بخشی از مقاله
چکیده:
روانگرایی پدیده ای است که طی آن مقاومت خاک های دانه ایعمدتاً غیر چسبنده سست و اشباع در مدت زمانی کوتاهی تحت اثر بارهای دینامیکی نظیر زلزله به طرز چشم گیری کاهش یافته و یا حتی از بین می رود و در واقع خاک به شکل یک سیال در می آید. ارزیابی پتانسیل وقوع روانگرایی یکی از مهم ترین مسائل در هنگام احداث سازه ها بر روی سایت های مستعد زمین لرزه می باشد.
بنابراین باید به تحلیل امواج ناشی از زمین لرزه در حین وقوع زلزله پرداخت. مناسب ترین و کارآمدترین روش تحلیل و تفسیر امواج زلزله، تحلیل در حوزه زمان- فرکانس می باشد که این کار توسط روش های مختلفی همچون آنالیز فوریه، فوریه پنجره ای و تبدیل موجک قابل انجام می باشد اما از آنجا که روانگرایی در محدوده زمانی پس از شروع رخداد زمین لرزه اتفاق می افتد، در بررسی پتانسیل وقوع روانگرایی نیازی به آنالیز تمام بازه زمانی نمی باشد و بایستی از تحلیل های موضعی طیف شتاب استفاده کرد که آنالیز موجک مناسب ترین روش جهت این گونه تحلیل های موضعی می باشد چرا که طول بازه های زمانی قابل تغییر و محدود شدن می باشند و جواب های به دست آمده از این روش تحلیل دارای خطای کمتر و در نتیجه به واقعیت نزدیک تر هستند.
در این تحقیق ابتدا اطلاعات ثبت شده توسط شتاب نگاشت ها در تعدادی سایت روانگرا و غیر روانگرا به کمک آنالیز موجک در محیط نرم افزار MATLAB® تحلیل می شوند و سپس به کمک طیف سه بعدی زلزله به دست آمده توسط این روش، شاخصی جهت تخمین پتانسیل وقوع روانگرایی و تعیین روانگرا یا غیر روانگرا بودن یک سایت معرفی می گردد که به کمک آن می توان با داشتن تاریخچه زمانی شتاب در یک سایت، روانگرا یا غیر روانگرا بودن آن سایت را تعیین نمود.
مقدمه:
در خلال وقوع زمین لرزه ها، خرابی عمده انواع گوناگون سازه ها به سبب ایجاد شکاف، نشست های غیرعادی یا غیریکنواخت و از دست رفتن مقاومت یا سختی زمین رخ می دهد. از بین رفتن مقاومت یا سختی زمین سبب نشست غیر یکنواخت و یکنواخت ساختمانها، شکست سدهای خاکی، شیروانی ها و سایر مخاطرات طبیعی می شود که این امر عمدتاً به سبب وقوع روانگرایی در توده خاک حادث می شود.[1] بنابراین بایستی قبل از احداث سازه ها بر روی سایت های مستعد زلزله، پتانسیل وقوع روانگرایی به عنوان یک پارامتر اساسی در مطالعات ژئوتکنیکی سایت لحاظ گردد که این مهم به وسیله تحلیل امواج زلزله ناشی از تاریخچه زمانی شتاب محقق می گردد.
طی چند دهه اخیر با وجود پیشرفت های قابل توجه در زمینه مسائل ژئوتکنیک، هنوز مسائل بسیاری وجود داشته که نیاز به درک عمیق تر و ابزارهای عددی پیشرفته تر برای شبیه سازی حرکات لایه های زیرین خاک تحت اثر زلزله را دارند. یکی از این مسائل ناپایداری زمین در اثر روانگرایی است که نیاز به تحلیل و برازش امواج زلزله بر توده خاک را دارد. اگرچه از آنالیز فوریه به طور گسترده ای در تجزیه و تحلیل امواج زلزله استفاده شده است، اما به جهت عدم توانایی این روش در مشخص نمودن زمان وقوع یک فرکانس معین، این روش در امواج نامنظم کارآیی ندارد.
برای رفع این مشکل روش آنالیز موجک پشنهاد شد که در سال 1994 میلادی برای اولین بار جهت تحلیل امواج حاصل از ارتعاشات توسط Newland استفاده گردید. این روش از توابع پایه ای استفاده می کند که خود مقیاس شده و جابجا شده توابع موجکی مادر می باشند. مزیت این روش علاوه بر تحلیل محلی موج زلزله در این است که این روش قادر به تجزیه امواج به فرکانس های متفاوت و یا ترکیب فرکانس های متفاوت با یکدیگر می باشد. لذا انتقال و یا تحلیل های دوگانه در فضای زمان- فرکانس را امکان پذیر می سازد
در ادامه ابتدا مکانیزم وقوع روانگرایی در توده خاک مورد بررسی قرار می گیرد و سپس به روش های تحلیل امواج زمین لرزه اشاره شده و شاخصی جهت تخمین روانگرا یا غیر روانگرا بودن یک سایت با در نظر گرفتن تاریخچه زمانی شتاب آن معرفی می گردد.
روانگرایی و علت وقوع آن:
پدیده روانگرایی عمدتاً به عنوان نتیجه و پیامد زلزله مطرح شده که بر اثر اعمال بارهای دینامیکی بر خاک پدید می آید. در هنگام وقوع لرزش های شدید، ذرات سست و اشباع خاک های عمدتاً ماسه ای ساختار اولیه خود را از دست داده و تمایل به متراکم شدن و در نتیجه کاهش حجم پیدا می کنند. در صورت عدم امکان زهکشی، این تمایل به کاهش حجم منجر به افزایش فشار آب منفذی خواهد شد. با افزایش ارتعاشات زمین، فشار آب منفذی تا مقداری معادل تنش کل وارده بر توده خاک افزایش می یابد که در این صورت تنش موثر به سمت صفر متمایل می شود و مقاومت برشی توده خاک از بین رفته و خاک حالت روان یا سیال پیدا خواهد کرد
شکل -1 مقدار فشار آب منفذی در خاک قبل و حین وقوع زلزله
جهت تحلیل رفتار خاک در حین زمین لرزه بایستی از روش های آنالیز دینامیکی استفاده نمود. از آنجا که پاسخ دینامیکی سازه های اثرپذیر از زمین لرزه به شدت به فرکانس بارگذاری آنها حساس است و محتوی فرکانس نحوه توزیع دامنه حرکات زمین را در فرکانس های مختلف تشریح می نماید، لذا تعیین خصوصیات آن حرکت بدون در نظر گرفتن محتوی فرکانس آن امکان پذیر نیست. به دلیل اینکه موج زمین لرزه دارای فرکانس های مختلفی است، وجود ابزاری که قادر به توصیف توزیع نسبی مولفه فرکانسهای مختلف باشد بسیار مفید خواهد بود. روش هایی مانند طیف فوریه، فوریه پنجره ای و آنالیز موجک تکنیک هایی هستند که امکان این کار را فراهم می سازند .[4] در ادامه این تکنیک های متداول مورد بررسی قرار می گیرند.
روش تبدیل فوریه
تبدیل فوریه یک سیگنال را به توابع نمایی مختلط و با فرکانس های مختلف تجزیه می کند و از نظر ریاضی به صورت زیر تعریف می شود:
در این معادله t زمان، فرکانس زاویه ای - = 2 - و سیگنال موردنظر است. توجه کنید که سیگنال در دامنه فرکانسی است. معادله - 1-3 - تبدیل فوریه تابع و معادله - 2-3 - معکوس تبدیل فوریه تابع می باشد. به سیگنال خام و به سیگنال پردازش شده می گوییم.
تبدیل فوریه یک تبدیل برگشت پذیر می باشد به این معنی که می توان از سیگنال خام و پردازش شده - تبدیل شده - دیگری را بدست آورد. با وجود این در هر لحظه تنها یکی از آنها در دسترس هست یعنی اطلاعات فرکانس در سیگنال دامنه- زمان وجود ندارد و اطلاعات زمانی در سیگنال تبدیل شده قابل دسترس نیست. همان طور که ذکر شد تبدیل فوریه اطلاعات فرکانس را بدست می دهد بدین معنی که چه مقدار از هر فرکانس در سیگنال وجود دارد اما از اینکه در چه زمانی این اجزا فرکانسی وجود دارند اطلاعاتی به ما نمی دهند.
