A helyi geológiai és altalaj viszonyok módosító hatásának meghatározása

A szeizmikus veszélyeztetettségi számítások a gyorsulás értékeket és a válasz-spektrumot az un. alapkőzet felszínére határozzák meg.

Mérnöki értelemben alapkőzetnek általában azt az anyagot tekintik, melyben a transzverzális hullámok terjedési sebessége meghaladja a 700m/s-ot.

A felszínközeli laza talajrétegek - melyekben a hullám terjedési sebessége is kisebb - jelentősen módosíthatják, növelhetik a felszínen keltett gyorsulásokat, megváltoztatják a mozgás frekvencia összetételét. Emellett ha laza, homokos, vizes rétegek találhatók a felszínhez közel, erősebb rengés esetén előfordulhat azok elfolyósodása.
Ezért egy adott hely földrengés veszélyeztetettségének pontosabb meghatározásakor el kell végezni az altalaj módosító hatásának vizsgálatát is.
Ez történhet empirikus módon, közvetlen gyorsulás mérésekkel vagy numerikus modellezéssel. Az empirikus módszer magas szeizmicitású és változatos geológiájú területeken alkalmazható sikeresen. Magyarországon inkább a numerikus modellezést alkalmazzuk. Ehhez ismerni kell a területen a felszínhez közeli rétegek geometriai és rugalmas paramétereit, melyek különböző geofizikai és geotechnikai mérésekkel határozhatók meg.

A módosító hatás számítási módszere

Az altalaj dinamikai viselkedésének numerikus modellezése nem egyszerû feladat az erózió, az üledékképződési és és más geológiai folyamatok által alakított sokféle anyag és szabálytalan alakú geológiai képződmény miatt. A jelenség modellezésekor közelítésekkel kell élni. Leggyakrabban a laza felszínközeli üledék rétegeket homogén, sík rétegekkel modellezzük, és vertikálisan felfelé haladó térhullámokat, azon belül is transzverzális (S) hullámokat vizsgálunk. A rétegzettségnek ez a közelítése sokszor - különösen nagy kiterjedésű üledékes területeken, medencékben, mint Magyarország - jónak bizonyul.

Bemenő adatok:
A módszer egy konkrét valószínűségi szinten az alapkõzetre (determinisztikusan vagy valószínűségi módszerrel) meghatározott legnagyobb gyorsulások és válasz-spektrumok ismeretéből indul ki. Ezenkívül meg kell határozni különböző geofizikai és geotechnikai mérésekkel az altalaj rugalmas jellemzőit, azaz sebesség és sűrűség viszonyait, csillapítását. Nagyobb gyorsulás szinteknél a talaj nemlineáris viselkedésének fokát - ahol elfolyósodásra hajlamos rétegek találhatók, ott egyéb jellemzőket is, mint például a talajvízszintet, a relatív sűrűséget, a szemcseméret eloszlást, a vízáteresztõ képességet - is meg kell határozni.

Analízis:
Első lépésben kiválasztunk egy olyan földrengés regisztrátumot, melynek maximális gyorsulása megegyezik, spektruma pedig jól illeszkedik az alapkőzetre meghatározott gyorsuláséval. A kiválasztás történhet valódi rengések adatbázisából, vagy használhatók mesterségesen elõállítottak.
A rétegsort egy egydimenziós csillapított rezgő rendszerként modellezzük, és annak válaszát számítjuk a felszínen úgy, hogy a kiválasztott földrengést használjuk bemeneti (alapkőzetre vonatkoztatott) mozgásként.
Az alkalmazott módszer az alapkőzeti gyorsulás nagyságától és a rétegsortól függően különbözõ bonyolultságú lehet, a legegyszerûbb lineáristól, a talajfolyósodást is figyelembe vevõ nemlineáris effektív feszültség analízisig.
Eredmények:
Az analízis erdménye az adott valószínűségi szinten a felszínre vonatkozó maximális gyorsulás, egyenlő valószínűségű válasz-spektrum és a rétegsor módosító hatását a frekvencia függvényében ábrázoló spektrális arány görbe.

A fenti eljárás egy konkrét rétegsorra, egy földrengésgyorsulás-időfüggvénnyel, mint bemenettel számított felszíni gyorsulás, válaszspektrum és spektrális arány meghatározását mutatja be.
Gyakorlatban az átvitel meghatározását egy adott valószínűségi szinten is legalább 3 földrengés akcelerogrammal, és az azokkal kapott eredmények átlagolásával végezzük.
A talaj rugalmas paramétereinek, a talajvízszint bizonytalanságainak figyelembe vétele a számítás többszöri megismétlésével, logikai fa segítségével - az eredményekhez valószínűségi súlyokat rendelve - történik.

Oldalirányú inhomogenitások hatásai

Ha a domborzat és az altalaj horizontális irányban sokat változik, figyelembe kell venni a laterális inhomogenitások hatásait is. Ezek meghatározása két vagy három dimenziós numerikus modellezésekkel történik. Az eredményekbõl levonható legfontosabb következtetések:

  • Üledékkel kitöltött völgyek és medencék fókuszálják a földrengéshullámok energiáját. A völgy rezonancia frekvenciája a völgy alakjától, nagysága az impedancia kontraszttól és az alaktól egyaránt függ.
  • Helyi rezonanciát okoznak az alapkőzet felszínén található bemélyedések is. Ezzel szemben az alapkőzet kiemelkedései felett található helyeken a mozgások kisebbek, ugyanis ez szétszórja a földrengéshullámokat.
  • Ha egy üledékkel töltött medence szélén hegy vagy domb helyezkedik el, az megnöveli a völgy által egyébként is okozott nagyítást. A nagyítás a horizontális mozgásban nyilvánul meg, a vertikálisban nem.
  • A medencék szélein az alapkőzet dőlésszögének fontos szerepe van a maximális gyorsulás nagyságának, valamint a befolyásolt terület kiterjedésének meghatározásában.
  • Laza üledékkel fedett, felszín alatti éles laterális diszkontinuitásoknál (aljzatbeli lépcső) az egy dimenziós vertikális rezonancia mellett fellép a diszkontinuitástól a lazább oldal felé kiinduló diffrakciós hullámok nagyító hatása is, mellyel egy tekintélyes differenciális mozgás jár együtt.