Эффекты сейсмической площадки связаны с усилением сейсмических волн в поверхностных геологических слоях. [1] Движение грунта на поверхности может сильно усилиться, если геологические условия неблагоприятны (например, осадки). Таким образом, изучение локальных воздействий на площадку является важной частью оценки сильных колебаний грунта , сейсмической опасности и инженерной сейсмологии в целом. Таким образом, ущерб в результате землетрясения может быть увеличен, как в случае землетрясения в Мехико 1985 года . Для аллювиальных бассейнов мы можем встряхнуть чашу с желе, чтобы смоделировать явление в мелком масштабе.
В этой статье сначала определяются эффекты площадки, представлено землетрясение в Мехико в 1985 году, описывается теоретический анализ явления (через механические волны ) и подробно излагаются некоторые результаты исследований по воздействию сейсмических площадок в Каракасе .
Определение явления
При распространении сейсмические волны отражаются и преломляются на границе раздела между различными геологическими слоями ( рис.1 ).
Пример на Рисунке 1 показывает усиление сейсмических волн в горизонтальных геологических слоях. Мы рассматриваем однородное упругое полупространство (выделено зеленым цветом), над которым располагается упругий аллювиальный слой постоянной толщины.находится (серым цветом). Поперечная волна () амплитуды достигает границы между полупространством и аллювиальным слоем с падением . Таким образом, он генерирует:
- отраженная волна в полупространстве с амплитудой и заболеваемость
- преломленная волна в поверхностном слое с амплитудой и заболеваемость
Преломленная волна порождает отраженную волну, достигая свободной поверхности; его амплитуда и частота обозначаются а также соответственно. Эта последняя волна будет отражаться и преломляться несколько раз в основании и в верхней части поверхностного слоя. Если слой мягче полупространства, амплитуда движения поверхности может быть больше, чемчто приводит к усилению сейсмических волн или сейсмических эффектов площадки . Когда геологические границы раздела не являются горизонтальными, можно также изучить сейсмические эффекты площадки, учитывая эффекты бассейна из-за сложной геометрии аллювиального заполнения [2]. Для небольших наклонов подземных слоев и / или контрастов с низким импедансом, предположение о том, что горизонтальное расслоение (т. е. предположение 1D) все еще можно использовать для прогнозирования отклика сайта. [3]
В этой статье мы предлагаем несколько примеров сейсмических эффектов площадки (наблюдаемых или смоделированных во время сильных землетрясений), а также теоретический анализ явления усиления.
Пример: эффекты сайта в Мехико (1985)
Эффекты сейсмической площадки были впервые обнаружены во время землетрясения в Мехико в 1985 году . [4] Эпицентр землетрясения находился на побережье Тихого океана (в нескольких сотнях километров от Мехико), однако сейсмические сотрясения были чрезвычайно сильными, что привело к очень большим повреждениям.
На рис. 2 показаны записи, выполненные на разных расстояниях от эпицентра во время последовательности землетрясений. Ускорение амплитуда измеряется на различных расстояниях резко меняется:
- Кампос станция: эта станция находится в непосредственной близости от эпицентра и регистрируется максимальное ускорение в,
- Станция Teacalco : эта станция расположена на расстоянии более 200 км от эпицентра и зафиксировала гораздо меньшее ускорение (около). Это уменьшение амплитуды связано с затуханием волн во время
распространения процесса: [1] геометрического затухания в связи с расширением волнового фронта и материала (или собственного) затухания за счет диссипации энергии в среде (например , зерна трения),
- НАУМ станции: эта станция расположена на более чем 300 км от эпицентра и регистрируется максимальное ускорение в, больше, чем зафиксировано на станции Teacalco ,
- Станция SCT : эта станция расположена в Мехико примерно в 400 км от эпицентра и зафиксировала очень сильное максимальное ускорение (около).
Мы можем заметить, что амплитуда ускорения сначала сильно уменьшается, а затем увеличивается, когда сейсмические волны достигают аллювиальных отложений, на которых был основан Мехико.
Рисунок 2a : Эффект резонанса: мощность верхнего геологического слоя современного района Мехико составляет 40 м. Скорость поперечных волн через этот слой составляет 80 м / сек. [5] Это означает, что собственная частота этого пласта составляет 0,5 Гц (период 2 секунды). [6] Когда поперечные волны той же частоты достигли этой области, резонанс был ответственен за этот огромный сейсмический эффект.
Теоретический анализ сейсмических воздействий на площадку: горизонтальное расслоение
В случае горизонтального наслоения грунта (постоянная толщина, см. Рис. 1 ) мы можем теоретически проанализировать сейсмические воздействия на площадку. Считается сдвиговой волной () (т.е. поляризованная перпендикулярно рисунку) отраженная и преломленная волна на границе раздела между обеими средами и отраженная на свободной поверхности.
Рассматривая рисунок 1 , мы можем проанализировать распространение различных волн в осадочном слое () и в полупространстве (). Считая обе среды линейно- упругими и записывая условия непрерывности на границе раздела ( смещение и тяговое усилие ), а также условия свободной поверхности, мы можем определить спектральное отношение между движением поверхности и движением в верхней части полупространства без осадочного слоя:
где ; а также :
- - толщина слоя,
- падение волны в слое,
- - массовая плотность в слое,
- является модуль сдвига в слое,
- - вертикальное волновое число в слое 1,
- - скорость поперечной волны .
На рис.3 показаны вариации спектрального отношения.по частоте для различных механических характеристик полупространства (сдля осадочного слоя). Мы замечаем, что усиление движения может быть очень сильным на определенных частотах . Уровень усиления зависит от контраста скорости. и принимает следующие максимальные значения:
- для (синяя кривая),
- для (зеленая кривая),
- для (желтая кривая).
Красная кривая соответствует большому контрасту скоростей между слоем и полупространством (); усиление, таким образом, очень велико. Как показано на рисунке 3 , максимальное усиление достигается на определенных частотах, соответствующих резонансу осадочного слоя. Основная частота слоя (или 1-я резонансная частота) может быть легко вычислена [1] в виде:. Таким образом , основная мода соответствует четверти длиной волны резонанса . Подход «четверть длины волны» можно использовать для оценки усиления участка из-за контраста импеданса. [7]
Когда осадочные слои не являются горизонтальными (например, осадочный бассейн ), анализ является более сложным, поскольку следует учитывать поверхностные волны, генерируемые боковыми неоднородностями (например, краями бассейна). В таких случаях можно проводить эмпирические исследования, а также теоретический анализ для простых геометрических фигур [8] или численное моделирование для более сложных случаев. [9]
Эффекты сейсмических площадок в осадочных бассейнах: случай Каракаса
В осадочных бассейнах эффекты площадки также приводят к генерации поверхностных волн на краях бассейна. Это явление может значительно усилить сейсмическое движение . Ухудшение уровня усиления по сравнению со случаем горизонтального наслоения может достигать 5-10 раз. Это зависит от контраста скоростей между слоями и геометрии бассейна. [9] Такие явления называются эффектами бассейна, и мы можем рассмотреть аналогию с вибрациями в чаше с желе .
Теоретический анализ эффектов участков в каньонах или полукруглых осадочных бассейнах проводился полуаналитическими методами в начале 80-х годов. [8] Недавнее численное моделирование [10] позволило проанализировать влияние площадок в эллипсоидальных осадочных бассейнах. В зависимости от геометрии бассейна усиление локальных эффектов отличается от такового при горизонтально-слоистом случае.
Когда механические свойства осадочного бассейна известны, мы можем моделировать эффекты площадки численно. На рисунке 4 показано 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 :
- вершина: . Эффекты площадки из-за топографии явно проявляются на вершине холма (справа). Тем не менее, эффекты площадки из-за осадочного бассейна приводят к большему усилению.
- середина: . Влияние топографической площадки незначительно по сравнению с влиянием бассейна (в 4 раза больше, чем при 0,3 Гц).
- Нижний: . Эффекты сайта в бассейне того же порядка, что и при 0,4 Гц, но мы замечаем гораздо более короткую длину волны.
Многочисленные геологические участки были исследованы различными исследователями как на предмет слабых, так и сильных землетрясений (см. Синтез [1] ). В последнем случае необходимо учитывать нелинейное поведение грунта при большой нагрузке [14] или даже разжижение грунта, которое может привести к разрушению грунта .
Рекомендации
- ^ a b c d Semblat JF, Pecker A. (2009) Волны и колебания в почвах: землетрясения, движение, толчки, строительные работы , IUSS Press, Павия, Италия, 499 с.
- ^ Бард PY, Бушон М. (1985). Двумерный резонанс долин, заполненных отложениями, Бюллетень Сейсмологического Общества Америки , 75, стр. 519-541.
- ^ Вольпини, Каролина; Дуглас, Джон (март 2019). «Доступный подход к анализу отклика площадки квазигоризонтальных слоистых отложений» . Бюллетень сейсмологической инженерии . 17 (3): 1163–1183. DOI : 10.1007 / s10518-018-0488-4 . ISSN 1570-761X .
- ^ Сингх С.К., Мена Э., Кастро Р. (1988) Некоторые аспекты характеристик источников землетрясения в Мичоакане 19 сентября 1985 года и усиления движения грунта в Мехико и его окрестностях на основе данных о сильных движениях, Бюллетень Сейсмологического общества Америки , 78 ( 2), стр. 451-477.
- ^ Тидеманн, Х., 1992. Землетрясения и извержения вулканов. SRC, 951с.
- ^ Береснев и др., 1998. Величина нелинейного отклика отложений в бассейне Лос-Анджелеса во время землетрясения 1994 года в Нортридже. BSSA, 88: стр. 1079-1084
- ^ Дуглас, Дж .; Gehl, P .; Бонилла, LF; Scotti, O .; Regnier, J .; Duval, A.-M .; Бертран, Э. (2009-06-01). «Максимальное использование доступной информации о местах для эмпирического прогнозирования движения грунта» . Бюллетень сейсмологического общества Америки (Представленная рукопись). 99 (3): 1502–1520. DOI : 10.1785 / 0120080075 . ISSN 0037-1106 .
- ^ а б Sánchez-Sesma FJ (1983). Дифракция упругих волн на трехмерных неровностях поверхности, Бюллетень Сейсмологического общества Америки , 73 (6), стр. 1621-1636.
- ^ а б Semblat, JF; Kham, M .; Parara, E .; Бард, ПЯ; Pitilakis, K .; Makra, K .; Раптакис, Д. (2005). «Усиление сейсмических волн: геометрия бассейна против расслоения грунта» (PDF) . Динамика почвы и сейсмостойкость . 25 (7–10): 529–538. DOI : 10.1016 / j.soildyn.2004.11.003 .
- ^ Chaillat, S .; Bonnet, M .; Семблат, Дж. Ф. (2009). «Новый быстрый многодоменный БЭМ для моделирования распространения и усиления сейсмических волн в трехмерных геологических структурах» (PDF) . Международный геофизический журнал . 177 (2): 509–531. DOI : 10.1111 / j.1365-246x.2008.04041.x .
- ^ Duval AM, Méneroud JP, Vidal С. Бард PY (1998). Связь между кривыми, полученными при микротреморе, и местными эффектами, наблюдавшимися после землетрясения в Каракасе 1967 г., 11-я Европейская конференция по сейсмостойкости , Париж, Франция.
- ^ Papageorgiou А.С., Ким J. (1991). Исследование распространения и усиления сейсмических волн в долине Каракас в связи с землетрясением 29 июля 1967 г .: SH-волны, Бюллетень Сейсмологического общества Америки , 81 (6), стр. 2214-2233.
- ^ Semblat, JF; Duval, AM; Дангла, П. (2002). «Эффекты сейсмических площадок в глубоком аллювиальном бассейне: численный анализ методом граничных элементов». Компьютеры и геотехника . 29 (7): 573–585. arXiv : 0901.3709 . DOI : 10.1016 / s0266-352x (02) 00017-4 .
- ^ Regnier, J .; Кадет, H .; Бонилла, LF; Bertrand, E .; Семблат, Ж.-Ф. (2013). «Оценка нелинейного поведения грунтов при сейсмическом воздействии на площадку: статистический анализ данных KiK-net о сильных движениях». Бюллетень сейсмологического общества Америки . 103 (3): 1750–1770. DOI : 10.1785 / 0120120240 .
Смотрите также
- Землетрясения
- Землетрясение
- Тектоника плит
- Сейсмическая опасность
- Шкалы сейсмической интенсивности
- Шкалы сейсмической магнитуды
- Сейсмический риск
- Сейсмические волны
- Сейсмология
- Приповерхностная геофизика