بخشی از مقاله
خلاصه
عوارض توپوگرافی یکی از عوامل مهم در ایجاد پاسخ لرزه ای پیچیده در سطح زمین می باشند و تجربیات به دست آمده از خرابی های زلزله های اخیر نشان دهنده اهمیت تاثیر شرایط ساختگاه و عوارض توپوگرافی بر شدت و وسعت خرابی ها در حین زلزله می باشند. هدف از این مقاله مطالعه میزان بزرگنمایی امواج لرزه ای درون صفحه دو بعدی در مجاورت عوارض توپوگرافی قائم زمین و پیشنهاد راهکاری جدید به منظور کاهش میزان این بزرگنمایی می باشد؛ به این منظور، نحوه کاهش در میزان بزرگنمایی پاسخ زمین تحت تاثیر عوارض توپوگرافی با استفاده از حفر گمانه هایی در پیرامون تپه مورد مطالعه قرا ر گرفته است. مثال های متفاوتی بر اساس هندسه های مختلف تپه و نوع خاک بررسی گردیده است که نتایج این تحقیق حاکی از کاهش بسیار قابل ملاحظه ای در تغییر مکان ثبت شده بر روی تپه نسبت به امتداد افقی سطح زمین می باشد که از راهکار پیشنهادی در این مقاله، می توان به عنوان یک راهکار بدیع در کاهش اثرات عوارض توپوگرافی برروی ارتعاشات ناشی از زلزله نام برد.
کلمات کلیدی: امواج لرزه ای درون صفحه، روش اجزا محدود، عوارض توپوگرافی قائم، پاسخ سطح آزاد زمین
1. مقدمه
خرابیهای ناشی از زلزلههای اخیر، تاثیر شرایط ساختگاه و عوارض توپوگرافی بر شدت و وسعت خرابیها را نشان میدهد. بررسی تاثیر این عوامل بر پاسخ امواج لرزهای، مبحث مهمی در زمینه مهندسی زلزله است. عوارض توپوگرافی با الگوی رفتار پیچیده سبب ایجاد تفاوتهای قابل ملاحظهای در امواج رسیده به سطح زمین می شوند. ناهمواری ها هم به صورت زیرسطحی و هم سطحی دامنه حرکات زمین را افزایش میدهند.محققین بسیاری مطالعات زیادی بر روی عوارض توپوگرافی از قبیل تپه و دره و شیب ها انجام دادهاند ولی راهکاری به منظور کاهش بزرگنمایی به دست نیامدهاست و همچنین نتایج قطعی و کاربردی به منظور استفاده در آیین نامهها ارائه نشدهاست.
به طور سنتی، مدلسازی به صورت یک بعدی از پروفیل خاک و امواج لرزهای صورت میگرفت که حوادث و زلزلههای اخیر ضرورت بررسی مدل های دوبعدی و سهبعدی به دلیل الگوی پیچیده تقویت لرزهای را آشکار نمود. بوچون[1] از اولین محققانی بود که با در نظر گرفتن امواج مهاجم SH به بررسی رفتار لرزهای تپههای دوبعدی پرداخت. بزرگنمایی قله و کوچکنمایی دامنه تپه و همچنین افزایش میزان تقویت و تضعیف تحت اثر افزایش ضریب شکل از نتایج مطالعات او بود. پس از آن جلی و همکاران [2] ضمن در نظر گرفتن نتایج بوچون و بررسی تاثیر حوزه فرکانس، دریافتند که قله تپه بزرگنمایی و دامنه تپه تناوبی از بزرگنمایی و کوچکنمایی را شامل میشود.
کمالیان و همکاران [3] با روش اجزا مرزی در حوزه زمان رفتار تپههای نیمسینوسی را به صورت دو بعدی مورد مطالعه قرار دادند. با در نظر گرفتن نسبت شکلهای 0/1 تا 0/7 تاثیر قابل توجه نسبش شکل تپه و نسبت عرض آن به طول موج مهاجم و در درجه بعد تاثیر ضریب پواسون برپاسخ لرزهای تپهها نشان داده شد. مطالعات آنها روابط و جداولی را در پی داشت که در مبحث ریزپهنهبندی ژئوتکنیک لرزهای مورد استفاده قرار میگیرد. علاوه بر آنها، محققین بسیاری بررسی اثرات عارضههای توپوگرافی بر بزرگنمایی امواج لرزهای پرداختهاند - به عنوان نمونه، . - [6-4]
به علت پیچیدهبودن پاسخ لرزهای در حضور عوارض توپوگرافی و تأثیر قابل ملاحظهای که این عوارض بر بزرگنمایی امواج لرزهای دارند و نیز ضمن در نظرگرفتن لرزهخیزی نواحی مختلف ایران؛ در این مقاله، هدف مطالعه میزان بزرگنمایی امواج لرزهای درون صفحه دوبعدی در مجاورت عوارض توپوگرافی قائم زمین و پیشنهاد راهکارهای جدید به منظور کاهش میزان این بزرگنمایی میباشد؛ به این منظور کاهش در میزان بزرگنمایی پاسخ زمین تحت تأثیر عوارض توپوگرافی با استفاده از حفرگمانههایی در پیرامون تپه مثلثی شکل مورد مطالعه قرارگرفته است.
.2 تعریف مسئله
در مدلهای مورد بررسی دو تیپ مدل بدون گمانه - شکل - 1 و با گمانه - شکل - 2 با مدلسازی در نرمافزار انسیس مورد مقایسه قرار میگیرند و با یافتن پارامترهای تأثیر گذار از جمله ضریب شکل، فرکانس تحریک و نوع خاک میتوان به راهکاری برای کاهش بزرگنمایی نسبی دست یافت. هندسه مدل، محیطی به ابعاد 800 متر در 200 متر است که ارتفاع تپه در تمامی مدلها ثابت و 100 متر در نظر گرفته شده است. سه ضریب شکل 0/5، 1 و 2 برای تپه لحاظ شده است که منظور از ضریب شکل در این مطالعه حاصل تقسیم دهانه تپه به ارتفاع آن میباشد.در این مطالعه، سه نوع تیپ خاک I، II، III طبق جدول 1 و همچنین سه رکورد زلزله با فرکانس متغیر مورد مطالعه قرار گرفته است. رفتار خاک هم الاستیک خطی فرض شده است.
از آنجا که تکانهای زمین در مکانهایی با اثر پدیده جهتپذیری پیشرونده با پالسهای بزرگی در تاریخچه زمانی مدل میشود و پاسخ زمین در مقابل زمین لرزههای حوزه نزدیک پیچیده است، میتوان تکانهای حوزه نزدیک را با پالسهای ساده شدهای که خصوصیات زلزله حوزه نزدیک را داشته باشد، جایگزین نمود. لذا برای ایجاد رکوردهای پالسی متفاوت با در نظر گرفتن زمان اولیه 0 = 0.675 - s - و ماکزیمم دامنه Amax = 1 وفرکانس غالب 4 F P، 8 و 16 از فرمول ریکر ویولت استفاده شده است:این مدلها به فرم EeRrSsHhDdJj تعریف شدهاند که e نماینده فرکانس بارگذاری با اعداد 4و8و16، r نماینده ضریب شکل - نسبت دهانه به ارتفاع تپه - با اعداد 0,5و 1و2، s نماینده تیپ خاک IوIIوIII، h نماینده ارتفاع گمانه با عدد 75متر، d نماینده دهانه گمانه با عدد 5 متر و j نماینده فاصله از گمانه با عدد 50 متر میباشد. به عنوان مثال E1R1S1H1D2J1 معرف زلزله با فرکانس 4، ضریب شکل0,5، خاک تیپ I، ارتفاع گمانه 75 متر،دهانه گمانه 5 متر و فاصله 50 متری از گمانه میباشد و برای مدلهایی که در آنها از گمانه استفاده نشده است، عبارات مربوط به H، D و J حذف گردیدهاند.
3. تعریف مدل
برای مدلسازی تپه از نرم افزار انسیس استفاده شده است - شکل - 3 و برای مدلسازی دوبعدی خاک از المان PLANE42 استفاده میشود. یکی از محدودیتهای روش اجزای محدود عدم ایجاد مرزهای نامتناهی و مدل حالت دینامیکی است که بازتاب و برگشت ارتعاشات به داخل مدل صورت نگیرد. به این منظور فضای نامحدود با یک لایه با ضخامت محدود تحت عنوان لایه جاذب جایگزین میگردد و بدین ترتیب از انعکاس موج به داخل محیط جلوگیری به عمل میآید و از آنجاکه استهلاک مصنوعی برای جذب امواج منعکس شده در مرزها استفاده میشود به آنها مرزهای ویسکوز هم میگویند که امواج عمود منتشرشده به مرز را جذب میکنند، همچنین مانع بازتاب تنشهای افزایش یافته روی مرزها ناشی از بارهای دینامیکی می-شوند.
با استفاده از المان COMBIN14 در کف و مرزهای جانبی مدل، این مرزهای جاذب شبیهسازی میشوند. تحریک زلزله به کف مدل صورت میگیرد و راستای انتشار به صورت قائم است. با استفاده از فرمولهای زیر و در نظرگرفتن به عنوان طول موج غالب موج ورودی به محیط، f فرکانس غالب موج ورودی به مدل و VS به عنوان سرعت موج برشی، ابعاد مشبندی ∆ محاسبه میشود؛به همین منظور، ابعاد مش در نواحی جانبی و کف مدل 8 متر و در نواحی مربوط به تپه و گمانه به علت تمرکز و حساسیت پارامترهای مورد بررسی 4 متر و 2 متر در نظر گرفته شده است.
.4 تحلیل نتایج
در این بخش به ارائه نتایج مدلسازی عددی تپههای مثلثی شکل با ارتفاع ثابت و ضریب شکل و تیپ خاک متفاوت پرداخته شده است. مدل ها تحت رکوردهای زلزله حوزه نزدیک با فرکانس غالب 4 و 8 و 16 قرار گرفته اند. در هر مدل 5 الی 6 نقطه از رأس تپه و بعداز آن به ترتیب به فاصله یک سوم از نصف دهانه تپه انتخاب شده است؛ پس از تحلیل دینامیکی، مولفه ی افقی تغییر مکان نسبی - Ux - قرائت شده است و نمودارهایی با هدف نشان دادن و مقایسه تأثیر پارامترهای مختلف بر بزرگنمایی نسبی مدل های با گمانه و بدون گمانه ترسیم شده است که نتایج حاکی از کاهش بسیار قابل ملاحظه-ای در تغییر مکان ثبت شده بروی تپه نسبت به امتداد افق سطح زمین و تأثیر حفر گمانه در پیرامون تپه میباشد. با شرایط بیان شده در فوق، مدلهای
