بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله با استفاده از روش المان محدود مدلی عددي از گسل امتدادلغز ارائه شده است. جهت بررسی رفتار اصطکاکی گسل، مدل رفتاري ضعیفشدگی با لغزش - slip weakening - ، به گسل اعمال میشود. این مدل بر مبناي مکانیزم ناپایداري چسب-لغز رفتار میکند. مدلسازي گسل بر مبناي روابط المان محدود و با نرمافزار ABAQUS انجام شدهاست که در آن گسل به صورت صفحهاي از تماس دو ناحیه الاستیک تشکیل شدهاست. نتایج تحلیل نشان میدهد که استفاده از قانون ضعیفشدگی با لغزش به خوبی بیانگر رفتار مکانیکی گسل میباشد.
1. مقدمه
از آنجا که اکثر زمین لرزهها در گسلهاي از پیش موجود اتفاق میافتند، بحث اصطکاك و رفتار اصطکاکی گسل از اهمیت ویژهاي برخورداراست. اولین گام در بیان رفتار اصطکاکی گسل تعریف مکانیزم ناپایداري چسب-لغز است. در سال 1966 نخستین بار ناپایداري چسب-لغز به عنوان عامل ناپایداري در حرکت دو جسم جامد روي هم شناخته شد و زلزله نیز توسط بایرلی و بریس - Byerlee & Brace - به عنوان پدیدهاي که از این ناپایداري ناشی میشود،معرفی گردید .[2 ,1]
این مکانیزم از دو فاز ایستایی و لغزش تشکیل شدهاست. در مدل استاندارد این مکانیزم، فرض شدهاست لغزش وقتی شروع میشود که نسبت تنش برشی به تنش نرمال در صفحه تماس به آستانه ضریب اصطکاك استاتیکی برسد. پس از شروع لغزش، مقاومت اصطکاکی به حالت ضریب اصطکاك دینامیکی افت میکند و این افت مقاومت در برابر لغزش، که به سختی سیستم بستگی دارد، منجر به ناپایداري دینامیکی میشود .[3 ,1]
مطالعه شروع، پخش و استهلاك یک زمین لرزه نیاز به انتخاب یک معادله رفتاري دارد که این معادله رابطه بین نیروي دینامیکی زلزله و اصطکاك گسل را بیان میکند. در مطالعات مختلف، قوانین رفتاري متعددي براي بیان رفتار مکانیکی گسل استفاده شدهاست که از آن جمله میتوان به قوانینی همچون معادله کولمب [4]، معادله ضعیفشدگی با لغزش [7-5] - slip weakening - و قانون اصطکاکی نرخ و حالت - rate and state [9 ,8] - friction law اشاره نمود. در این مقاله با توجه به این که شبیهسازي یک رخداد زلزله مدنظر است و زمان بین دو رخداد در مدلسازي نقشی ندارد، قانون ضعیفشدگی با لغزش جهت توصیف رفتار اصطکاکی گسل بهکار رفتهاست.
جهت شبیهسازي عددي رفتار گسل از روش المان محدود سهبعدي بوسیله نرم افزار ABAQUS استفاده شدهاست. از جمله قابلیتهاي ویژه این نرمافزار جهت تحلیل مسائل تماسی این است که معادلات رفتاري اصطکاکی را میتوان توسط نوشتن زیربرنامههاي خاص به مدل اصلی ارتباط داد.در این مدلسازي نیز براي وارد کردن مدل رفتاري ضعیفشدگی با لغزش، زیر برنامه اصطکاکی - VFric - به زبان FRTRAN نوشته شدهاست.
2. دادههاي ورودي
گسل به صورت صفحهاي عمودیست به طول 30 کیلومتر و عمق 15 کیلومتر - شکل - 1 با رفتار امتدادلغز و راستگرد [10] که از تماس دو قسمت پوسته تشکیل شده و محیط پوسته زمین در ناحیهاي که گسل در آن واقع است به صورت همگن و الاستیک میباشد .[7] دراطراف گسل ناحیهاي مقاوم قرار دارد که در این ناحیه گسلش متوقف میشود.
بدین منظور ضریب اصطکاك استاتیکی براي این ناحیه عدد بسیار بزرگی - - 1000 انتخاب شدهاست. داخل محدوده گسل نیز سه ناحیه مربع با ابعاد این 3 کیلومتر درنظر گرفتهشدهکه تنشهاي برشی متفاوتی به این ناحیهها وارد میشود - شکل . - 1 در کل ناحیه شبیهسازي شده، مشخصات سنگ پوسته یکسان و داراي چگالی 2670 - Kg/m3 - ، سرعت موج برشی 3464 - m/s - و سرعت موج فشاري 6000 - m/s - میباشد.
3. بارگذاري
جهت تخمین تنش برجا، بر تمام نواحی گسل و همچنین ناحیه مقاوم تنش نرمال 120 MPa به صورت دائمی و تنشهاي برشی به صورت آنی در لحظه شروع آنالیز به گسل وارد میشوند. تنشهاي برشی وارده به قسمتهاي مختلف گسل مقادیر متفاوتی دارند که این مقادیر در جدول 1 آمدهاست. بدین ترتیب آزادسازي انرژي زلزله، به دلیل رسیدن تنش برشی وارده به حد مقاومت اصطکاکی گسل، ابتدا در مربع مرکزي به مساحت 9 کیلومتر مربع انجام میپذیرد. ولی پخش انرژي زلزله و لغزش گسل پس از شروع زلزله، توسط قانون اصطکاکی ضعیفشدگی با لغزش کنترل میشود.
4. مرز جاذب
در تحلیل دینامیکی براي جلوگیري از انعکاس انرژي امواج برشی ازطریق مرزها به داخل هندسه مدل، استفاده از مرزهاي جاذب یا میراگرها رایج است. در این تحلیل از مرزهاي جاذب با بکارگیري المان نامحدود - - infinite element از نوع هشت گرهاي سهبعدي که از یک سمت نامحدود هستند و تحت عنوان CIN3D8 در برنامه ABAQUS وجود دارند، استفاده شدهاست - شکل. - 2 این المانها مانند میراگر عمل کرده، انرژي وارده به مرزها را مستهلک میکند و بهاینترتیب رفتار پوسته با دقت بالاتري شبیهسازي شده و به عنوان یک محیط نیمهبینهایت عمل میکند.[11]
5. قانون اصطکاکی ضعیفشدگی با لغزش
مانند سایر قوانین اصطکاکی در سنگ، این قانون هم از نتایج آزمایشات آزمایشگاهی استخراج شده و مشکلاتی مانند تعمیم پارامترهاي آزمایشگاهی به پارامترهاي محلی در این قانون نیز وجود دارد. در تعریف قانون ضعیفشدگی با لغزش پارامترهایی همچون ضریب اصطکاك استاتیکی و دینامیکی و فاصله ضعیفشدگی بکار میرود که مشکل تعمیم پارامترها در مورد فاصله ضعیفشدگی مشهود است.
