異なる地盤におけるPSSI効果を考慮した炭鉱竪坑塔構造の地震応答解析

なぜ地下塔と地震が重要なのか

深部の炭鉱では、地下深くから人や石炭を揚げるために地上に高いコンクリート製の竪坑塔が設けられています。これらの塔は、層状の土と岩に伸びる基礎の上に建っています。地震が発生すると、塔自体が揺れるだけでなく、杭や周囲の地盤も動き、これらは相互に影響し合います。本研究は実務的で安全性やコストに直結する問いを扱います。すなわち、地盤・杭・塔の間に存在するこの見えない相互作用は、竪坑塔の地震時挙動をどの程度変え、現在の設計規準がある場所では過大あるいは過小評価になっていないか、という点です。

塔・杭・地盤が一体となって動く仕組み

著者らは高さ約90 mの現代的な大型炭鉱竪坑塔を対象とし、杭筏基礎が垂直なコンクリート竪坑と剛的に接続されているモデルを扱います。基礎を完全に固定されたものと仮定する代わりに、塔、杭、筏、竪坑、および層状地盤を一つの連成系として扱います。既存の物理モデルを用い、この複雑な構成を、各部材が曲げ、揺れ、滑る挙動を模擬できるばね・質量・ダンパーの系に簡略化します。次に、塔の各階の運動と埋設基礎や周囲地盤の運動を結びつける運動方程式を導出し、独自のMATLABコードで数値的に解きます。

現実的な地震動と地盤条件での試験

この連成挙動が実際にどのように現れるかを確認するために、研究チームは中国安徽省の実際の鉱山を事例として用います。強震の観測記録と注意深く合成した地震波を合わせて21件選び、基底部に水平方向に入力します。中国の耐震設計規準で用いられる代表的な地盤条件を三種類選びます：比較的硬い「II種」サイト、中間の「III種」サイト、より軟弱な「IV種」サイトで、それぞれ異なる剛性と密度を持つ複数の土層で表現します。比較のために、全ての地震動について、（1）完全な地盤–杭–塔の連成を考慮した場合と、（2）基礎を完璧に剛体として扱う一般的な近似を用いる場合の両方を解析します。

階ごとの横変位に何が起きるか

彼らが注目する主要な指標は階間変位、すなわち隣接階間の相対的な横方向変位です。これは壁、梁、柱の曲げ力と密接に関連します。著者らは「増幅係数」を、現実の連成系における階間変位と剛体基礎を仮定した場合のそれとの比として定義します。値が1を上回れば相互作用が力を増大させることを意味し、1未満ならむしろ低減させることを示します。三種のサイトを通して、最大の増幅は常に塔の最上部で現れ、ムチのような効果で運動が集中する一方、中間階では変位がそれほど顕著ではありません。

地盤によって変わる安全余裕

結果は、地盤–杭–構造の相互作用を無視することが、ある条件では危険になり、別の条件では非効率的である可能性を示しています。剛性の高いII種地盤では、階間変位の平均増幅係数は約1.31から1.61の範囲にあり、剛体基礎設計に比べて実際の塔は30〜60％大きな変位、したがってより大きな内部力を受け得ることを意味します。III種地盤では平均はほぼ1に近く、概ね0.89〜1.25で、増幅は主に上部階に現れます。軟弱なIV種地盤では平均が約0.74〜0.97に低下し、相互作用により通常は剛体仮定に比べて変位が小さくなります。物理的には、連成した地盤–杭–塔系は単独の剛体塔より振動周期が長くなり、地震動の最も有害な周波数帯からずれることで地震要求が低減されることがあります。

鉱山安全と設計への含意

実務技術者にとってのメッセージは二点あります。剛性の高い地盤や強震地域では、基礎が不変であるかのように塔を設計すると、特に上部階付近で実際の地震力を過小評価し、既存構造に潜在的な安全リスクを残す可能性があります。軟弱地盤では同じ単純化が力を過大評価し、不要に重く高価な設計につながることがあります。本研究は竪坑塔解析に地盤–杭–構造相互作用を取り入れるための実用的な枠組みを提示し、どの地盤タイプ・塔高・振動周期の組合せが地震応答に強く影響するかを明らかにします。個々の塔では数値は異なりますが、上部階が最も影響を受けやすく、軟らかいサイトが場合によっては有利に働くことがあるという一般的な傾向は、地震多発地域における炭鉱竪坑塔の設計・耐震補強に対してより明確で精緻な判断基準を提供します。

引用: Han, L., Zhao, S., Zhang, Y. et al. Seismic response analysis of coal mine shaft tower structure considering PSSI effect under different sites. Sci Rep 16, 6656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37617-5

キーワード: 炭鉱竪坑塔, 地盤—構造物相互作用, 杭筏基礎, 地震工学, 階間変位