تحقیقات بر روی پاسخ لرزه ای عوارض توپوگرافی شیب و تاثیر حفره های زیرزمینی بر پاسخ لرزه ای سطح زمین به طور مجزا انجام گرفته است و تاثیر لرزه ای عوارض توپوگرافی شیب در حضور حفره های زیرزمینی تا کنون در نظر گرفته نشده است. لذا در این مقاله به بررسی تاثیر حضور حفره های زیر زمینی با اشکال مختلف بر پاسخ لرزه ای عوارض توپوگرافی شیب با استفاده از روش عددی اجزای مرزی تحت امواج فشاری P پرداخته شده است.
.2 روش مطالعات و تحلیل های پارامتریک
مطالعات پارامتریک این مقاله با استفاده از نرم افزار [1] SAMBE به صورت دو بعدی انجام گرفته است. این برنامه بر مبنای حل معادلات براساس گذر زمان تهیه شده وشامل یک برنامه اصلی وچند زیر برنامه می باشد. نرم افزار یاد شده به منظور تحلیل دینامیکی محیطهای دو بعدی خطی و غیر خطی خشک در فضای زمان طراحی شده است که برای این مهم از روش اجزای مرزی مستقیم در حوزه زمان استفاده می نماید. المانهای مرزی در نظر گرفته شده در این برنامه تماًم از نوع ایزوپارامتریک سه گرهی هستند و فرض بر آن بوده است که در هر بازه زمانی، متغیرهای تغییرمکان مرزی به طور خطی تغییر می کنند.کارآیی و دقت الگوریتم اجزای مرزی و نرم افزار فوق الذکر در تحلیل دینامیکی و تعیین پاسخ لرزه ای سطح زمین در حضور حفره های زیرزمینی در فضای زمان، با مثالهای متنوع طی مراجع [1]،[3] و [13] مورد بررسی واقع شده است. هندسه عارضه توپوگرافی شیروانی به همراه حفره در زیر آن بر اساس پارامترهای مشخص شده شکل 2 معرفی شده و نیز امواج قائم فشاری مهاجم P به صورت موج ریکر شکل 1 انتخاب گردیده اند که معادله آن :
- 1 - Ω = موج ریکر : − - π.fp. - t−t0 - - 2 2
f - t - = [1 − 2. - π. fp. - t − t0 - - ]e
2 - - فرکانس بی بعد : ωH/πc
در روابط فوق t زمان کل موج، t0 زمان نظیر دامنه حداکثر، فرکانس زاویه ای، c سرعت موج برشی محیط، fp فرکانس غالب موج ریکر، Amax بیشینه شتاب و فرکانس بدون بعد می باشد. بدیهی است که پریود بدون بعد عکس فرکانس بدون بعد می باشد و معنای فیزیکی آن، نسبت طول موج مهاجم به ارتفاع شیروانی است. در مدل مزبور از 250 المان مرزی استفاده شده است. همچنین گام زمانی انتخاب شده برای تحلیلها به منظور ایجاد همگرایی در نتایج برابر 0/025 ثانیه در نظر گرفته شده است.
