ارزیابی و تخمین ضخامت لایه‌های خاک با استفاده از تحلیل چند ایستگاهی امواج سطحی و منحنی پراکندگی امواج سطحی

Abstract

یکی از موضوعات موردعلاقه مهندسان ژئوتکنیک و ژئوفیزیک، استفاده از روش امواج سطحی در شناسایی لایه‌های زیرسطحی زمین می‌باشد. در محیطی که به‌صورت عمودی ناهمگن می‌باشد، سرعت فازی امواج سطحی تابعی از فرکانس می‌باشد. نمودار فرکانس در برابر سرعت فازی، منحنی پراکندگی نامیده می‌شود که این منحنی تابعی از سرعت موج‌برشی، سرعت موج فشاری، چگالی و ضخامت هرکدام از لایه‌های زمین می‌باشد. در این مقاله، مدل‌سازی محیط خاک با لایه‌بندی افقی در نرم‌افزار اجزا محدود (آباکوس) ارائه گردیده و پاسخ لرزه‌ای محیط‌های خاک با لایه‌های افقی شبیه‌سازی شده است. با توجه به تفاوت در مشخصات لایه‌بندی محیط، مدل‌ها را به دو نوع اصلی تقسیم می‌نماییم: مشخصات لایه‌ها با عمق افزایش می‌یابد (لایه‌ها از بالا به پایین سخت‌تر می‌شوند) و مشخصات لایه‌ها با عمق کاهش و افزایش می‌یابد (لایه‌ای ضعیف در بین دو لایه قوی‌تر قرار گرفته باشد). در این مدل‌ها، برای ایجاد امواج سطحی از منبع ضربه فعال استفاده گردید و برای مرزهای مدل نیز، از روش لایه‌های جاذب با میرایی افزایشی استفاده شد (بدین ترتیب، از ورود امواج برگشتی از مرزها به داخل مدل جلوگیری شد). پس از اتمام مدل‌سازی، داده‌های لرزه‌ای توسط ژئوفون‌ها ثبت گردید و منحنی پراکندگی داده‌های برداشت شده با استفاده از روش انتقال فرکانس-عددموج محاسبه گردید. سپس، تاثیر فواصل مختلف ژئوفون‌ها در منحنی پراکندگی موردبررسی قرار گرفت. نتایج به‌دست‌آمده نشان دادند که با استفاده از منحنی پراکندگی و سرعت فازی در فرکانس‌های بالا می‌توان ضخامت لایه سطحی را محاسبه نمود. همچنین، سرعت فازی در فرکانس‌های بالا متناسب با سرعت فازی لایه سطحی می‌باشد. در صورت وجود لایه سست‌تر در بین لایه‌های سخت‌تر، منحنی پراکندگی دارای یک تقعر می‌باشد که باعث می‌شود در فرکانس‌های کم، منحنی پراکندگی به سمت سرعت لایه سست‌تر میل کند و سپس در فرکانس‌های بالاتر، به سرعت فازی لایه سطحی مجانب شود. شیب منحنی پراکندگی در فرکانس‌های پایین نشان‌دهنده حضور لایه‌های با سرعت‌های مختلف می‌باشد و هرچه شیب تندتر و به قائم نزدیک‌تر باشد، تعداد لایه‌های کمتری در محیط وجود دارد. برای محیط‌هایی که سختی‌شان از لایه‌های سطحی به لایه‌های پایین‌تر افزایش می‌یابد، منحنی پراکندگی به سمت راست (فرکانس‌های بالاتر) انتقال پیدا می‌کند. در ادامه تاثیر فواصل مختلف ژئوفون‌ها بررسی گردید و ملاحظه شد که فاصله ژئوفن‌ها باید به مقدار کمتر از یک‌چهارم عمق لایه محدود شود تا از پرش منحنی پراکندگی به مدهای بالاتر جلوگیری گردد. بعلاوه، در صورت مشاهده پرش منحنی پراکندگی به مدهای بالاتر در فرکانس‌های بالا، می‌توان، داده‌های لرزه‌ای را با فاصله کمتر ژئوفون‌ها برداشت نمود و یا اینکه، منحنی پراکندگی را فقط در محدوده فرکانسی قبل از پرش به مد بالاتر موردبررسی قرار داد.