بخشی از مقاله
تحلیل دوبعدی اثرات ساختگاهی در شهر بم
خلاصه
حضور ناهمواریهای زمین شناسی زیرسطحی دوبعدی و سهبعدی همچون درههای آبرفتی و یا حوزههای رسوبی میتواند تغییرات قابل توجهی را در ویژگیهای بزرگنمایی ساختگاه ایجاد کند. در این تحقیق، به منظور بررسی اثرتغییرات جانبی ساختار زیر سطحی به ویژه شکل هندسی حوزه رسوبی کوچک مقیاس بر حرکات توانمند زمین در شهر بم، مدل دوبعدی ساختار زیرسطحی شهر توسط برنامه کامپیوتری FLAC 2D مدلسازی و مورد تحلیل دینامیکی قرار گرفته است. سپس در نقاط مختلف مدل تابع بزرگنمایی خاک با استفاده از نسبت طیفی موج خروجی به ورودی محاسبه شده است. سپس با مقایسه توابع بزرگنمایی تجربی و توابع بزرگنمایی دوبعدی متناظر آنها به کمک بهینه سازی مشاهدهای مدل دوبعدی ساختار زیرسطحی تصحیح گردیده است. درنهایت، مقایسه نتایج حاصل از تحلیل یک بعدی، دوبعدی و توابع بزرگنمایی حاصل از روش ساختگاه مرجع از سویی نشانگر وجود ساختار زیرسطحی پیچیده در بم و از سوی دیگر گویای لزوم انجام تحلیل دو و یا حتی سه بعدی اثرات ساختگاهی به منظور برآورد صحیحی از پاسخ زمین و شتاب سطحی در حوزه های رسوبی کوچک مقیاس است.
کلمات کلیدی: حوزه رسوبی کوچک مقیاس، تحلیل دوبعدی اثر ساختگاه، شهر بم
1. مقدمه
سالهاست که اثر شرایط محلی زمینشناسی و خاک بر شدت لرزشهای زمین و میزان خسارات زلزله شناخته شده است. شرایط محلی ساختگاه بر کلیه خصوصیات حرکت توانمند زمین شامل دامنه، محتوی فرکانس و مدت زمان اثر قابل ملاحظه ای میگذارد. میزان تأثیر تابع شکل هندسی، خواص فیزیکی لایههای زیرسطحی، توپوگرافی ساختگاه و خصوصیات حرکت ورودی می باشد. اثرات دوبعدی و سه بعدی درهها یا حوزههای رسوبی بزرگ مقیاس (در مقیاس چندین کیلومتر) بر ویژگیهای حرکت توانمند زمین در محدوده فرکانس پایین (<1Hz) تأثیر گذارند [1,2,3,4,5,6]، ولیکن تحقیقات اخیر اثر تغییرات جانبی ساختار زیرسطحی خصوصاً حوزه های زسوبی کوچک مقیاس بر محتوای فرکانس های بالا (>1Hz) را آشکار ساخته است .[7] تحلیلهای پاسخ زمین جهت پیشبینی حرکات سطح زمین و تدوین طیف پاسخ طرح به منظور محاسبه نیروهای ناشی از زمینلرزه که می تواند سبب ناپایداری زمین و سازه ها گردد و همچنین جهت تخمین دقیق خسارات در هنگام وقوع زمینلرزههای بزرگ بهکار میروند.
قائمقامیان (2004) به منظور برآورد دقیق عامل بزرگنمایی در تخمین اثرات ساختگاهی با محاسبه و مقایسه توابع بزرگنمایی ساختگاه تجربی حاصل از تحلیل زمینلرزهها با توابع بزرگنمایی تئوری یک بعدی در شهر بم نشان داد که توابع بزرگنمایی تئوری نمیتوانند توابع بزرگنمایی تجربی را توجیه کنند، ازینرو برای شناخت ویژگیهای بزرگنمایی ساختگاه در بم بررسی اثرات دوبعدی و سه بعدی ساختگاه لازم است .[8]
در این مقاله، به منظور بررسی اثرتغییرات جانبی ساختار زیر سطحی به ویژه شکل هندسی حوزه رسوبی کوچک مقیاس بر حرکات توانمند زمین در شهر بم، مدل دوبعدی ساختار زیرسطحی شهر توسط برنامه کامپیوتری FLAC 2D مدلسازی تفاضل محدود و مورد تحلیل دینامیکی قرار گرفته است.سپس در نقاط مختلف مدل تابع بزرگنمایی خاک با استفاده از نسبت طیفی موج خروجی به ورودی محاسبه و تغییرات دامنه طیفی در محدوده های مختلف فرکانسی تعیین شده است. در ادامه با مقایسه توابع بزرگنمایی تجربی و توابع بزرگنمایی دوبعدی متناظر آنها به کمک بهینه سازی مشاهدهای مدل دوبعدی ساختار زیرسطحی تصحیح گردیده است. درنهایت، به منظور برآورد پاسخ زمین و شتاب سطحی در حوزه رسوبی کوچک مقیاس نتایج حاصل از تحلیل دوبعدی مدل نهایی حوزه رسوبی بم با توابع بزرگنمایی حاصل از روش ساختگاه مرجع و توابع یک بعدی مقایسه شدند.
2. داده های زمین شناسی، ژئوتکنیکی و ژئوفیزیکی
شهر بم در استان کرمان در جنوب شرقی ایران واقع شده است ،شکل .1 در محدوده شهر بم پوشش سطحی متشکل از رسوبات آبرفتی کواترنری است که این رسوبات دانه بندی متفاوتی داشته و در کل از جنوب به شمال دانه ریزتر میشوند به گونهای که نواحی مرکزی از رسوبات دانه ریزتر (رس،سیلت و ماسه) و حاشیه دشتها از رسوبات دانه درشت مانند قلوه سنگ، شن و ریگ تشکیل شده است. بر اساس مطالعات ژئوالکتریکی که توسط مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن در شهر بم انجام گرفته است، سنگ بستر در قسمتهای شمالی محدوده شهر بم نسبت به نقاط دیگر عمق کمتری دارد و در محدوده مرکزی عمق قرارگیری سنگ بستر بیش از نقاط دیگر است. در کل عمق قرار گیری سنگ بستر درمحدوده شهر بم به بیش از 200 متر می رسد. نتایج اندازه گیریهای ژئوالکتریک به همراه مشاهدات منطقهای دلالت بر آذرین بودن سنگ بستر دارد .[9] بنای تاریخی ارگ بم تنها جایی است که در آن برونزد سنگی وجود دارد. پروفیلی زمین شناسی در امتداد AA در شکل 2 نشان داده شده است .[10]
شکل – 1 نقشه زمین شناسی بم و محل ایستگاههای لرزه نگاری محلی، پروفیل های انکسار لرزه ای و امتدادهای AA , BB , CC
شکل – 2 پروفیل زمین شناسی در امتداد (Pellet et al. 2005) AA
شرکت مشاوره آبکاو (1973) تحقیقات ژئوالکتریکی در شهر بم در طول دو پروفیل انجام داده است که محل آنها در شکل 3 نشان داده شده است. بر اساس این تحقیقات دو مقطع عرضی که حوزه ای را در وسط شهر بم نشان میدهند ارائه شد (شکل .(4 بر اساس شکل ساختاری حوزه در این دو پروفیل ضخامت رسوبات در مرکز حوزه بیش از 200 متر تخمین زده شده است .[11]
شکل – 3 شهر بم و موقعیت پروفیلهای ژئوالکتریک شرکت آبکاو (Ghayamghamian, 2004)
شکل – 4 مقطع عرضی حوزه بم در امتداد پروفیلهای ژئوالکتریک شرکت آبکاو (Ghayamghamian, 2004)
3. اهمیت تحلیل دوبعدی اثرات ساختگاهی در شهر بم
بررسی ویژگیهای بزرگنمایی خاک روی نگاشتهای سطحی به طور معمول با محاسبه نسبت طیفی در حوزه فرکانس انجام میشود .[12,13] روش-های ساختگاه مرجع و HVSR دو روش معمول در برآورد بزرگنمایی ساختگاه با استفاده از تحلیل نسبت طیفی است .[14] زمانی که ساختگاه سنگی نزدیکی (در اینجا رخنمون سنگی در ارگ بم) وجود داشته باشد روش ساختگاه مرجع قابل اجرا میباشد.
قائمقامیان (2004) به منظور برآورد دقیق عامل بزرگنمایی در تخمین اثرات ساختگاهی توابع بزرگنمایی تجربی به روشهای ساختگاه مرجع و HVSR و توابع بزرگنمایی تئوری را در ایستگاههای لرزهنگاری محلی شهر بم محاسبه کرد و با مقایسه توابع بزرگنمایی تجربی و تئوری یک بعدی نشان داد که نتایج توابع بزرگنمایی روش ساختگاه مرجع نسبت به نتایج روش HVSR تطابق بهتری را با توابع بزرگنمایی یک بعدی دارند،شکل.6 او همچنین نشان داد که توابع بزرگنمایی تئوری نمیتوانند توابع بزرگنمایی تجربی را توجیه کنند و تفاوت بین توابع بزرگنمایی تجربی و تئوری ممکن است به دلیل کنترل ویژگیهای بزرگنمایی ساختگاه توسط لایه های رسوبی عمیق ( بیش از 40 متر) و یا تحت تأثیر ناهمواریهای زمین شناسی و یا توپوگرافی باشد، بنابراین برای شناخت ویژگیهای بزرگنمایی ساختگاه در بم بررسی اثرات دوبعدی و سه بعدی ساختگاه لازم است .[8] ازینرو در این تحقیق حوزه رسوبی کوچک مقیاس شهر بم و پاسخ دوبعدی ساختگاه در امتداد این حوزه با استفاده از برنامه کامپیوتری FLAC 2D مورد بررسی قرار گرفت .
4. مدلسازی و تحلیل دینامیکی به وسیله برنامه کامپیوتری FLAC 2D
به منظور تعیین سرعت موج برشی لایههای زیرسطحی در شهر بم اطلاعات ژئوفیزیکی مربوط به پروفیلهای انکسار لرزهای موجود [15] و همچنین نتایج تحقیقات قائمقامیان و فریدونی (2007) مورد استفاده قرارگرفت. در مجموع از لحاظ سرعت موج برشی 4 لایه برای ساختار زیر سطحی شهر بم در نظر گرفته شد که شرح آن در جدول 1 آورده شده است. با توجه به دادهها و مقاطع زمین شناسی و ژئوفیزیکی و بررسی های سرعت موج برشی موجودکه در بالا ذکر شد و همچنین با رعایت ملاحظات و ویژگی های برنامه کامپیوتری FLAC 2D مدل دوبعدی اولیهای برای ساختار زیرسطحی شهر بم در دو امتداد BB و CC در نظر گرفته شد. این دو امتداد به دلیل قرارگیری در مجاورت پروفیل های انکسار لرزه ای و نزدیکی به ایستگاه-های شبکه لرزه نگاری محلی 3 مؤلفهای و همچنین به دلیل قرارداشتن این دو امتداد در محل بیشترین خسارات زمین لرزه 1382بم و در نتیجه استنباط درست از تأثیر حوزه رسوبی بم بر ویژگیهای بزرگنمایی ساختگاه انتخاب شدند. موقعیت پروفیلهای انکسار لرزهای، ایستگاههای لرزهنگاری محلی و دو امتداد BB و CC در شکل 1 نشان داده شده است.
جدول -1 خواص ژئوتکنیکی لایه های خاک در مدل نهایی ساختار زیرسطحی بم
در نرم افزار FLAC 2D معادلات حرکت با استفاده از روش تفاضل محدود در محدوده زمان حل می شوند. در این نرم افزار هندسه مدل به وسیله شبکهای از نقاط گرهی ساخته میشود. Kuhlemeyer و (1973) lysmer نشان دادند که برای نمایش دقیق انتقال موج از طریق یک مدل، ابعاد عناصر مدل ( l ) بایستی کوچکتر از یک دهم تا یک هشتم طول موجی باشد که با بالاترین فرکانس موج ورودی در ارتباط است .[16] ازین رو و براساس کمترین سرعت موج برشی موجود در این مدل l 2m در نظر گرفته شده است. درنهایت رفتار خطی الاستیک و خواص مواد تشکیل دهنده خاک (جدول (1 به مدل تخصیص داده شد. هر سیستم مکانیکی دارای میرایی داخلی است و در صورت عدم وجود میرایی ارتعاش یک سیستم مکانیکی تا ابد ادامه مییابد .[16] در این شبیهسازی از مدل میرایی رایلی استفاده شده است و برای جلوگیری از انعکاس امواج در مرزهای شبکه مدل و جذب انرژی موج لرزهای از مرزهای آرام استفاده شد. سپس بار دینامیکی (در اینجا رکورد شتاب) به گرههای مرزی بستر مدل اعمال شد و به وسیله برنامه FLAC 2D تاریخچه زمانی شتاب در نقاط مختلف در سطح مدل به دست آمد. در نهایت توابع بزرگنمایی ساختگاه با محاسبه نسبت طیفی فوریه حرکات سطح به بستر محاسبه شد.
به منظور برآورد منطقی مدل دوبعدی ساختار زیرسطحی نتایج توابع بزرگنمایی دوبعدی منتج از مدل اولیه با توابع بزرگنمایی روش ساختگاه مرجع ایستگاههای لرزه نگاری محلی مقایسه و به کمک بهینه سازی مشاهدهای تصحیحات مکرری بر مدل دوبعدی اولیه صورت گرفت بدین ترتیب که حدود 20 مدل دوبعدی با تغییر در پارامترهای هندسی و یا تغییر در پارامترهای فیزیکی و خواص مواد و یا تغییرات جزیی در محدوده سرعت موج برشی منسوب به لایه ها و یا محدودههای لایه بندی با سرعتهای متفاوت در نرم افزار FLAC 2D اجرا شد تا نزدیکترین توابع بزرگنمایی دوبعدی به توابع بزرگنمایی ساختگاه مرجع به دست آید.
در نهایت مدل دوبعدی نشان داده شده در شکل 5 برای ساختار زیرسطحی شهر بم در دو امتداد BB و CC به دست آمد که توابع بزرگنمایی دوبعدی منتج از آن به توابع بزرگنمایی تجربی متناظر آنها که حاصل تحلیل
