Contribution of applied geophysics to soil characterization and evaluation in stations of the national acceleration-sensor network = Συμβολή μεθόδων εφαρμοσμένης γεωφυσικής στον εδαφικό χαρακτηρισμό και τεκμηρίωση σε θέσεις του εθνικού δικτύου επιταχυνσιογράφων

Περίληψη

The strong correlation of earthquake damage and local geological conditions is clearly depicted in several studies. This correlation is the basis of the subsurface exploration studies for site characterization since adequate knowledge of the geophysical and/or geotechnical subsurface structure leads to realistic mitigation of the seismic risk. The estimation of the S-waves velocity of the topmost 30m of the subsurface (VS30) has been recognized as the main parameter for site characterization. While its use has been incorporated into several building codes, obtaining VS estimates remains a challenging task, especially in urban environments. Most VS estimation methods use active source acquisition techniques either in boreholes (downhole/crosshole methods) or surface methods (e.g., seismic refraction, MASW etc.). In each case, the time and cost of the application is large, especially when using boreholes and significant limitations apply in demanding environments. In the last decades, ambient noise is greatly utilized in site characterization by estimating the VS profile and providing information regarding the seismic response of the shallow formations. The main aim of this dissertation is the examination of single-station HVSR curve inversion to estimate 1D VS structures for the calculation of the VS30.Inversion of HVSR was based on the diffuse field assumption (DFA) (Sánchez-Sesma, F.J. et al., 2011a.) which implies the connection between the HVSR and the elastodynamic Green’s function. While ambient noise data acquisition is immensely cost-effective, HVSR inversion is subject to the solution non-uniqueness issue providing ambiguous results. To provide a possible solution for this matter, geophysical methods are applied to derive information regarding the shallow subsurface structure and incorporate it in the inversion. Tests were conducted with and without this information to explore how it facilitates the inversion procedure. The proposed methodology was applied at 6 accelerometric sites in the city of Thessaloniki, northern Greece, with different geological conditions. The electrical resistivity tomography method (ERT) was applied to distinguish subsurface layers based on their electrical resistivity. Active-source seismic data were acquired to estimate the shallow 1D VS profile and were analyzed with the seismic refraction and multichannel analysis of surface waves (MASW) methods. The ambient noise array technique was implemented to provide a large number of ambient noise recordings for selective HVSR curve computation. The passive data were also processed with the f-k method to extract the Rayleigh wave dispersion curve which was then inverted to provide a robust VSZ profile. The reliability of the obtained 1D VSΖ profiles was validated by direct comparison with the existing downhole measurements (available at 3 sites) and the ambient noise array results at each site.  Moreover, the VS30 was calculated to classify the investigation sites according to the Eurocode 8 regulations. Finally, synthetic ambient noise recordings were generated based on the final VSZ profiles derived from HVSR inversion and were analyzed with the HVSR method. Synthetic HVSR was compared with observed ambient noise HVSR and single-station earthquake HVSR at each site, validating the adopted structures.

Η ισχυρή συσχέτιση μεταξύ του καταστροφικού αποτελέσματος ενός σεισμού και των τοπικών γεωλογικών συνθηκών αποτυπώνεται ξεκάθαρα σε αρκετές μελετών. Η συσχέτιση αυτή αποτελεί τη βάση για τη διερεύνηση της υπεδάφιας δομής με σκοπό τον εδαφικό χαρακτηρισμό, καθώς η επαρκής γνώση της γεωφυσικής ή/και γεωτεχνικής δομής του υπεδάφους μπορεί να οδηγήσει σε αντιμετώπιση του σεισμικού κινδύνου ως ένα βαθμό. Η μέση ταχύτητα των S-κυμάτων των πρώτων 30m του υπεδάφους (VS30) θεωρείται η κύρια παράμετρος για την κατηγοριοποίηση των εδαφών. Παρά την αξιοποίηση της παραμέτρου αυτής από πληθώρα αντισεισμικών κανονισμών, ο υπολογισμός προφίλ ταχυτήτων S-κυμάτων με το βάθος (VSZ) παραμένει μια απαιτητική διαδικασία, ειδικότερα σε αστικά περιβάλλοντα. Οι πιο συνήθεις μέθοδοι για τον υπολογισμό των VSZ περιλαμβάνουν τη χρήση τεχνητών πηγών για τη λήψη σεισμικών καταγραφών είτε μέσα σε γεωτρήσεις (downhole, crosshole) ή στην επιφάνεια της Γης (π.χ. σεισμική διάθλαση, MASW κλπ). Σε κάθε περίπτωση, η εφαρμογή των μεθόδων αυτών είναι δαπανηρή και χρονοβόρα, ειδικά όταν πραγματοποιούνται σε γεωτρήσεις, και η εφαρμογή της σε αστικά περιβάλλοντα περιορίζεται σημαντικά. Τις τελευταίες δεκαετίες, αξιοποιείται όλο και περισσότερο ο εδαφικός θόρυβος στον εδαφικό χαρακτηρισμό με υπολογισμό των VSZ μέσω της ανάλυσης επιφανειακών κυμάτων παρέχοντας επίσης πληροφορίες για την απόκριση των επιφανειακών σχηματισμών στη σεισμική κίνηση. Ο κύριος στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι ο προσδιορισμός συγκεκριμένης μεθοδολογίας για εκτίμηση 1D VSZ προφίλ από αντιστροφή καμπυλών HVSR, και τον προσδιορισμό της VS30 για χρήση στον εδαφικό χαρακτηρισμό. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε διερεύνηση της αντιστροφής καμπύλης HVSR εδαφικού θορύβου από καταγραφές ενός σταθμού για 1D δομή VSZ. Η αντιστροφή των καμπυλών HVSR βασίστηκε στη θεωρία Diffuse Field Assumption (DFA) που προτάθηκε από τους Sánchez-Sesma, et al., 2011 στην οποία βασίζεται η συσχέτιση μεταξύ του HVSR και των συναρτήσεων Green του μέσου διάδοσης. Ενώ η συλλογή καταγραφών εδαφικού θορύβου είναι σημαντικά οικονομική, η αντιστροφή HVSR εμπίπτει στο πρόβλημα της μη-μοναδικότητας της λύσης. Για την αντιμετώπιση του οποίου πραγματοποιήθηκε εφαρμογή γεωφυσικών μεθόδων επιφανείας για τη δημιουργία ενός αξιόπιστου αρχικού μοντέλου. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε διερεύνηση αξιοποίησης αυτού του μοντέλου και η επινόηση στρατηγικής αντιστροφής. Η μεθοδολογία εφαρμόσθηκε σε 6 θέσεις του εθνικού δικτύου επιταχυνσιογράφων στην πόλη της Θεσσαλονίκης (Β. Ελλάδα), με διαφορετικές γεωλογικές συνθήκες. Οι γεωφυσικές μέθοδοι που εφαρμόσθηκαν είναι η Τομογραφία Ηλεκτρικής Αντίστασης (ERT) για την αναγνώριση υπεδάφιων στρωμάτων βάσει της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης, καθώς και οι μέθοδοι της σεισμικής διάθλασης και της Πολυκαναλικής Ανάλυσης Επιφανειακών Κυμάτων (MASW) για την απόκτηση επιφανειακών προφίλ σεισμικών ταχυτήτων. Η τεχνική δικτύου εδαφικού θορύβου εφαρμόσθηκε για να παράξει μεγάλο αριθμό καμπυλών HVSR και να αποτελέσει μια αξιόπιστη σύγκριση με το τελικό αποτέλεσμα της αντιστροφής HVSR. Η αξιοπιστία των 1D VSZ προφίλ επιβεβαιώθηκε συγκρίνοντας τα με προφίλ VSZ από υπάρχουσες downhole και από το δίκτυο εδαφικού θορύβου. Επιπλέον, εξάχθηκαν τιμές VS30 για την κατηγοριοποίηση κάθε θέσης με βάση του κανονισμούς του Ευρωκώδικα 8. Τέλος, δημιουργήθηκαν συνθετικές καταγραφές εδαφικού θορύβου με βάση την τελική δομή που προέκυψε από την αντιστροφή HVSR σε κάθε θέση. Συνθετικές καμπύλες HVSR συγκρίθηκαν επιτυχώς με καμπύλες εδαφικού θορύβου και HVSR καταγραφών σεισμών σε κάθε θέση, επιβεβαιώνοντας την τελική δομή.