Разработка метода прогноза напряженно-деформированного состояния подпорных конструкций припортальных сооружений тоннелей при оползневых и сейсмических нагрузках

Целью работы является разработка метода прогноза напряженно-деформированного состояния припортального подпорного сооружения с учетом длительного реологического деформирования грунтового массива и последующего сейсмического воздействия. Предложен и обоснован последовательный расчетный подход, предназначенный для проверки подпорных конструкций на контрольное землетрясение и учитывающий предысторию формирования напряженно-деформированного состояния оползневого склона. Реологические параметры модели грунта, описывающей процессы ползучести, определены методом ретроспективного анализа на основании сопоставления расчетных перемещений с данными геотехнического мониторинга. Выполнено сравнение результатов моделирования с учетом реологии грунтов и без нее, позволившее установить влияние длительных деформаций на контактные напряжения, внутренние усилия и характер их распределения в элементах конструкции. Предложенный метод предусматривает прямой динамический расчет в постановке плоской деформации с последующим переходом к пространственной модели посредством импорта полученных во времени перемещений точек конструкции. В пространственной постановке оцениваются напряжения в арматуре и развитие зон повреждения бетона. Такой подход обеспечивает совместный учет оползневых, реологических и сейсмических факторов и повышает достоверность оценки работы сооружения. Метод может применяться при проектировании и проверке припортальных подпорных конструкций, расположенных в оползневых склонах сейсмически активных районов, при условии калибровки параметров грунта по данным конкретного объекта.

Беляков Н. А., Потемкин Д. А., Пягай П. В. Разработка метода прогноза напряженно-деформированного состояния подпорных конструкций припортальных сооружений тоннелей при оползневых и сейсмических нагрузках // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2026. – № 12. – С. 32–47. DOI: 10.25018/0236_1493_2026_12_0_32.

Беляков Никита Андреевич¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: BelyakovNA@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0002-9754-501X,
Потемкин Дмитрий Александрович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: PotemkinDA@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0003-3129-3865,
Пягай Павел Валерьевич¹ — аспирант, e-mail: ppyagai@gmail.com, ORCID ID: 0009-0003-7657-5513,  
¹ Санкт Петербургский горный университет Императрицы Екатерины II.

Пягай П.В., e-mail: ppyagai@gmail.com.

1. Protosenya A., Ivanov A. Data-driven prediction of stress—strain fields around interacting mining excavations in jointed rock: A comparative study of surrogate models // Mining. 2026, vol. 6, no. 1, article 4. DOI: 10.3390/mining6010004.

2. Протосеня А. Г., Вербило П. Э., Иванов А. А. Оперативный прогноз устойчивости горных выработок с применением нейросетевого подхода // Устойчивое развитие горных территорий. — 2026. — Т. 18. — № 1. — С. 28—38. DOI: 10.21177/1998-4502-2026-18-1-28-38.

3. Trushko V. L., Klimov V. Y., Baeva E. K., Ozhigin A. Y. Geomechanical substantiation of the technology of constructing modular pile foundations of technological platforms in permafrost rocks // Geotechnics. 2025, vol. 5, article 79. DOI: 10.3390/geotechnics5040079.

4. Trushko V. L., Baeva E. K., Blinov A. A. Experimental investigation on the mechanical properties of the frozen rocks at the Yamal peninsula, Russian Arctic // Eng. 2025, vol. 6, article 76. DOI: 10.3390/eng6040076.

5. Selikhov A. A., Karasev M. A., Petrushin V. V., Romanova E. L. Andreeva A. V., Biberin V. S., Kudashov E. S. Features of modeling the mechanical response of crushed salt-based backfill material in potash mines // Eng. 2026, vol. 7, article 330. DOI: 10.3390/eng7070330.

6. Iovlev G., Katerov A., Andreeva A., Ageeva A. Concrete damage plasticity model application to predict stress-strain behavior of waterproof strata in deep rock salt deposits // Preprints. 2026, 2026030207. DOI: 10.20944/preprints202603.0207.v1.

7. Бельгелиль Ф., Фредж М., Саадун А., Букарм Р. Анализ обрушения бортов на железорудном карьере Уэнса в Северо-Восточном Алжире методом конечных элементов: причины и выводы для контроля устойчивости // Записки Горного института. — 2024. — Т. 268. — С. 576—587. 

8. Коршунов В. А., Павлович А. А., Бажуков А. А. Оценка сдвиговой прочности горных пород по трещинам на основе результатов испытаний образцов сферическими инденторами // Записки Горного института. — 2023. — Т. 262. — С. 606—618. DOI: 10.31897/PMI.2023.16

9. Song D.-B., Lou K., Yin J.-H., Fox P. J., Chen W.-B. A finite strain elastic-viscoplastic consolidation model for layered soft soils considering self-weight and nonlinear creep // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2023, vol. 149, no. 12, article 04023121. DOI: 10.1061/JGGEFK.GTENG-11576.

10. Song D.-B., Lou K., Chen W.-B., Wu P.-C., Yin J.-H. Finite strain elastic visco-plastic consolidation model for layered soils with vertical drain considering self-weight loading and nonlinear creep // Computers and Geotechnics. 2024, vol. 169, article 106180. DOI: 10.1016/j.compgeo.2024.106180.

11. Thiyyakkandi S., Shankar P. Active earth pressure on retaining walls with sloping backfill considering arching effect under rotation about base // Innovative Infrastructure Solutions. 2022, vol. 7, article 126. DOI: 10.1007/s41062-021-00724-5.

12. Akbar M., Pan H., Huang J., Arshid M. U., Khan Q. U. Z., Ou G., Ahmed B. Seismic response comparison of various geogrid reinforced earth-retaining walls: based on shaking table and 3D FE analysis // Scientific Reports. 2024, vol. 14, article 24168. DOI: 10.1038/s41598-024-64203-4.

13. Tiwari R., Lam N. Modelling of seismic actions in earth retaining walls and comparison with shaker table experiment // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2021, vol. 150, article 106939. DOI: 10.1016/j.soildyn.2021.106939.

14. Carbonell J. M., Monforte L., Ciantia M. O., Arroyo M., Gens A. Geotechnical particle finite element method for modeling of soil-structure interaction under large deformation conditions // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2022, vol. 14, no. 3, pp. 967—983. DOI: 10.1016/j.jrmge.2021.12.006.

15. Khan S. A., Karray M., Paultre P. Seismic behavior of retaining walls: A critical review of analytical and field performance studies // Geotechnics. 2024, vol. 4, no. 1, pp. 54—77. DOI: 10.3390/geotechnics4010004.

16. Que Y., Long C.-C., Chen F.-Q. Slip line solution for active earth pressure of retaining walls with relief shelves subjected to base rotation // International Journal of Geomechanics. 2023, vol. 23, no. 10, article 04023176. DOI: 10.1061/IJGNAI.GMENG-8540.

17. Brown M., Burland J., Chapman T., Higgins K., Skinner H., Toll D. (eds.). ICE Manual of Geotechnical Engineering. Vol. I: Geotechnical engineering principles, problematic soils and site investigation. 2nd ed. London: ICE Publishing, 2023. DOI: 10.1680/icemge.66816.

18. Brown M., Burland J., Chapman T., Higgins K., Skinner H., Toll D. (eds.). ICE Manual of Geotechnical Engineering. Vol. II: Geotechnical design, construction and verification. 2nd ed. London: ICE Publishing, 2023. DOI: 10.1680/icemge.66830.

19. Dinkler D., Kowalsky U. Introduction to finite element methods. Wiesbaden: Springer Vieweg, 2024. DOI: 10.1007/978-3-658-42742-9.

20. Qasem M., Hasan M., Muhamad R., Chin C.-L., Alanazi N. Generalised calibration and optimization of concrete damage plasticity model for finite element simulation of cracked reinforced concrete structures // Results in Engineering. 2025, vol. 25, article 103905. DOI: 10.1016/j.rineng.2024.103905.

21. Trad R., Mroueh H., Bian H., Cormery F. Synthesis of numerical methods for the design of segmental tunnel lining // MATEC Web of Conferences. 2019, vol. 295, article 03008. DOI: 10.1051/matecconf/201929503008.

22. Chen G., Yu H. Analytical solution for longitudinal seismic response of tunnel portal section subjected to SH waves considering wedge topography effect // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2025, vol. 195, article 109448. DOI: 10.1016/j.soildyn.2025.109448.

23. Cui G., Ma J. Shaking table test on the seismic response of the portal section in soft and hard rock junction // Science Progress. 2021. DOI: 10.1177/00368504211031393.

24. Xu H., Sun R., Li T., Yan Q., Cui Y. Seismic behavior of mountain tunnel portal by shaking table tests // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2026. DOI: 10.1016/j.jrmge.2025.07.035.

25. Wang Q., Geng P., Chen C., Chen J., He C. Determination of seismic response of reinforced tunnel portal slope using shaking table tests // Tunnelling and Underground Space Technology. 2023, vol. 136, article 105072. DOI: 10.1016/j.tust.2023.105072.

26. Sun W., Yan S., Ma Q., Liang Q., Ou E., Cao X., Wang J., Luo X. Dynamic response characteristics and failure mode of a bias loess tunnel using a shaking table model test // Transportation Geotechnics. 2021, vol. 31, article 100659. DOI: 10.1016/j.trgeo.2021.100659.

27. Wen H., Yang C., Hou B., Chen G., Wang Z., Lian J., Su K., Li X. Seismic damage evolution and dynamic characteristics of the surrounding rock in tunnel portal anti-dip slopes reinforced with frame beams // Scientific Reports. 2026, vol. 16, article 6480. DOI: 10.1038/s41598-026-37208-4.

28. Zhang X., Jiang Y., Sugimoto S. Seismic damage assessment of mountain tunnel: A case study on the Tawarayama tunnel due to the 2016 Kumamoto Earthquake // Tunnelling and Underground Space Technology. 2018, vol. 71, pp. 138—148. DOI: 10.1016/j.tust.2017.07.019.

29. Andreotti G., Lai C. G. Use of fragility curves to assess the seismic vulnerability in the risk analysis of mountain tunnels // Tunnelling and Underground Space Technology. 2019, vol. 91, article 103008. DOI: 10.1016/j.tust.2019.103008.

30. Рысин А. И., Откупщикова И. А., Лебедева А. М., Нуртдинов А. С. Оценка влияния закладочного материала на выбор параметров ведения очистных работ на соляных месторождениях // Горный журнал. — 2025. — № 11. DOI: 10.17580/gzh.2025.11.01.

31. Вербило П. Э., Карасев М. А., Шишкина В. С. Прогноз геомеханического состояния структурно нарушенных породных целиков с учетом запредельного их деформирования // Горный журнал. — 2025. — № 3. DOI: 10.17580/gzh.2025.03.06.

32. Котиков Д. А., Веселова А. В., Романова Е. Л., Деменков П. А. Анализ факторов потери устойчивости крепи вертикального ствола при длительной эксплуатации в условиях Крайнего Севера // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2024. — № 11-1. — С. 57—80. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_111_0_57.

33. Рысин А. И., Лебедева А. М., Откупщикова И. А., Нуртдинов А. С. Закономерности изменения прочностных параметров соляных пород вследствие повышения содержания галопелитов // Горный журнал. — 2025. — № 3. — С. 19—27. DOI: 10.17580/gzh.2025.03.03.

34. Синегубов В. Ю. Ретрополяционное прогнозирование уровня горнотехнических условий на глубоких горизонтах месторождения Олений Ручей // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2025. — № 9. — С. 15—35. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_9_0_15.

35. Синегубов В. Ю. Разработка комплексного подхода к прогнозу напряженного состояния породного массива и апробация на месторождении Олений Ручей // Вестник Кузбасского государственного технического университета. — 2025. — № 2 (168). — С. 68—79. DOI: 10.26730/1999-4125-2025-2-68-79.

36. Волохов Е. М., Кожухарова В. К., Зеленцов С. Н., Мукминова Д. З., Исаев А. А. Оценка эффектов взаимодействия фундамента и основания методами численного моделирования для условий подработки здания Мариинского театра в Санкт-Петербурге // Записки Горного института. — 2025. — Т. 276. — № 1. — С. 16—29.