Анализ сейсмического отклика башенной конструкции шахтного ствола с учётом эффекта PSSI для разных площадок

Почему подземные башни и землетрясения важны

Глубокие угольные шахты опираются на высокие бетонные башни стволов на поверхности, которые поднимают людей и уголь с больших глубин. Эти башни стоят на фундаментах, уходящих в слоистые грунты и породы. При землетрясении в движении участвуют не только сама башня, но и сваи и окружающий грунт, причём все три компонента влияют друг на друга. В этом исследовании поставлен практический вопрос с серьёзными последствиями для безопасности и затрат: насколько такое скрытое взаимодействие грунта, свай и башни меняет сейсмический отклик стволовой башни, и делает ли это действующие правила проектирования чрезмерно рискованными в одних местах и чрезмерно консервативными в других?

Как башня, сваи и грунт двигаются совместно

Авторы сосредотачиваются на современной большой башне шахтного ствола высотой около 90 метров, опирающейся на свайно-плитный фундамент, жёстко связанный с вертикальным бетонным стволом. Вместо допущения о полностью зафиксированном основании они рассматривают башню, сваи, плиту, ствол и слоистый грунт как единую связанную систему. Используя проверенные физические модели, они упрощают эту сложную конструкцию до набора пружин, масс и демпферов, способных воспроизвести изгиб, раскачивание и скольжение каждой части при колебаниях. Затем выводятся уравнения движения, связывающие перемещения этажей башни с движением заложенного фундамента и окружного грунта, и эти уравнения численно решаются с помощью собственного кода на MATLAB.

Испытания реалистичных землетрясений и типов грунтов

Чтобы увидеть практическую картину такого сопряжённого поведения, команда использует реальную шахту в провинции Аньхой, Китай, в качестве примера. Они выбирают 21 запись землетрясения — как сильных природных толчков, так и моделированных сигналов — и прикладывают их по горизонтали к основанию. Исследуются три типичных грунтовых условия, используемых в китайских сейсмических нормах: относительно жёсткий участок «Тип II», промежуточный «Тип III» и более мягкий «Тип IV», каждый представлен несколькими слоями с разной жёсткостью и плотностью. Для сравнения каждое ускорение основания прогоняется дважды: один раз с полной учётом взаимодействия грунт–свая–башня и один раз с распространённым упрощением, считающим фундамент абсолютно жёстким.

Что происходит с поперечными смещениями по этажам

Ключевая величина — межэтажное смещение, то есть относительное боковое перемещение соседних этажей, которое тесно связано с изгибающими усилиями в стенах, балках и колоннах. Авторы вводят «коэффициент усиления» как отношение этого межэтажного дрейфа в реалистичной взаимодействующей системе к дрейфу при идеализации с жёстким основанием. Значения больше единицы означают, что взаимодействие повышает усилия; значения меньше единицы — что оно их уменьшает. Во всех трёх типах площадок наибольшее усиление последовательно наблюдается в самой верхней части башни, где эффект хлыста концентрирует движение, тогда как средние этажи двигаются менее драматично.

Разные грунты — разные запасы прочности

Результаты показывают, что игнорирование взаимодействия грунт–свая–конструкция может быть опасным в одних условиях и расточительным в других. На жёстком грунте Тип II средние коэффициенты усиления межэтажного смещения находятся примерно в пределах 1.31–1.61, то есть реальная башня может испытывать на 30–60 % большие дрейфы и, следовательно, более высокие внутренние усилия, чем предсказывает расчёт с жёстким основанием. Для грунта Тип III средние значения ближе к единице, примерно 0.89–1.25, при этом усиление в основном наблюдается на верхних этажах. На мягком грунте Тип IV средние значения падают до примерно 0.74–0.97, то есть взаимодействие чаще уменьшает дрейфы по сравнению с предположением о жёстком основании. Физически связанная система грунт–свая–башня имеет более длительный собственный период колебаний, чем одна жёсткая башня, что может сместить её из наиболее разрушительной полосы частот грунтового движения и снизить сейсмическую нагрузку.

Что это значит для безопасности шахт и проектирования

Для практикующих инженеров вывод двойственен. В районах с жёсткими грунтами и в зонах сильной сейсмичности проектирование башни ствола как будто бы на неуступчивом основании может недооценивать реальные сейсмические силы, особенно в верхней части, оставляя существующие конструкции с скрытыми рисками. На мягких грунтах то же упрощение может переоценивать нагрузки и приводить к избыточно тяжёлым и дорогим решениям. Исследование предлагает практическую схему для учёта взаимодействия грунт–свая–конструкция в анализе башен стволов и выделяет сочетания типа грунта, высоты башни и собственных периодов, которые сильнее всего влияют на сейсмический отклик. Хотя конкретные числа будут различаться от башни к башне, общая картина — что верхние этажи наиболее уязвимы и что более мягкие площадки иногда могут помогать, а не вредить — даёт более ясную и тонкую основу для проектирования и реконструкции башен шахтных стволов в сейсмоопасных регионах.

Цитирование: 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

Ключевые слова: башня шахтного ствола, взаимодействие грунт–конструкция, сваяно-плитный фундамент, сейсмостойкое строительство, межэтажное смещение