ارزيابي مؤلفه‌هاي امواج سطحي جهت شناسايي حفره‌هاي زيرسطحي با استفاده از مدل‌سازي‌هاي دو و سه‌بعدي به روش اجزا محدود

Evaluation of surface wave components for identification of subsurface cavities using 2D and 3D finite element modeling method

شناسايي ناهنجاري‌هاي زيرسطحي همچون حفره، فروچاله و تونل به خاطر احتمال بروز نشست‌ها و فروريزش‌هاي احتمالي همواره موردتوجه مهندسان ژئوتكنيك و ژئوفيزيك بوده است. بهره‌گيري از روش‌هاي جديدي همچون روش‌هاي امواج سطحي مي‌تواند در جهت شناسايي اين ناهنجاري‌ها گام مناسبي تلقي شود. نظر به اينكه اغلب مطالعات و تحليل‌هاي انجام‌شده با در نظر گرفتن مولفه قايم امواج رايلي صورت پذيرفته است و با توجه به اينكه ناهنجاري‌هاي زيرسطحي تأثيرات متفاوتي بر روي مؤلفه‌هاي مختلف امواج سطحي دارند؛ لذا در اين مقاله به ارزيابي مولفه‌هاي قايم و شعاعي امواج رايلي و مولفه امواج لاو به منظور شناسايي حفره توخالي و توپر در محيط‌هاي خاكي نيم فضاي همگن و لايه‌بندي شده پرداخته شده است. در اين خصوص، با اعمال بار لرزه‌اي در جهت افقي و قايم به ترتيب مؤلفه امواج لاو و مؤلفه‌هاي قايم و شعاعي امواج رايلي ايجاد و برداشت شده است. انتشار امواج رايلي و لاو با استفاده از تحليل چندايستگاهي امواج سطحي و همچنين شبيه‌سازي‌ها با بهره‌گيري از روش اجزا محدود در نرم‌افزار آباكوس انجام پذيرفته است. تاثير حفرات زيرسطحي بر مولفه‌‌هاي امواج سطحي با ارزيابي تغييرات بيضوي شكل ذرات امواج رايلي، نسبت مولفه‌ها و همچنين دامنه‌هاي حداكثر نرمال شده در گيرنده‌ها انجام پذيرفته است. نتايج مدل‌سازي‌هاي دوبعدي نشان دادند كه شكل بيضوي حركت ذرات امواج رايلي در اثر وجود ناهنجاري زيرسطحي دچار به‌هم‌ريختگي و تغييرشكل مي‌شوند و اين تأثير به نحو قابل‌ملاحظه‌اي در دامنه‌هاي حداكثر نرمال شده و نسبت مؤلفه‌هاي شعاعي و قايم امواج رايلي مشاهده شده است. در ادامه نتايج مدل‌سازي‌هاي سه‌بعدي نشان دادند كه امواج لاو نيز همانند امواج رايلي با دقت و وضوح مناسبي مي‌توانند در شناسايي حفره‌هاي زيرسطحي مورد استفاده قرار گيرد. در مجموع مي‌توان اين‌گونه بيان نمود كه شناسايي حفره‌هاي زيرسطحي با ارزيابي شكل بيضوي حركت ذرات، دامنه‌هاي حداكثر نرمال شده و نسبت مؤلفه‌هاي امواج رايلي و لاو امكان‌پذير مي‌باشد.

Identifying the subsurface anomalies has always been of interest to the geotechnical and geological engineers especially when there is the potential risk of collapse and settlement. These anomalies have various effects on different components of the surface waves. Therefore, in this paper, the effects of empty and solid cavities on the components of Rayleigh (R) and Love (L) waves are investigated in homogeneous and layered soil media. In this regard, the vertical and radial components of the Rayleigh and Love waves are compared by applying vertical and horizontal loads. Moreover, the elliptical shape of R-wave is evaluated for different models without cavity, with cavity and intrusion (i.e. filled cavity). All 2D and 3D models are simulated using finite element method (FEM) in the Abaqus software. Furthermore, the potential ability of different components of the surface waves for cavity detection is compared by considering the resolution of the diffracted waves and their amplitudes in the wave-field domain. The results show that the elliptical shape of particles motions, maximum normalized amplitude and the ratio of different components of R and L waves are influenced by the subsurface cavities.