stringtranslate.com

Сейсмические воздействия на месте

Сейсмические эффекты участка связаны с усилением сейсмических волн в поверхностных геологических слоях. [1] Поверхностное движение грунта может быть сильно усилено, если геологические условия неблагоприятны (например, осадки). Поэтому изучение локальных эффектов участка является важной частью оценки сильных движений грунта , сейсмической опасности и инженерной сейсмологии в целом. Таким образом, ущерб от землетрясения может быть усугублен, как в случае землетрясения в Мехико в 1985 году . Для аллювиальных бассейнов мы можем встряхнуть миску с желе, чтобы смоделировать явление в небольшом масштабе.

В этой статье сначала дается определение локальных эффектов, рассматривается землетрясение в Мехико 1985 года, описывается теоретический анализ этого явления (через механические волны ) и подробно описываются несколько результатов исследований локальных сейсмических эффектов в Каракасе .

Определение явления

Рис.1  : Сейсмические эффекты/усиление волн в горизонтальном слое (SH-волны): различные волновые поля.

При распространении сейсмические волны отражаются и преломляются на границе раздела различных геологических слоев ( рис.1 ).

Пример на рисунке 1 иллюстрирует усиление сейсмической волны в горизонтальных геологических слоях. Мы рассматриваем однородное упругое полупространство (зеленым цветом), над которым расположен упругий аллювиальный слой постоянной толщины (серым цветом). Сдвиговая волна ( ) амплитуды достигает границы между полупространством и аллювиальным слоем с углом падения . Таким образом, она генерирует:

Преломленная волна порождает отраженную волну при достижении свободной поверхности; ее амплитуда и падение обозначены и соответственно. Эта последняя волна будет отражаться и преломляться несколько раз в основании и верхней части поверхностного слоя. Если слой мягче полупространства, амплитуда движения поверхности может быть больше, что приводит к усилению сейсмических волн или сейсмическим эффектам участка . Когда геологические интерфейсы не горизонтальны, также возможно изучать сейсмические эффекты участка, рассматривая эффекты бассейна из-за сложной геометрии аллювиального заполнения [2] Для небольших наклонов подповерхностных слоев и/или низких контрастов импеданса предположение о горизонтальной слоистости (т. е. одномерное предположение) все еще может использоваться для прогнозирования реакции участка. [3]

В этой статье мы предлагаем несколько примеров эффектов сейсмического объекта (наблюдаемых или моделируемых во время крупных землетрясений), а также теоретический анализ явления усиления.

Пример: эффекты местоположения в Мехико (1985)

Рис.2  : Эффекты местности в Мехико: записи землетрясения 1985 года

Сейсмические эффекты были впервые замечены во время землетрясения в Мехико в 1985 году . [4] Эпицентр землетрясения находился вдоль побережья Тихого океана (в нескольких сотнях километров от Мехико), однако сейсмические толчки были чрезвычайно сильными, что привело к очень большим разрушениям.

Рисунок 2 показывает записи, выполненные на разных расстояниях от эпицентра во время последовательности землетрясений. Амплитуда ускорения, измеренная на разных расстояниях, резко меняется:

Рисунок 2а: Эффект резонанса: собственная частота верхнего геологического слоя современной области Мехико (SCT) составляет 0,5 Гц (период 2 секунды), поэтому PGA достигла максимальной амплитуды в тот же период. Нижняя кривая - спектральные ускорения UNAM.

процесс распространения : [1] геометрическое затухание из-за расширения волнового фронта и материальное (или внутреннее) затухание из-за рассеивания энергии внутри среды (например, трение зерен),

Мы можем заметить, что амплитуда ускорения сначала сильно уменьшается, а затем увеличивается, когда сейсмические волны достигают аллювиальных отложений, на которых был основан Мехико.

Рисунок 2а : Показывает эффект резонанса: Толщина верхнего геологического слоя современной области Мехико составляет 40 м. Скорость поперечных волн через этот слой составляет 80 м/с. [5] Это означает, что собственная частота этой формации составляет 0,5 Гц (период 2 секунды). [6] Когда поперечные волны той же частоты достигли этой области, резонанс стал причиной этого огромного сейсмического эффекта.

Теоретический анализ эффектов сейсмического участка: горизонтальная слоистость

В случае горизонтальной слоистости почвы (постоянная толщина, см . рис. 1 ), мы можем теоретически проанализировать эффекты сейсмического участка. Рассматривается сдвиговая волна ( ) (т.е. поляризованная перпендикулярно рисунку), отраженная и преломленная волна на границе раздела двух сред и отраженная на свободной поверхности.

Рассматривая рис.1 , мы можем проанализировать распространение различных волн в осадочном слое ( ) и в полупространстве ( ). Предполагая, что обе среды являются линейно- упругими и записывая условия непрерывности на границе раздела ( смещение и натяжение ), а также условия свободной поверхности, мы можем определить спектральное отношение между движением поверхности и движением в верхней части полупространства без какого-либо осадочного слоя:

где  ; и :

Рис. 3 : Сейсмические эффекты в одном осадочном слое (SH-волны): спектральное соотношение для различных соотношений скоростей слоя/корневой породы

Рис.3 показывает вариации спектрального отношения по частоте для различных механических характеристик полупространства (для осадочного слоя). Мы замечаем, что усиление движения может быть очень сильным на определенных частотах . Уровень усиления зависит от контраста скоростей и принимает следующие максимальные значения:

Красная кривая соответствует большому контрасту скоростей между слоем и полупространством ( ); таким образом, усиление очень велико. Как показано на рис. 3 , максимальное усиление достигается на определенных частотах, соответствующих резонансу осадочного слоя. Основная частота слоя (или 1-я резонансная частота) может быть легко рассчитана [1] по формуле: . Таким образом, основная мода соответствует резонансу в четверть длины волны . Подход «четверть длины волны» может быть использован для оценки усиления участка из-за контраста импеданса. [7]

Когда осадочные слои не горизонтальны (например, осадочный бассейн ), анализ становится более сложным, поскольку необходимо учитывать поверхностные волны, создаваемые боковыми неоднородностями (например, краями бассейна). В таких случаях можно проводить эмпирические исследования, а также теоретические анализы для простых геометрий [8] или численное моделирование для более сложных случаев. [9]

Сейсмические эффекты в осадочных бассейнах: случай Каракаса

Рис.4 : Сейсмические эффекты в Каракасе (моделирование BEM в частотной области).

В осадочных бассейнах эффекты местоположения также приводят к образованию поверхностных волн на краях бассейна. Это явление может значительно усилить усиление сейсмического движения . Ухудшение уровня усиления по сравнению со случаем горизонтального напластования может достигать 5 или 10 раз. Это зависит от контраста скоростей между слоями и геометрии бассейна. [9] Такие явления называются эффектами бассейна , и мы можем рассмотреть аналогию с колебаниями в миске с желе.

Теоретический анализ эффектов участка в каньонах или полукруглых осадочных бассейнах был выполнен с помощью полуаналитических методов в начале 80-х годов. [8] Недавнее численное моделирование [10] позволило проанализировать эффекты участка в эллипсоидальных осадочных бассейнах. В зависимости от геометрии бассейна усугубление эффектов участка отличается от случая горизонтально-слоистого.

Когда механические свойства осадочного бассейна известны, мы можем численно моделировать эффекты участка. На рисунке 4 изображено явление усиления для города Каракас . [11] [12] Уровень усиления плоской волны ( ) вычисляется методом граничных элементов в частотной области. [13] Каждая цветовая карта отображает уровень усиления на заданной частоте  :

Многочисленные геологические объекты были исследованы различными исследователями как на слабые землетрясения , так и на сильные (см. синтез [1] ). В последнем случае необходимо учитывать нелинейное поведение грунта под большой нагрузкой [14] или даже разжижение грунта , которое может привести к его разрушению .

Ссылки

  1. ^ abcd Семблат Дж. Ф., Пекер А. (2009) Волны и колебания в грунтах: землетрясения, транспорт, толчки, строительные работы , IUSS Press, Павия, Италия, 499 стр.
  2. ^ Bard PY, Bouchon M. (1985). Двумерный резонанс долин, заполненных осадками, Бюллетень сейсмологического общества Америки , 75, стр. 519-541.
  3. ^ Вольпини, Каролина; Дуглас, Джон (март 2019 г.). «Доступный подход к анализу реакции площадки квазигоризонтальных слоистых отложений». Бюллетень сейсмостойкого строительства . 17 (3): 1163–1183. Bibcode : 2019BuEE...17.1163V. doi : 10.1007/s10518-018-0488-4 . ISSN  1570-761X.
  4. ^ Сингх СК, Мена Э., Кастро Р. (1988) Некоторые аспекты характеристик источника землетрясения в Мичоакане 19 сентября 1985 г. и усиление движения грунта в Мехико и его окрестностях по данным о сильных движениях, Бюллетень сейсмологического общества Америки , 78(2), стр. 451-477.
  5. ^ Тидеманн, Х., 1992. Землетрясения и извержения вулканов. SRC, 951 стр.
  6. ^ Береснев и др., 1998. Величина нелинейной реакции осадконакопления в бассейне Лос-Анджелеса во время землетрясения в Нортридже в 1994 году. BSSA, 88: стр. 1079-1084
  7. ^ Дуглас, Дж.; Гель, П.; Бонилла, Л.Ф.; Скотти, О.; Ренье, Дж.; Дюваль, А.-М.; Бертран, Э. (2009-06-01). «Максимальное использование имеющейся информации о местоположении для эмпирического прогнозирования движения грунта». Бюллетень сейсмологического общества Америки (Представленная рукопись). 99 (3): 1502–1520. Bibcode : 2009BuSSA..99.1502D. doi : 10.1785/0120080075. ISSN  0037-1106.
  8. ^ ab Sánchez-Sesma FJ (1983). Дифракция упругих волн на трехмерных поверхностных неровностях, Бюллетень сейсмологического общества Америки , 73(6), стр.1621-1636.
  9. ^ ab Semblat, JF; Kham, M.; Parara, E.; Bard, PY; Pitilakis, K.; Makra, K.; Raptakis, D. (2005). "Усиление сейсмических волн: геометрия бассейна против слоистости почвы" (PDF) . Динамика грунтов и сейсмостойкость . 25 (7–10): 529–538. Bibcode :2005SDEE...25..529S. doi :10.1016/j.soildyn.2004.11.003.
  10. ^ Chaillat, S.; Bonnet, M.; Semblat, JF (2009). "Новый быстрый многодоменный BEM для моделирования распространения и усиления сейсмических волн в трехмерных геологических структурах" (PDF) . Geophysical Journal International . 177 (2): 509–531. Bibcode :2009GeoJI.177..509C. doi : 10.1111/j.1365-246x.2008.04041.x .
  11. ^ Дюваль AM, Менеруд JP, Видал S., Бард PY (1998). Связь между кривыми, полученными из микротрясений, и эффектами участка, наблюдаемыми после землетрясения в Каракасе 1967 года, 11-я Европейская конференция по сейсмостойкому строительству , Париж, Франция.
  12. ^ Папагеоргиу АС, Ким Дж. (1991). Изучение распространения и усиления сейсмических волн в долине Каракас в связи с землетрясением 29 июля 1967 г.: волны SH, Бюллетень сейсмологического общества Америки , 81(6), стр.2214-2233
  13. ^ Семблат, Дж. Ф.; Дюваль, А. М.; Дангла, П. (2002). «Эффекты сейсмического участка в глубоком аллювиальном бассейне: численный анализ методом граничных элементов». Компьютеры и геотехника . 29 (7): 573–585. arXiv : 0901.3709 . Bibcode : 2002CGeot..29..573S. doi : 10.1016/s0266-352x(02)00017-4.
  14. ^ Regnier, J.; Cadet, H.; Bonilla, LF; Bertrand, E.; Semblat, J.-F. (2013). «Оценка нелинейного поведения грунтов при сейсмическом отклике участка: статистический анализ данных сильных движений KiK-net». Бюллетень сейсмологического общества Америки . 103 (3): 1750–1770. Bibcode : 2013BuSSA.103.1750R. doi : 10.1785/0120120240.

Смотрите также