شناسایی عمق و ضخامت لایه ضعیف با استفاده از طیف سرعت فاز و منحنی پراکندگی نظری امواج رایلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی‌

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد ژئوتکنیک، گروه عمران و محیط‌زیست، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

2 استادیار گروه عمران و محیط‌زیست، دانشگاه صنعتی شیراز، شیراز، ایران

3 استادیار گروه مهندسی عمران، واحد شهرکرد، دانشگاه آزاد اسلامی، شهرکرد، ایران

چکیده

شناسایی بی‌هنجاری زیرسطحی مانند وجود لایه ضعیف در اعماق و ضخامت‌های مختلف، نقش بسزایی در طراحی‌های مهندسی ایفا می‌کند. با شناسایی لایه‌های ضعیف می‌توان از مشکلات احتمالی جلوگیری کرد؛ لذا در این مقاله با توجه به گستردگی روش‌های شناسایی زیرسطحی، از روش تحلیل چند­ایستگاهی امواج سطحی استفاده شده است که بسیار سریع، راحت و بی‌نیاز از حفاری و تخریب است. در این راستا با شبیه‌سازی در محیط نرم‌افزار اجزاء محدود آباکوس (Abaqus)، تأثیر تغییرات ضخامت و عمق قرارگیری لایه ضعیف با نتایج مدل خاک سه لایه نرمال مقایسه شده است. لایه‌های ضعیف در ضخامت‌های 2، 4 و 8 متر و اعماق مدفون 2، 4 و 8 متر از سطح زمین انتخاب و ارزیابی شده‌اند. در ادامه، نتایج خروجی هرکدام از مدل‌های شبیه‌سازی­شده در نرم‌افزار متلب پردازش و طیف سرعت فاز و منحنی پراکندگی نظری امواج رایلی ترسیم شده است.
    نتایج نشان دادند وجود لایه ضعیف در هر عمق و ضخامتی موجب ایجاد پرش در طیف سرعت فاز امواج رایلی می‌شود با این تفاوت که با افزایش عمق مدفون لایه ضعیف، موقعیت پرش از فرکانس‌های بالاتر به فرکانس‌های پایین‌تر انتقال می‌یابد و تأثیر افزایش ضخامت لایه ضعیف به‌صورت افزایش تعداد پرش‌ها در طیف سرعت فاز مشاهده می­شود. با انطباق طیف سرعت فاز و منحنی پراکندگی نظری امواج رایلی به‌وضوح مشخص شده است که طیف سرعت فاز از مد اساسی به سمت مدهای بالاتر انتقال یافته است. دلیل این رخداد، آن است که مدهای بالاتر در برخی فرکانس‌های خاص انرژی بیشتری دارند. درک صحیح و درنظر­گرفتن این تغییرات و اِعمال آنها بر داده‌های ورودی تحلیل برگردان موجب شده است مقاطع سرعت موج برشی و طولی پذیرفتنی‌تر و دقیق­تری حاصل شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Detecting the depth and thickness of weak layer in soil media using phase velocity spectrum and theoretical dispersion curve of rayleigh wave

نویسندگان [English]

  • MohamadMehdi ,Moradi 1
  • Hossein Rahnema 2
  • Sohrab Mirassi 3
1 M. Sc. Student, Department of Civil and Environmental Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran
2 Assistant Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, Shiraz University of Technology, Shiraz, Iran
3 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Shahrekord Branch, Islamic Azad University, Shahrekord, Iran
چکیده [English]

The presence of subsurface anomalies such as cavities, sinkholes, weak subsurface layers, faults, or tunnels that are man-made or natural can pose serious risks to the environment or engineering project. One of the anomalies is weak or loose layer between two hard layers which increases the settlement potential, so detecting the subsurface anomalies such as void and weak layer at different depths and thicknesses plays an important role in engineering designs. In this paper, the multi-channel analysis of surface waves (MASW) is used. It is fast and comfortable among the various methods for identifying subsurface anomalies. In this regards, the effect of weak layer between hard soil layers is evaluated by using the finite element method in Abaqus and MATLAB software. The effect of depth and thickness of weak layer on the phase velocity spectrum and theoretical dispersion curve of Rayleigh (R) wave is compared. Different thicknesses (2, 4 & 8 meters) and depths (2, 4 & 8 meters) for weak layers are considered. In the following, the output results of each simulation are processed in MATLAB software by using the MASW method.
     The results showed that the presence of jumps in phase velocity spectrum in high and low frequencies are related to the existence of weak layer. The location of the jump is moved to the low frequencies of the phase velocity spectrum and also shifted to higher modes of theoretical dispersion curve of R-wave due to the increasing depth of weak layer. For example, the jumps are accrued at the frequencies of 37, 27 and 17 Hz in the phase velocity spectrum due to the presence of the weak layer at depths of 2, 4 and 8 meters, respectively. This event is caused by the more energy of the higher modes at special frequencies related to the depth of the weak layer. By increasing the thickness of the weak layer, the number of jumps is increased in the phase velocity spectrum and the phase velocity spectrum is shifted from fundamental mode to the first, second and other modes at the location of each jump. The number of jumps for a weak layer with a thickness of 8, 4 and 2 meters is equal to 6, 2 and 1, respectively, which indicates a higher number of jumps for a thickness of 8 meters. Considering these changes in inversion analysis gives rise to more acceptable S and P wave velocity profiles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • MASW
  • phase velocity spectrum
  • weak layer depth
  • higher mode
  • Rayleigh waves
  • jump

مراجع

رهنما، ح.، احسانی­نژاد، ل.، 1396، شناسایی حفره‌های سطحی زمین با استفاده از روش انتقال توأم زمان فرکانس موج سطحی منکسر شده: کنفرانس بین‌المللی عمران، معماری و شهرسازی ایران معاصر، تهران، ایران.
رهنما، ح.، دشتی، ف.، 1395، بررسی پارامترهای مؤثر بر وضوح منحنی پراکندگی امواج سطحی در شناسایی لایه‌بندی زمین: دومین کنفرانس ملی ژئومکانیک نفت، تهران، ایران.
رهنما، ح.، راسخ، م.، میراثی، س.، 1401، ارزیابی تأثیر طول حفره زیرسطحی بر انتشار امواج رایلی جهت شناسایی مرز دور و نزدیک حفره: مهندسی سازه و ساخت، 9(6)، doi:10.22065/jsce.2021.299727.2530.
میراثی, س.، رهنما, ح.، 1399 الف، ارزیابی تأثیر پارامترهای برداشت در وضوح تصاویر پراکنش در روش تحلیل چندایستگاهی امواج سطحی: مهندسی عمران، 2/36(1/4)، 3-13،  .doi:10.24200/j30.2019.53491.2551
میراثی، س.، رهنما، ح.، 1399 ب، بهبود عملکرد لایه­های جاذب با میرایی افزایشی در مدل‌سازی عددی انتشار امواج سطحی به روش اجزاء محدود: مجله انجمن زمین­شناسی مهندسی ایران، 13(2)، 13-26.
میراثی، س.، 1398، شناسایی فرونشست و فروچاله در زمین با استفاده از روش چندایستگاهی امواج لرزه ای: پایان نامه دکتری ژئوتکنیک، دانشگاه صنعتی شیراز.
هاشمی جوکار، م.، رهنما، ح.، بغلانی، ع.، 1400، ارزیابی و تخمین ضخامت لایه­های خاک با استفاده از تحلیل چندایستگاهی امواج سطحی و منحنی پراکندگی امواج سطحی: مهندسی سازه و ساخت، 8(4)، 267-282.
 
Abaqus, v6.14, S., 2014, Abaqus Analysis User’s Guide: Dassault Systèmes Simulia Corp., Providence, RI, USA, www.simulia.com, 2014.
Aminnedjad, B., and Butt, S. D., 2003, Imaging abandoned underground mines and assessing geotechnical hazards research project, Phase 1 Final Report – Assessment of state of the art for non-destructive geophysical imaging technology, unpublished report.
Atkinson, J. H., 2000, Non-linear soil stiffness in routine design: Gèotechnique, 50(5), 487–508.
Castaings, M., Bacon, C., Hosten, B., and Predoi, M. V., 2004, Finite element predictions for the dynamic response of thermo-viscoelastic material structures: The Journal of the Acoustical Society of America, 115(3), 1125-1133.
Catalina Orozco, M., 2003, Inversion method for Spectral Anlysis of Surface Wave (SASW): Ph.D. thesis, Georgia Institute of Technology.
Chai, H. Y., Phoon, K. K., Goh, S. H., and Wei, C. F., 2012, Some theoretical and numerical observations on scattering of Rayleigh waves in media containing shallow rectangular cavities: Journal of Applied Geophysics, 83, 107-119.
chwenk, J. T., Sloan, S. D., Ivanov, J., and Miller, R. D., 2016, Surface-wave methods for anomaly detection: Geophysics, 81(4), EN29-EN42.
Coduto, D. P., 2015, Foundation Design: Principles and Practices: Pearson, (Second edition), Prentice Hall, Inc.
Davoodi, M., Pourdeilami, A., Jahankhah, H., and Jafari, M. K., 2018, Application of perfectly matched layer to soil-foundation interaction analysis: Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 10(4), 753-768.
Drozdz, M. B., 2008, Efficient finite element modelling of ultrasound waves in elastic media: ِDoctoral dissertation, Imperial College London.
Hesse, D., and Cawley, P., 2006, Surface wave modes in rails: The Journal of the Acoustical Society of America, 120(2), 733-740.
Ivanov, J., Miller, R. D., Park, C. B., and Ryden, N., 2003, Seismic search for underground anomalies: SEG Technical Program Expanded Abstracts, 1223-1226.
Lin, S., and Ashlock, J. C., 2014, Multimode Rayleigh wave profiling by hybrid surface and borehole methods: Geophysical Journal International, 197(2), 1184-1195.
Luo, W., and Rose, J. L., 2007, Phased array focusing with guided waves in a viscoelastic coated hollow cylinder: The Journal of the Acoustical Society of America, 121(4), 1945-1955.
Mirassi, S., Rahnema, H., Eshaghi, A., 2020, Evaluation of surface wave components for identification of subsurface cavities using 2D and 3D finite element modeling method: Journal of Research on Applied Geophysics, 6(2), 219-233, magiran.com/p2199518.
Mirassi, S., and Rahnema, H., 2020, Deep cavity detection using propagation of seismic waves in homogenous half-space and layered soil media: Asian Journal of Civil Engineering, 21, 1431–1441, https://doi.org/10.1007/s42107-020-00288-2.
Moss, R. E. S., 2008, Quantifying measurement uncertainty of thirty-meter shear-wave velocity: Bulletin of the Seismological Society of America, 98(3), 1399-1411.
Nazarian, S., Stokoe II, K. H., and Hudson, W. R., 1983, Use of spectral analysis of surface waves method for determination of moduli and thicknesses of pavement systems: Transportation Research Record No. 930.
Olsson, D., 2012, Numerical simulations of energy absorbing boundaries for elastic wave propagation in thick concrete structures subjected to impact loading: MSc. thesis, Umeå University.
Park, C. B., Miller, R. D., and Xia, J., 1996. Multi-channel analysis of surface waves using Vibroseis (MASWV): SEG Technical Program Expanded Abstracts, Society of Exploration Geophysicists, 68-71.
Park, C. B., Miller, R. D., and Xia, J., 1999, Multichannel analysis of surface waves: Geophysics, 64(3), 800-808.
Rahnema, H., and Mirasi, S., 2012, Seismic and geotechnical study of land subsidence and vulnerability of rural buildings: International Journal of Geosciences, 3(04), 878.
Rahnema, H., and Mirassi, S., 2016, Study of land subsidence around the city of Shiraz: Scientia Iranica, Transaction A, Civil Engineering, 23(3), 882.
Rahnema, H., Ehsaninezhad, L., Dashti, F., and Talebi, G., 2020, Detection of subterranean cavities and anomalies using multichannel analysis of surface wave: Geomechanics and Geoengineering, 17(1), 206-219.
Rahnema, H., Mirassi, S., and Dal Moro, G., 2021, Cavity effect on Rayleigh wave dispersion and P-wave refraction: Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 20(1), 79-88.
Rajagopal, P., Drozdz, M., Skelton, E. A., Lowe, M. J., and Craster, R. V., 2012, On the use of absorbing layers to simulate the propagation of elastic waves in unbounded isotropic media using commercially available Finite Element packages: NDT & E International, 51, 30-40.
Roy, N., and Jakka, R. S., 2017, Near-field effects on site characterization using MASW technique: Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 97, 289-303.
Song, X., and Gu, H., 2007, Utilization of multimode surface wave dispersion for characterizing roadbed structure: Journal of Applied Geophysics, 63(2), 59-67.
Schmelzbach, C., Jordi, C., Sollberger, D., Doetsch, J., Kaufmann, M., Meijer, W. Y. and Horstmeyer, H., 2015, Understanding the impact of karst on seismic wave propagation-a multi-method geophysical study: 77th EAGE Conference and Exhibition-Workshops, 2015(1), 1-5. European Association of Geoscientists & Engineers.
Wathelet, M., Bard, P. Y., Chatelain, J. L., et al., 2010, Geopsy on-line documentation, available at http://www.geopsy.org/wiki (last accessed October 2019).
Yoon, S. and Rix, G. J., 2009, Near-field effects on array-based surface wave methods with active sources: Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 135(3), 399-406.
 
 
مجله ژئوفیزیک ایران
دوره 16، شماره 3
آذر 1401
صفحه 57-77

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار