考虑PSSI效应下不同场地的煤矿井筒塔结构地震响应分析

地下塔与地震为何重要

深部煤矿在地表依赖高大的混凝土井筒塔将人员和煤炸运送至深处。这些塔座落于穿入分层土层和岩石的基础之上。当地震发生时，震动不仅使塔体自身运动，也会使桩和周围地基随动，三者相互影响。本研究提出了一个务实的问题，涉及重大安全与成本影响：土体、桩和塔之间这种隐蔽的相互作用在多大程度上改变了井筒塔的地震响应？在某些场地是否会使现行设计规则过于冒险，而在另一些场地又过于保守？

塔、桩与土体如何共同运动

作者关注一座现代大型煤矿井筒塔，约90米高，由与竖向混凝土井筒刚性连接的桩筏基础支撑。他们不再假定基底完全固结不动，而将塔、桩、筏板、井筒与分层土体视为一个耦合系统。利用成熟的物理模型，将这一复杂体系简化为若干弹簧、质量和阻尼器，以模拟各部分在震动时的弯曲、摇摆和滑移。随后推导出将塔层间运动与埋深基础及周围土体运动联系起来的运动方程，并用自编的MATLAB数值求解这些方程。

用真实地震记录与典型场地类型检验

为观察这种耦合行为在实际中的表现，研究以中国安徽一座真实矿井为案例。选取21条地震记录——包括强震实测记录与经精心模拟的地震——并将其水平作用于基底。考察了中国抗震规范中常用的三类典型地震场地条件：相对较刚性的“Ⅱ类”场地、中等的“Ⅲ类”场地以及较软的“Ⅳ类”场地，每一类以多层不同刚度和密度的土层表示。为便于比较，对每一条地震动均进行两组计算：一组考虑完整的土-桩-塔相互作用，另一组采用将基础视为完全刚性的常用简化处理。

层间摆动发生了什么

他们跟踪的关键量是层间位移——相邻楼层间的相对横向位移，这与墙体、梁柱的弯矩密切相关。作者将真实耦合体系中的层间漂移与刚性基础理想化下的层间漂移之比定义为“放大系数”。该系数大于1表示相互作用增加了力，低于1则表示相互作用实际上减轻了力。在三种场地类型中，最大的放大效应始终出现在塔顶，那里呈甩鞭效应使运动集中，而中部楼层的运动变化较小。

不同土层对应不同的安全裕度

结果表明，忽视土-桩-结构相互作用在某些场合可能带来危险，在另一些场合则造成浪费。在刚性较大的Ⅱ类地基上，层间位移的平均放大系数约在1.31到1.61之间，意味着真实结构的漂移可能比刚性基础设计预估的大30%~60%，从而导致更高的内部受力。Ⅲ类地基的平均值接近1，大致在0.89到1.25之间，放大主要出现在塔顶层。对于较软的Ⅳ类地基，平均值降至约0.74到0.97，表明与刚性基础假设相比，相互作用通常会减小漂移。从物理上讲，耦合的土-桩-塔系统具有比单独刚性塔更长的振动周期，这会将系统周期移出地震动中最具破坏性的频带，从而降低地震需求。

这对矿井安全与设计的意义

对工程实务者来说，这一研究给出两个要点。在刚性土层区域和强震区，将井筒塔按不动基座设计可能低估实际地震力，尤其是塔顶附近，这会使既有结构存在潜在的安全风险。在较软土层上，同样的简化又可能高估受力，导致不必要的加固和高成本设计。该研究提供了在井筒塔分析中考虑土-桩-结构相互作用的实用框架，并指出了哪些土层类型、塔高和振动周期的组合会强烈影响地震响应。尽管具体数值会因塔体而异，但总体规律——塔顶最易受损且较软场地有时反而有利——为在地震多发区设计与加固煤矿井筒塔提供了更清晰、细化的依据。

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

关键词: 煤矿井筒塔, 土-结构相互作用, 桩筏基础, 地震工程, 层间位移