ﻲﻜﻴﻧﺎﻜﻣ و ﻲﻜﻳﺰﻴﻓ ﺐﻳاﺮﺿ دروآﺮﺑ رد يا هزﺮﻟ بﺮﺨﻣ ﺮﻴﻏ يﺎﻫ شور زا هدﺎﻔﺘﺳا نﺎﻏﺎﻧ ﻪﻘﻄﻨﻣ ﺮﺑ هﮋﻳو ﻲﺷﺮﮕﻧ ﺎﺑ ﺎﻫ ﮓﻨﺳ هدﻮﺗ هداز ﻊﻴﻔﺷ ﺎﻳدﺎﻧ

Transcript

1 بخش اول: ويژگي هاي مهندسي سنگ ها و خاك ها استفاده از روش هاي غير مخرب لرزه اي در برآورد ضرايب فيزيكي و مكانيكي توده سنگ ها با نگرشي ويژه بر منطقه ناغان ناديا شفيع زاده كارشناس ارشد مكانيك سنگ مهندسين مشاور لار چكيده: روشهاي لرزه اي يكي از دقيقترين روش هاي غير مخرب ژي وفيزيكي با توان تفكيك بالا و نفوذ زياد مي باشد. با توجه به جايگاه كاربرد روش هاي غير مخرب جهت اندازه گيري خواص و رفتار مواد در صنايع مختلف در سالهاي اخير اكتشافات ژي وفيزيكي بر پايه روش هاي لرزه اي نيز در زمينه مساي ل ژي وتكنيكي همواره حاي ز اهميت بوده است به طوريكه در طراحي سازه هاي زيرزميني جهت مطالعات امكان سنجي و نيز تعيين مشخصات تفضيلي ساختگاه جايگاه ويژه اي دارد. در اين روش با اندازه گيري سرعت امواج الاستيك ايجاد شده توسط چشمه هاي مصنوعي اطلاعات قابل توجهي جهت تفسير زمين شناسي منطقه حاصل مي شود. سرعت موج در تشكيلات مختلف زمين متفاوت بوده و تابعي از جنس دانسيته تخلخل محتواي آب و خصوصيات الاستيكي آن سازندها مي باشد. با توجه به اين تفاوت ها و تغييرات سرعت در آنها ميتوان پي به نوع و خصوصيات آنها برد. در اين تحقيق ابتدا مباني تي وريك انتشار امواج الاستيك در محيط هاي جامدو سنگي بيان مي شود و سپس نتايج حاصل از تفسير داده هاي لرزه نگاري امواج الاستيك در منطقه ناغان به عنوان مثال كاربردي اين روش مورد بحث و بررسي قرار ميگيرد.نتايج حاصل از اين تحقيق حاكي از آن است كه جنس لايه هاي تشكيل دهنده در اين منطقه بترتيب خاك نيمه متراكم خاك بسيار متراكم و سنگ نرم سنگ هاي سخت و بسيار سخت ميباشد. ساير خصوصيات ژي ومكانيكي لايه هاي مختلف موجود در اين منطقه به تفضيل در اين تحقيق بيان شده است. واژگان كليدي: سرعت امواج الاستيك روش هاي غير مخرب ضرايب الاستيك ناغان. 5

2 چهارمين كنفرانس زمين شناسي مهندسي و محيط زيست ايران 1- مقدمه امواج لرزه اي اساسي ترين پارامتر اندازه گيري در روش هاي لرزه اي بشمار مي روند. براي آشنايي بهتر با طرز كار روشهاي لرزه اي بايد بااصول فيزيكي حاكم بر مشخصات انتشار موج آشنا بود. امواج لرزه اي به امواج الاستيك مواد موسومند چرا كه اين امواج سبب تغيير شكل الاستيك مواد مي شوند. اين امواج هنگام انتشار در اجسام سبب تغيير شكل ذره اي آنها شده و سرعت سير اين تغيير شكل در اجسام مختلف بسته به خواص الاستيك و چگالي مواد متفاوت ميباشد. در اين تحقيق ابتدا با مروري كلي بر نحوه انتشار امواج الاستيك در داخل سنگ و مباني كلي روش لرزه اي ساختگاه منطقه ناغان به عنوان مثال عملي در اين راستا مورد بررسي قرار گرفته است. -مباني تي وريك انتشار امواج الاستيك امواج به دو دسته عمده امواج مكانيكي و امواج غير مكانيكي تقسيم بندي مي شوند. امواج مكانيكي به امواجي اتلاق مي شود كه براي انتشار شان وجود محيط مادي الزامي است و به امواجي كه براي انتشاربه چنين محيطي نياز نداشته باشند امواج غير مكانيكي گفته مي شود. امواج الاستيك جزء گروه اول امواج دسته بندي مي شوند. به طور كلي در صورتيكه بر الماني از محيط سنگي نيروي ي وارد شود به شرطي كه تنش حاصل از آن نيرو از حد الاستيك سنگ تجاوز ننمايد سنگ مزبور در نقطه اعمال نيرو تغيير شكل داده و ذرات آن در جهت نيروي اعمال شده و متناسب با آن تغيير شكل داده و جابه جا مي شود. از آنجايي كه ذرات تشكيل دهنده سنگ بصورت صلب فرض مي شود هرگونه جابه جايي يك ذره باعث حركت ذرات ديگر مي شود وبدين ترتيب كرنش الاستيك در داخل سنگ انتشار مي يابد. در صورتي كه فرض شود هيچ گونه اصطكاكي بين ذرات وجود نداشته باشد جابه جايي مزبور مي تواند در كل توده سنگي مورد نظر انتشار يابد. معادلات ديفرانسيل تعادل حركت موج حاصل با استفاده از قانون دوم نيوتن با فرض عدم اتلاف انرژي به صورت زير حاصل مي شود[ 1 ]: σ + + = ρ (1) σ + + = ρ ( ) σ + + = ρ ( 3) سه جزء سمت چپ اين معادلات بيانگر افزايش تنش در هر يك از محورهاي كارتزين مي باشد. در شرايط تعادل استاتيكي سمت چپ معادلات فوق صفر مي باشد ولي در معادلات فوق به علت برقراري شرايط ديناميكي سمت راست معادلات فوق برابر حاصل زمان مي باشد. t مقدار تغيير شكل u دانسيته ρ ضرب جرم در شتاب مي باشد. در معادلات فوق در صورتيكه يك موج فشاري كه در جهت محور طولي درحركت است مستقل از موقعيت قرار گيري آن در صفحه ديگردر نظر گرفته شود معادلات حركت فوق به صورت زير ساده مي شوند: 6

3 بخش اول: ويژگي هاي مهندسي سنگ ها و خاك ها σ = ρ (4) = ρ (5) = ρ (6) با استفاده از روابط تركيبي فرم هاي ديفرانسيلي مي توان سمت چپ معادلات فوق را به صورت زير بازنويسي كرد: ( λ + µ ) = ρ µ = ρ µ = ρ E و ν تعريف مي شوند. Yويا Z نوشت: X در روابط بالا λ و µ ثوابت لامه مي باشند كه بصورت تابعي از ثوابت الاستيك مواد ميتوان معادله موج يك بعدي را بر حسب جا بجايي ها براي انتشار موج در هر يك از جهات (7) ( 8) ( 9) ( 10) ( 11) ( 1) در اين روابط مي باشد و = Y = Z = سرعت هاي موج براي امواج منتشر شده در جهت و حركت ذرات در راستاهاي,, دو نوع موج تنش منتشر مي شود يكي با حركت ذرات در راستاي محور ها كه موج طولي ناميده مي شود و ديگري با حركت ذرات در راستاي يا كه موج عرضي ناميده مي شود. سرعت اين امواج به صورت زير تعريف مي گردد: V p = ( λ + µ ) / ρ V s = µ / ρ V p (1 ν ) = [ E ] ρ (1 + ν )(1 ν ) (13) ( 14) با جايگذاري روابط ثوابت لامه بر حسب ثوابت الاستيك معادلات زير حاصل مي شود: ( 15) 7

4 چهارمين كنفرانس زمين شناسي مهندسي و محيط زيست ايران V s 1 = [ E ] ρ (1 +ν ) ( 16) نسبت سرعت امواج طولي به عرضي از رابطه زير حاصل مي شود: V V s p (1 ν ) = [ ] (1 ν ) 1/ ( 17) در نمونه هاي ميله اي شكل نازك سرعت هاي امواج به صورت زير بدست مي آيند: E ( V PBAR ) = [ ] ρ 1 ( V ) = [ E SBAR ] ρ (1 +ν ) VSBAR 0.5 = [ 0.5 (1 + ν )] V PBAR (18) (19) ( 0) است. علاوه بر اين دو نوع موج حجمي (امواج طولي و عرضي) دو نوع ديگر از امواج تنشي موجودند كه به امواج سطحي موسومند. اين امواج معمولادر سطح دو محيط با خواص الاستيسيته متفاوت منتشر مي شوندو دامنه اين امواج نسبت به عمق شديدا كاهش مي يابد. اين امواج خود به دو گروه عمده امواج ريلي و امواج لاو تقسيم بندي مي شوند. نحوه انتشار امواج حجمي شامل امواج طولي و عرضي و امواج سطحي شامل امواج ريلي و امواج لاو در شكل (1) نشان داده شده شكل( 1 ) (a) امواج طولي (b) امواج عرضي (c) امواج ريلي و (d) امواج لاو[ 1 ] 8

5 وQ بخش اول: ويژگي هاي مهندسي سنگ ها و خاك ها با مشخص شدن سرعت موج طولي در لايه هاي مختلف مي توان پارامترهاي ديگري را نيز مطابق روابط موجود محاسبه و برآورد نمود. شكل () ارتباط سرعت موج طولي را با مقدار Qدر سيستم طبقه بندي سنگ ها و مدول الاستيسيته برجا نشان مي دهد. در طراحي سازه هاي زير زميني نيز مي توان با استفاده از روابط موجود مقدار فشار وارد بر سيستم نگهداري را تخمين زد. V p شكل( )ارتباط σ عمق تخلخل و مدول تغيير شكل پذيري استاتيكي برجا [] رابطه تجربي كه بين سرعت موج طولي و پارامتر زيراست: Q (1) در طرح هاي تونلسازي در سنگ سخت بدست آمده بصورت V p logq Vبر P حسب Km / s بدست خواهد آمد[ ]. در اين رابطه با مشخص بودن سرعت امواج طولي و عرضي در صورتيكه γبيانگر دانسيته توده سنگ باشد مدول يانگ ديناميك توده سنگ از رابطه زير قابل محاسبه است: 3( VP / VS ) 4 Edn = γ VS ( ) ( V / V ) 1 P S در شكل (3) نيز ارتباط بين مقادير سرعت امواج طولي مدول برجاي توده سنگ لوژن و نشان داده شده است. ( σ Q = Q ) 100 Q 9

6 چهارمين كنفرانس زمين شناسي مهندسي و محيط زيست ايران Q V P E MASS شكل( 3 ) ارتباط متقابل پارامتر هاي و عمق UL 3- مباني تي وري روش لرزه نگاري انكساري يا شكسته مرزي در روش لرزه نگاري انكساري كه كاربرد وسيعي در اكتشافات ژي وفيزيكي دارد بخش اصلي مسير موج ارسالي ايجاد شده توسط چشمه هاي مصنوعي تقريبا افقي بوده و بين دو لايه مي باشد. به عبارت ساده تر موج فرستاده شده پس از رسيدن به اولين لايه شكسته شده در سطح مشترك دو لايه حركت مي كند و در هر نقطه اي از اين سطح مشترك به سطح زمين انعكاس مي يابد و توسط ژي وفون ها دريافت مي شود[ 3 ].جهت تفسير داده هاي لرزه نگاري انكساري بر حسب شرايط روش هاي مختلفي موجود است كه در منابع [3 و] [4] به طور مبسوط به آنها پرداخته شده است. نتايج حاصل از تفسير داده هاي لرزه نگاري انكساري عبارتند از سرعت امواج طولي و عرضي تعيين چگونگي لايه بندي و ضخامت لايه ها و برآورد ضراي ب الاستيك مواد سازنده لايه ها. 4- موقعيت جغرافياي ي و زمينشناسي منطقه ناغان شهر ناغان در استان چهارمحال و بختياري با مختصات جغرافياي ي 50/74 درجه طول خاوري و 31/94 درجه عرض شمالي قرار گرفته است. ارتفاع اين محل از سطح دريا 110 متر ميباشد. از نظر زمين شناسي 30

7 بخش اول: ويژگي هاي مهندسي سنگ ها و خاك ها ساختگاهي اين محل برروي آبرفت سخت قرار گرفته است. سطح آب زيرزميني در اين منطقه حدود 5 متر ميباشد كه در فصول مختلف سال اندكي متغير است. مهمترين چشمه لرزه زا در نزديك ايستگاه شتابنگاري منطقه ناغان راندگي زاگرس مي باشد. سازو كار اين گسل راندگي با روند شمال باختري- جنوب خاوري با طول حدود 130 كيلو متر مي باشد. گسلهاي مهم ديگر عبارتند از گسل اردل كه داراي ساز و كار فشاري با روند شمال باختري- جنوب خاوري و طول حدود 80 كيلو متر است كه در شمال باختر ناغان قرار دارد. گسل شلمزار با روند شمال باختري- جنوب خاوري با 60 كيلومتر طول از ديگر گسل هاي مهمي است كه از 18 كيلو متري شمال خاوري ناغان مي گذرد[ 5 ]. 5- برنامهريزي و برداشت هاي صحرايي به منظور بررسي ساختگاه ناغان در اين محل پروفيلهاي لرزهنگاري امواج فشاري (P) و امواج برشي ) + S, S) - طراحي شده است. اين پروفيلها شامل 4 ژي وفون با فواصل 4/5 متر از يكديگر ميباشند. دو چشمه در ابتدا و انتهاي خط برداشت لرزهنگاري و چشمه ديگري بين ژي وفونهاي 1 و 13 براي امواج فشاري و در ژي وفون 13 براي امواج برشي به عنوان چشمه وسط در نظر گرفته شده است. در شوت راست و چپ فاصله چشمهها از نزديكترين ژي وفون 15 متر و در شوت وسط فاصله چشمه از نزديكترين ژي وفون در امواج فشاري /5 متر و در امواج برشي 4/5 متر ميباشد. 6- نحوه پردازش دادهها جهت پردازش دادههاي لرزهنگاري از داده هاي نگاشتي استفاده شد.براي پردازش نگاشت هاي حاصل ابتدا زمان رسيدن اولين موج به ژي وفونها قراي ت شدو نمودارهاي زمان فاصله مربوط به هر نگاشت رسم شد(اشكال (4) و (5)). با توجه به نمودارهاي حاصل و با توجه به روابط موجود جهت محاسبه سرعت و عمق لايهها ([3 و] [ 4 ])اين پارمترها برآورد شدند. شكل( 4 ) نمودارهاي زمان فاصله امواج فشاري ايستگاه ناغان 31

8 چهارمين كنفرانس زمين شناسي مهندسي و محيط زيست ايران 7- تفسير دادهها شكل( 5 ) نمودارهاي زمان فاصله امواج برشي ايستگاه ناغان. پس از تهيه نمودارهاي زمان فاصله مربوط به پروفيل هاي لرزهنگاري ايستگاه شتابنگاري منطقه ناغان اين نمودارها بر اساس مدلهاي رياضي چند لايه اي و روشهاي تفسير بعلاوه و منهاي پالمر مورد تفسير ساختاري قرار گرفته و بر اساس آن لايه هاي مختلف خاك وآبرفت و سنگ در اين ايستگاه شناسايي و تفكيك شده و ويژگيهاي كمي و كيفي هر يك از آنها برآورد شده است. نتايج حاصل از تفسير دادههاي لرزهنگاري امواج S و P منطقه ناغان در جدول (1) خلاصه شده است. در اين جدول ν و K و E و G به ترتيب نسبت پواسون مدول بالك مدول الاستيسيته و مدول برشي ميباشندكه بر اساس روابط موجود بين امواج طولي و عرضي و اين پارامترها قابل محاسبه اند. G (GPa) 0/07 جدول (1) خلاصه نتايج تفسير لرزهنگاري امواج S وp منطقه ناغان. سرعت ضراي ب الاستيكي ضخامت چگالي S P (gr/cm 3 ) (m) K E ν (m/s) (m/s) (GPa) (GPa) /75 / 0/3 0/35 0/19 لايه /9 / /3 9/7 7/5 -- 0/7 0/3 0/15 /75 7/9 18/7 / 5/8 18/7 0/87 / 9/ جنس لايه هاي تشكيل دهنده در اين منطقه بترتيب خاك نيمه متراكم خاك بسيار متراكم و سنگ نرم سنگ هاي سخت و بسيار سخت مي باشد. 3

9 و] بخش اول: ويژگي هاي مهندسي سنگ ها و خاك ها 8- نتيجه گيري نتايج حاصل از اين تحقيق و تحقيقات مشابه بيانگر اين مطلب است كه روش هاي ژي وفيزيكي و به خصوص روش لرزه نگاري انكساري به عنوان يكي از روش هاي غير مخرب جهت اندازه گيري سرعت امواج طولي و برشي يك روش سريع و كم هزينه و در عين حال قابل استناد است. همانگونه كه مشاهده شد با مشخص بودن سرعت امواج طولي وبرشي لايههاي مختلف يك ساختگاه مورد بررسي ميتوان پارامترهاي متفاوتي را كه محاسبه آنها به روش مستقيم نياز به صرف هزينههاي هنگفتي دارد به سادگي برآورد نمود. علاوه بر آن بر اساس نتايج حاصل از تفسير داده هاي لرزه اي و با تلفيق آن با روش هاي ژي والكتريك ميتوان راجع به نحوه لايه بندي در منطقه و نيز نوع لايه ها نتيجه گيري كلي داشت كه بعد از حفاري هاي اكتشافي در منطقه مي توان آن را تدقيق نمود. همچنين بر اساس ميزان سرعت موج برشي و طبق استاندارد 800 مركز تحقيقات ساختمان و مسكن ايران ميتوان ساختگاه مورد بررسي را از لحاظ ژي وتكنيك لرزه اي تقسيم بندي گروهي كرد كه طبق اين استاندارد منطقه ناغان در گروه اول جاي ميگيرد.با مقايسه سرعتهاي امواج طولي و برشي موجود در جدول( 1 ) نتايج زيرحاصل ميشود:لايه اول در اين منطقه با سرعت هاي موج طولي و بررسي به ترتيب 450 و 00 متر بر ثانيه متشكل از خاك نيمه متراكم ميباشد. لايه دوم با سرعت موج طولي 100 متر بر ثانيه و موج برشي 675 متر بر ثانيه از نوع خاك بسيار متراكم بوده و نيز ميتواندجزء سنگهاي نرم گروه بندي شود. لايه هاي سوم و چهارم نيز با توجه به محدوده سرعت امواج الاستيك جزء لايه بندي با سنگهاي سخت مي باشد. حال با مقايسه نتايج بدست آمده از طريق گروه بندي منطقه بر اساس آيين نامه 800 و از طريق مقايسه ميزان سرعت ها با محدوده سرعت امواج سنگ هابا نوع جنس و منشاء مختلف([ 3 [4]) ديده مي شود كه نتايج با هم همخواني خوبي دارند و در كل با توجه به زمين شناسي محلي ناغان منطقه از لحاظ لايه بندي و مواد متشكله داراي سنگهاي سخت و متراكم مانند آبرفت هاي بسيار سخت مي باشد كه مقادير مدولهاي ديناميكي بدست آمده نيز اين نتايج را تاييد ميكند. 9- منابع 1. Hudson, J. A., Harrison, J. F., 000, Engineering Rock Mechanics, Elsevier Science Ltd, London, UK.. Barton, N., 00, Some New Q-Value orrelations to Assist in Site haracteriation and Tunnel Design, Int.J.R.Mech.Mining.Sci. 39, Telford, W.M., Gel dart, L.P., Sheriff, R.E., 1990, "Applied Geophsics", Second Edition, ombridge Universit Press, USA. 4. Mares, S., 1984, "Introduction to Applied Geophsics", Facult of Science, harles Universit, Prague. 5. Kear, P., Brooks, M., 1991, "An Introduction to Geophsical Eploration", Scientific Publication, Oford. 6. رمضي حميدرضا 1376 «دادههاي پايه شتابنگاشتهاي شبكه شتابنگاري كشور» مركز تحقيقات ساختمان و مسكن نشريه شماره