Một số vấn đề của phương pháp tỷ số h v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ THU MỘT SỐ VẤN ĐỀ CỦA PHƯƠNG PHÁP TỶ SỐ H/V LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ THU MỘT SỐ VẤN ĐỀ CỦA PHƯƠNG PHÁP TỶ SỐ H/V Mã số: 60440107 Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN THANH TUẤN Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn TS Trần Thanh Tuấn, người giao đề tài quan tâm, tận tình hướng dẫn em suốt trình thực luận văn Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới nhóm Seminar môn Cơ học PGS TS Phạm Chí Vĩnh chủ trì, toàn thể thầy cô giáo khoa Toán - Cơ - Tin học, trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội dạy bảo, cung cấp kiến thức bổ ích cho em suốt trình học tập nghiên cứu khoa Em xin cảm ơn thầy, cô giáo, cán Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại Học Quốc Gia Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi trình thực luận văn Nhân dịp này, em cảm ơn gia đình, bạn bè động viên, tạo điều kiện cho em suốt trình học tập thực luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Học viên Nguyễn Thị Thu Mục Lục Lời mở đầu Chương 1: Giới thiệu phương pháp hệ số phản xạ khúc xạ R/TError! Bookmark not defined 1.1 Dạng ma trận phương trình Error! Bookmark not defined 1.2 Hệ số phản xạ, khúc xạ R/T tổng quát hóa sóng thành phần Error! Bookmark not defined 1.3 Hệ số phản xạ, khúc xạ R/T tổng quát hóa sóng hai thành phần Error! Bookmark not defined 1.4 Kết luận chương Error! Bookmark not defined Chương 2: Hệ số khuếch đại sóng khối thành phầnError! Bookmark not defined 2.1 Hàm phản ứng lớp sóng SH Error! Bookmark not defined 2.2 Hệ số khuếch đại sóng P truyền theo phương thẳng đứng Error! Bookmark not defined 2.3 Kết luận Chương Error! Bookmark not defined Chương 3: Tỷ số H/V sóng mặt Rayleigh Error! Bookmark not defined 3.1 Phương trình tán sắc sóng Rayleigh Error! Bookmark not defined 3.2 Tỷ số H/V sóng mặt Rayleigh Error! Bookmark not defined 3.3 Kết luận chương Error! Bookmark not defined Chương 4: Kết tính toán số kết luận Error! Bookmark not defined Kết luận Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo .11 Danh mục công trình khoa học công bố 13 Phụ lục: Matlab code Error! Bookmark not defined Lời mở đầu Động đất mối nguy hiểm thiên nhiên lớn tác động đến sống người Trong lịch sử, tàn phá vô số thành phố làng mạc giới gây chết hàng trăm nghìn người Nói chung, trận động đất phá hỏng công trình theo ba cách khác nhau: cách gây phá hủy mặt đất (làm mặt đất bị nứt, bị lún, sạt lở đất,…), cách tạo hiệu ứng gián tiếp làm ảnh hưởng đến công trình (như sóng thần, gây hỏa hoạn đường ống dẫn gas bị vỡ,…), cách làm mặt đất bị rung lắc làm cho công trình xây dựng bị sụp đổ Những tác động động đất miêu tả chi tiết với các kiện xảy khứ nhiều sách chuyên khảo, ví dụ Villaverde (2009) [1] Trong ba cách ảnh hưởng này, ảnh hưởng mặt đất bị rung lắc coi ảnh hưởng nguy hiểm tác động lên công trình Trong trận động đất, biết, mặt đất bị dịch chuyển theo chiều dọc chiều ngang mạnh nhanh theo thời gian Chuyển động làm cho công trình nằm mặt đất dao động lắc qua lắc lại lên xuống làm cho chịu ứng suất biến dạng lớn trình Nếu đủ mạnh, việc mặt đất rung lắc gây sụp đổ phần toàn cấu trúc công trình Cường độ trận động đất địa điểm phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác khoảng cách từ tâm chấn tới địa điểm đó, vào loại đứt gãy sinh động đất, vào diện tích mặt đứt gãy, vào tính chất địa chất địa tầng địa điểm bị tác động động đất, vân vân Ví dụ như, khoảng cách từ tâm chấn trận động đất tới vùng đất chịu tác động ảnh hưởng đến loại sóng truyền từ tâm chấn đến vùng đất (sóng mặt sóng khối) Các mặt đứt gẫy sinh động đất khác tạo loại sóng khối động đất khác truyền tới miền ảnh hưởng (sóng P sóng S), diện tích mặt đứt gẫy ảnh hưởng đến cường độ thời gian tác động sóng động đất Tuy nhiên, ngày thực tế cho thấy đặc điểm địa hình đặc tính địa tầng có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất sóng trận động đất Điều quan sát từ nhiều trận động đất khác mà tòa nhà nằm bề mặt lớp đá chịu nhiều ảnh hưởng tòa nhà xây dựng địa tầng trẻ Lý tượng ngày hiểu rõ Đó địa tầng trẻ hình thành mềm điều làm cho dễ dàng dao động động giống cấu trúc linh hoạt không vật thể hoàn toàn cứng địa tầng cứng cấu tạo hoàn toàn lớp đá hình thành từ lâu Trong lĩnh vực địa chấn công trình, tỷ số khuếch đại sóng ngang đến từ địa tầng gây lớp mềm hàm phụ thuộc vào tần số sóng tới gọi hàm ảnh hưởng Một thách thức chủ yếu việc nghiên cứu tượng xác định tần số cộng hưởng làm cho địa tầng bị dao động mạnh hay nói cách khác tìm tần số đạt cực đại hàm ảnh hưởng Khó khăn việc đo đạc hàm ảnh hưởng cần phải đo biên độ phổ dao động theo phương nằm ngang bề mặt địa tầng cứng (hay đáy địa tầng mềm) Một phương pháp cổ điển để thực việc phương pháp khoan thăm dò Tuy nhiên để biết toàn hàm ảnh hưởng cho khu vực cần khoan thăm dò nhiều điểm mà phương pháp cần nhiều thời gian tốn kém, chưa kể gây ảnh hưởng định tới môi trường Do phương pháp đơn giản, dễ thực tốn cần thiết Đó phương pháp tỷ số H/V thực vài chục năm gần Hình Cấu tạo địa hình điển hình địa tầng (Hình Nakamura, 2000 [5]) Phương pháp tỷ số H/V (Horizontal to Vertical) đề xuất Nogoshi Igarashi (1970 [2], 1971 [3]) phát triển Nakamura (1989 [4], 2000 [5], 2008 [6]) Ý tưởng phương pháp đo phổ chuyển dịch ngang dọc nhiễu động bề mặt trái đất để tính toán đường cong phổ tỷ số H/V phụ thuộc vào tần số Đường cong tỷ số H/V xấp xỉ đường cong hàm ảnh hưởng theo lập luận Nakamura sau: - Các nhiễu động đo đạc bề mặt trái đất có nguồn gốc từ trận động đất nhỏ liên tục xảy bề mặt trái đất Các nhiễu động nhỏ dạng loại sóng khối khác - Các nhiễu động đo đạc bị ảnh hưởng nhiễu động nhân tạo gây nguồn bề mặt trái đất hoạt động người (ví dụ nhà máy, phương tiện giao thông, …) Các nhiễu động nhân tạo thường truyền dạng sóng mặt Rayleigh Vì sóng mặt Rayleigh tập trung bề mặt nên nhiễu động ảnh hưởng đến phổ chuyển dịch bề mặt lớp mà không ảnh hưởng đến phổ chuyển dịch bề mặt bán không gian - Thành phần nằm ngang nhiễu động đo bề mặt trái đất thành phần nằm ngang nhiễu động bán không gian lớp bề mặt khuếch đại dạng sóng SH Tương tự, thành phần thẳng đứng sóng P khuếch đại lớp - Do sóng khối truyền bán không gian (là đá cứng) từ tâm chấn bị tán xạ nguồn tán xạ địa phương nên coi thành phần nằm ngang thành phần thẳng đứng bề mặt bán không gian có biên độ Giả thiết kiểm tra cách đo tỷ số H/V điểm bề mặt trái đất mà không nằm địa tầng mềm (ví dụ đỉnh núi) có giá trị xấp xỉ - (GT1) Giả thiết Nakamura sóng P không bị khuếch đại lớp với lý sóng P có vận tốc truyền sóng lớn độ dày lớp nhỏ Điều xảy việc sóng P bị phản xạ nhiều lần lớp - (GT2) Giả thiết thứ hai Nakamura ảnh hưởng sóng Rayleigh tới phổ chuyển chuyển dịch theo phương ngang theo phương thẳng đứng - Hàm ảnh hưởng lớp định nghĩa sau: ST  H S / H B (0.1) H B phổ chuyển dịch theo phương ngang mặt bán không gian, H S đại lượng bị khuếch đại lớp Chữ “H” nghĩa “Horizontal- theo phương ngang” Chữ “S” có nghĩa “Surface ground” chữ “B” nghĩa “Basement ground” - Tuy nhiên, ảnh hưởng sóng mặt Rayleigh nên phổ chuyển dịch theo phương ngang thực đo đạc bề mặt trái đất H S mà H F  AH H B  H S , AH hệ số khuếch đại sóng ngang - Do đó, Nakamura đưa công thức cho hàm ảnh hưởng để loại bỏ ảnh hưởng sóng mặt Rayleigh sau: STT  ST / ES (0.2) ES  VF / VB (0.3) ảnh hưởng sóng mặt Rayleigh lên thành phần thẳng đứng phổ chuyển dịch - Do giả thiết GT2 giả thiết VB H B nên hàm ES ảnh hưởng sóng Rayleigh lên thành phần nằm ngang phổ chuyển dịch Do công thức (0.2) công thức hàm ảnh hưởng (0.1) loại trừ ảnh hưởng sóng nhiễu người gây dạng sóng mặt Rayleigh - Công thức (0.2) viết lại dạng: STT  RS / RB (0.4) STT  RS (0.5) với RS  H F / VF RB  H B / VB - Do RB nên Điều có nghĩa hàm ảnh hưởng của lớp bề mặt đánh giá từ nhiễu động đo bề mặt Nói cách khác tính chất nhiễu động theo phương thẳng đứng bề mặt giống tính chất nhiễu động theo phương ngang bán không gian nên thay Do vậy, nói RS hàm ảnh hưởng ST bao gồm ảnh hưởng sóng mặt Rayleigh người tạo Như với lập luận Nakamura (1989) [4] hàm ảnh hưởng dễ dàng đo đạc phổ nhiễu động bề mặt trái đất Đã có nhiều liệu đo đạc thực tế mô nhiều trường hợp giả thiết Nakamura đắn có nhiều trường hợp không phù hợp Có quan điểm khác chất tỷ số H/V bề mặt trái đất Đó tỷ số H/V liên quan đến tỷ số H/V mode sóng mặt Rayleigh (ví dụ xem Bard, 1998 [7]) Quan điểm nhiều nhà nghiên cứu đồng ý sử dụng nghiên cứu Đã có nhiều tranh luận hai quan điểm Tuy nhiên tranh luận tập trung vào hệ số khuếch đại cực đại (ví dụ xem Fah cộng sự, 2001 [8]) có giá trị khác theo hai quan điểm Mặc dù hai quan điểm cho tần số điểm cực đại hàm ảnh hưởng gần dựa nhiều thí nghiệm đo đạc tính toán mô Trong luận văn cao học này, hai giả thiết (GT1 GT2) Nakamura kiểm tra cho mô hình nhiều lớp đặt bán không gian phương pháp hệ số phản xạ khúc xạ tổng quát (Chen, 1993 [9]) Luận văn lập công thức tính toán so sánh hàm ảnh hưởng lớp hàm tỷ số H/V sóng mặt Rayleigh để kiểm tra tần số điểm cực đại hai hàm có giá trị gần hay không Luận văn bao gồm phần mở đầu, kết luận bốn chương Chương 1: Giới thiệu phương pháp hệ số phản xạ khúc xạ R/T Chương giới thiệu công thức phương pháp R/T cho sóng thành phần (SH) sóng hai thành phần (P-SV) dùng để tính hàm ảnh hưởng hàm tỷ số H/V sóng mặt Rayleigh Chương 2: Hệ số khuếch đại sóng khối thành phần Chương sử dụng phương pháp phản xạ khúc xạ R/T để tìm hàm khuếch đại sóng SH sóng P truyền từ bán không gian vuông góc với lớp bề mặt Hai hàm khuếch đại khảo sát để tính hàm ảnh hưởng lớp kiểm tra giả thiết (GT1) Nakamura cho khuếch đại sóng P Chương 3: Tỷ số H/V sóng mặt Rayleigh Chương sử dụng phương pháp phản xạ khúc xạ R/T để tìm hàm tỷ số H/V sóng mặt Rayleigh truyền mô hình nhiều lớp từ kiểm tra giả thiết (GT2) Nakamura Điểm cực đại đường cong tỷ số nghiên cứu để so sánh với điểm cực đại hàm ảnh hưởng lớp Chương Chương 4: Kết tính toán số kết luận Chương nghiên cứu số mô hình cụ thể Thụy Sỹ mà khảo sát phương pháp tỷ số H/V thực tế Các kết đo đạc thực tế so sánh kiểm tra với kết nghiên cứu chương 10 Tài liệu tham khảo [1] Roberto Villarvede (2009) Fundamental Concepts of Earthquake Engineering CRC Press [2] Nogoshi, M and T Igarashi, (1970) On the propagation characteristics of microtremors J Seism Soc Japan, 23, 264-280 [3] Nogoshi, M and Igarashi, T (1971) On the Amplitude Characteristics of Microtremor (Part 2) (in Japanese with English abstract) Jour Seism Soc Japan, 24, pp 26-40 [4] Nakamura, Y (1989) A Method for Dynamic Characteristics Estimation of Subsurface using Microtremor on the Ground Surface Quarterly Report of Railway Technical Research Institute (RTRI), Vol 30, No.1 [5] Nakamura, Y (2000) Clear identification of fundamental idea of Nakamura’s technique and its applications Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Engineering, Aucklan; New Zealand [6] Nakamura, Y (2008) On the H/V spectrum Proceedings of the 14thWorld Conference on Earthquake Engineering, Beijing, China [7] Bard P.Y (1998) Microtremor Measurements: A Tool For Site Effect Estimation Manuscript for Proc of 2nd International Symposium on the Effect of Surface Geology on Seismic Motion, Yokohama, Japan, 1-3 Dec, 1998 [8] Fah D., Kind F., Giardini D., (2001) A theoretical investigation of average H/V ratios Geophys, J Int., 145, pp 535-549 [9] Xiaofei Chen (1993) A systematic and efficient method of computing normal modes for multilayered half-space Geophys J Int., 115, pp 391-409 [10] Thomson, W T., (1950) Transmission of elastic waves through a stratified 11 solid medium J uppl Phys., 21, pp 89-93 [11] Haskell, N A., (1953) The dispersion of surface waves on multilayered media Bull seism Soc Am., 43, pp 17-34 [12] Herrmann R B (1994) Computer programs in seismology, vol IV, St Louis University [13] Aki, K and Richards, P G (1980) Quantitative Seismology: Theory and Methods W H Freeman, San Francisco [14] Luco, J E and Apsel, R J., (1983) On the Green's function for a layered halfspace, Part I Bull seism SOC Am., 73, pp 909-929 12 Danh mục công trình khoa học công bố Tran Thanh Tuan, Raul Palau Clares, Truong Thi Thuy Dung, Nguyen Thi Thu and Tran Ngoc Trung, Amplification of the surface layer to the body waves, International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA-3) (2014), pp 588 - 594 13 [...]... pp 17-34 [12] Herrmann R B (1994) Computer programs in seismology, vol IV, St Louis University [13] Aki, K and Richards, P G (1980) Quantitative Seismology: Theory and Methods W H Freeman, San Francisco [14] Luco, J E and Apsel, R J., (1983) On the Green's function for a layered halfspace, Part I Bull seism SOC Am., 73, pp 909-929 12 Danh mục các công trình khoa h c đã công bố Tran Thanh Tuan, Raul...Tài liệu tham khảo [1] Roberto Villarvede (2009) Fundamental Concepts of Earthquake Engineering CRC Press [2] Nogoshi, M and T Igarashi, (1970) On the propagation characteristics of microtremors J Seism Soc Japan, 23, 264-280 [3] Nogoshi, M and Igarashi, T (1971) On the Amplitude Characteristics of Microtremor (Part 2) (in Japanese with English abstract) Jour Seism Soc Japan,... On the H/ V spectrum Proceedings of the 14thWorld Conference on Earthquake Engineering, Beijing, China [7] Bard P.Y (1998) Microtremor Measurements: A Tool For Site Effect Estimation Manuscript for Proc of 2nd International Symposium on the Effect of Surface Geology on Seismic Motion, Yokohama, Japan, 1-3 Dec, 1998 [8] Fah D., Kind F., Giardini D., (2001) A theoretical investigation of average H/ V ratios... of average H/ V ratios Geophys, J Int., 145, pp 535-549 [9] Xiaofei Chen (1993) A systematic and efficient method of computing normal modes for multilayered half-space Geophys J Int., 115, pp 391-409 [10] Thomson, W T., (1950) Transmission of elastic waves through a stratified 11 solid medium J uppl Phys., 21, pp 89-93 [11] Haskell, N A., (1953) The dispersion of surface waves on multilayered media... Method for Dynamic Characteristics Estimation of Subsurface using Microtremor on the Ground Surface Quarterly Report of Railway Technical Research Institute (RTRI), Vol 30, No.1 [5] Nakamura, Y (2000) Clear identification of fundamental idea of Nakamura’s technique and its applications Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Engineering, Aucklan; New Zealand [6] Nakamura, Y (2008) On the... I Bull seism SOC Am., 73, pp 909-929 12 Danh mục các công trình khoa h c đã công bố Tran Thanh Tuan, Raul Palau Clares, Truong Thi Thuy Dung, Nguyen Thi Thu and Tran Ngoc Trung, Amplification of the surface layer to the body waves, International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA-3) (2014), pp 588 - 594 13