ارزیابی اثرات حفر تونل بر پاسخ لرزه‌ای سطح زمین با استفاده از روش تفاضل محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی عمران، واحد قزوین، دانشگاه آزاد اسلامی، قزوین، ایران

2 گروه مهندسی عمران، واحد قزوین، دانشگاه آزاد اسلامی، قزوین ایران

چکیده

با افزایش روز‌افزون جمعیت شهری و ایجاد مشکلات ترافیکی، لزوم استفاده از فضاهای زیرزمینی در بخش حمل‌ونقل اجتناب‌ناپذیر است. تحقیقات اخیر نشان داده‌است که پاسخ لرزه‌ای سطح زمین بر روی تونل‌ها، می‌تواند از حرکت میدان آزاد در طول زلزله متفاوت باشد و الگوی انتشار امواج لرزه‌ای را تغییر دهد و باعث تغییر در پاسخ زمین و پی ساختمآن‌ها شود. با این حال تا کنون این تاثیرات در آیین‌نامه‌های لرزه‌ای برای طراحی سازه‌های سطحی لحاظ نشده‌است. در این تحقیق به روش تفاضل محدود با استفاده از نرم‌افزار FLAC 2D به بررسی اثرات حفر تونل بر روی تقویت امواج زلزله در سطح زمین پرداخته شده‌است. با مدل‌سازی‌های عددی صورت گرفته، تاثیر سرعت موج برشی خاک تحت امواج هارمونیک با فرکانس و دامنه‌های متفاوت در دو حالت با حضور تونل و میدان آزاد بررسی شده‌است. نتایج بررسی‌ها نشان می‌دهد که سختی خاک و پوشش تونل و هم‌چنین محتوای فرکانسی امواج، تاثیر بسزایی در پاسخ زمین می‌گذارد و می‌تواند حداکثر شتاب سطح زمین را در شرایط امواج هارمونیک تا حدود 3/1 و با اعمال شتاب‌نگاشت زلزله بم تا 7/1 برابر افزایش دهد. اثر حضور تونل تا فاصله 15 برابر شعاع آن بوده است و در فواصل بیشتر بی‌تاثیر می‌شود. ضرایب بدست آمده برای بزرگنمایی پاسخ زمین می‌تواند در پهنه‌بندی لرزه‌ای مناطق شهری و برای طراحی لرزه‌ای سازه‌های سطحی در محدوده تحت تاثیر تونل، مورد استفاده قرار گیرد

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Effects of Tunnel Excavation on the Seismic Response of Ground Surface Using Finite Difference Method

نویسندگان [English]

  • M.H. Khalaj Zadeh 1
  • M. Azadi 2
1 Department of Civil Engineering, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran
2 Department of Civil Engineering, Qazvin Branch, Islamic Azad University, Qazvin, Iran
چکیده [English]

Increasing urban populations and creating traffic problems, the use of the underground spaces in the transportation is inevitable. Recent studies have shown that seismic response of ground on tunnels can differ from free field movement during earthquake and change the model of propagation of seismic waves. However, these effects have not been used in the seismic standards for the design of surface structures. In this research, using the finite difference method and FLAC 2D software, the effects of tunneling on earthquake amplification on the surface has been studied. For this purpose, the variation of the shear wave velocity of the soil under harmonic waves by different frequencies and amplitudes in both forms of the presence of a tunnel and in the free field have been investigated. The results of the studies showed that soil hardness and frequency of waves have a significant effect on the site response, and can increase the acceleration of the surface in harmonic waves to about 1.3 and with the acceleration of the Bam earthquake to about 1.7 times. Whereas, the presence of tunnel does not affect at longer distances of 15 times its radius. The coefficients obtained the site response can be used in seismic zoning of urban areas and for the design of seismic structures in the area affected by the tunnel.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tunnel
  • Site Response
  • Finite Difference
  • Amplification of Seismic Waves
  • FLAC 2D

مراجع

[1] O. Abuhajar, H. El Naggar, T. Newson, Effects of underground structures on amplification of seismic motion for sand with varying density, in: Pan-Am CGS Geotechnical Conference, 2011, pp. 2-6.
[2] C. Smerzini, J. Aviles, R. Paolucci, F. Sánchez-Sesma, Effect of underground cavities on surface earthquake ground motion under SH wave propagation, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 38(12) (2009) 1441-1460.
[3] S.-H. Lee, Y.-W. Choo, D.-S. Kim, Performance of an equivalent shear beam (ESB) model container for dynamic geotechnical centrifuge tests, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 44 (2013) 102-114.
[4] D.-H. Tsaur, K.-H. Chang, Multiple scattering of SH waves by an embedded truncated circular cavity, Journal of Marine Science and Technology, 20(1) (2012) 73-81.
[5] S. Sica, A.D. Russo, F. Rotili, A.L. Simonelli, Ground motion amplification due to shallow cavities in nonlinear soils, Natural hazards, 71(3) (2014) 1913-1935.
[6] H. Alielahi, M. Kamalian, M. Adampira, Seismic ground amplification by unlined tunnels subjected to vertically propagating SV and P waves using BEM, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 71 (2015) 63-79.
[7] H. Alielahi, M. Adampira, Site-specific response spectra for seismic motions in half-plane with shallow cavities, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 80 (2016) 163-167.
[8] P. Yiouta-Mitra, G. Kouretzis, G. Bouckovalas, A. Sofianos, Effect of underground structures in earthquake resistant design of surface structures, (2007).
[9] G. Sgarlato, G. Lombardo, R. Rigano, Evaluation of seismic site response nearby underground cavities using earthquake and ambient noise recordings: A case study in Catania area, Italy, Engineering Geology, 122(3-4) (2011) 281-291.
[10] G. Lanzano, E. Bilotta, G. Russo, F. Silvestri, S.G. Madabhushi, Centrifuge modeling of seismic loading on tunnels in sand, Geotechnical Testing Journal, 35(6) (2012) 854-869.
[11] M.H. Baziar, M.R. Moghadam, D.-S. Kim, Y.W. Choo, Effect of underground tunnel on the ground surface acceleration, Tunnelling and Underground Space Technology, 44 (2014) 10-22.
[12] M.H. Baziar, M.R. Moghadam, Y.W. Choo, D.-S. Kim, Tunnel flexibility effect on the ground surface acceleration response, Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 15(3) (2016) 457-476.
[13] M.H. Bazyar, C. Song, Analysis of transient wave scattering and its applications to site response analysis using the scaled boundary finite-element method, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 98 (2017) 191-205.
[14] X. Zhang, Y. Jiang, S. Sugimoto, Seismic damage assessment of mountain tunnel: a case study on the Tawarayama tunnel due to the 2016 Kumamoto Earthquake, Tunnelling and underground space technology, 71 (2018) 138-148.
[15] S.Ü. Dikmen, G. Tanırcan, Site amplification and resonance frequency in the urban environment, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 105 (2018) 160-170.
[16] K.T. Jouneghani, M. Hosseini, M.S. Rohanimanesh, M.R. Dehkordi, Evaluating main parameters effects of near-field earthquakes on the behavior of concrete structures with moment frame system, Advances in Science and Technology Research Journal, 11(3) (2017).
[17] M.R. Moghadam, M.H. Baziar, Seismic ground motion amplification pattern induced by a subway tunnel: shaking table testing and numerical simulation, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 83 (2016) 81-97.
[18] V. Besharat, M. Davoodi, M.K. Jafari, Variations in ground surface responses under different seismic input motions due the presence of a tunnel, Arabian Journal for Science and Engineering, 39(10) (2014) 6927-6941.
[19] A. Rostami, M.A. Ziarati, B. Shahi, S. Jahani, Evaluation of Seismic Behavior and Earth’s Surface Acceleration, by Interaction of Tunnels with Different Shapes and Different Types of Soils, Open journal of civil engineering, 6(02) (2016) 242.
[20] R.L. Kuhlemeyer, J. Lysmer, Finite element method accuracy for wave propagation problems, Journal of Soil Mechanics & Foundations Div, 99(Tech Rpt) (1973).
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 51، شماره 1
فروردین و اردیبهشت 1398
صفحه 99-108

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار