李大勇, 梁 昊, 張雨坤*

(1.山東科技大學山東省土木工程防災減災重點試驗室， 青島 266590； 2.福州大學土木工程學院， 福州 350108)

面對日益嚴峻的環(huán)境問題，可再生能源的開發(fā)與利用受到全球的重視，在各類新能源開發(fā)中，風能資源的開發(fā)利用得到了廣泛關注。截至2016年底，全球風電和新增裝機容量超過10 GW,累計容量達到468.8 GW,累計裝機容量增長12.6%，中國風電累計和新增裝機容量均居全球第一[1]。由此可見，中國風電行業(yè)發(fā)展迅猛，風能已經成為重要的清潔能源之一。

隨著中國陸上風電產業(yè)及相應技術的快速發(fā)展，風電場建設范圍越來越廣。山區(qū)地帶蘊藏著巨大的風能且風速遠高于平原地帶，極大提高了風電場的發(fā)電效率[2]，因此，許多風電場在山區(qū)地帶進行選址，并把基礎設置在山坡坡頂。然而，在坡頂建設風電基礎既要保證基礎和上部結構長期安全運行，同時要保證山坡的穩(wěn)定性。因此需要深入研究山區(qū)風電基礎對山坡穩(wěn)定性的影響。

目前，邊坡穩(wěn)定性研究主要采用以下幾種手段：①原位試驗及現(xiàn)場檢測：通過施工過程中對臨坡基礎進行實時檢測，及時掌握邊坡整體形變[3]；②數(shù)值模擬試驗：在室內試驗條件下確定巖土體參數(shù)，運用數(shù)值模擬得到不同工況下邊坡變形的破壞特征[4]；③室內模型試驗：將實際工程按照一定比例縮制為試驗模型，得到不同工況下試驗模型變形、破壞特征[5]。基于這些方法，中外學者對邊坡問題展開研究。Choudhury 等[6]根據(jù)斜坡地基的破壞形式，提出了三種不同的滑動面模式，并針對每種滑動面提出了相對應的判別條件。Ghosh等[7]采用極限分析上限法，研究基礎位于邊坡上時，水平地震加速度的變化對承載力系數(shù)Nc、Nγ的影響。趙建軍等[8]通過室內模型試驗探討工程荷載作用下填方邊坡變形破壞機制，發(fā)現(xiàn)模型平臺在堆載后呈現(xiàn)明顯不均勻沉降，平臺的右側與后側沉降量較大。唐勝傳等[9]研究了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與最大水平位移之間的關系，發(fā)現(xiàn)臨坡距為0、4 m可采用冪函數(shù)進行擬合，臨坡距為14 m使用線性函數(shù)擬合較好。李震等[10]分析了不同臨坡距、相對密實度、基底寬度的基礎荷載-位移曲線，研究了極限承載力、極限承載力弱化系數(shù)、極限承載力系數(shù)的多因素演化規(guī)律。蔣洋等[11]采用數(shù)值模擬分析了地基土強度、邊坡角、臨坡距、基地接觸條件等因素對臨坡地基極限承載力的影響，為計算臨坡地基極限承載力提供了依據(jù)。侯超群[12]研究了斜坡地基的變形規(guī)律和破壞特征，得出斜坡地基破壞呈非對稱性，應力向傾斜的一側集中，臨坡地基因應力集中而先達到極限平衡狀態(tài)，破裂面相交于坡面中下部。胡衛(wèi)東[13]為了研究臨坡地基的滑動變形形態(tài)、土壓力分布特征、破壞模式及極限承載力，采用在特制地槽內填筑土石混填臨坡地基，進行條形基礎地基模型的豎向靜載試驗研究。

開展數(shù)值模擬，研究了臨坡圓形基礎傾覆失穩(wěn)、基礎臨坡距離等對坡體變形的影響，得到了圓形基礎臨坡安全距離。然后，對圓形基礎在臨坡地基上位移云圖及矢量位移圖進行分析，研究了邊坡角對坡體變形的影響規(guī)律。最后研究了基礎失穩(wěn)過程中，臨坡距對基礎埋深方向轉動點的影響，為現(xiàn)場施工提供一定的參考依據(jù)。

1 有限元模型

運用ABAQUS軟件進行數(shù)值模擬，圓形基礎模型如圖1所示，具體的基礎模型尺寸見表1，模擬一共采用五種圓形基礎尺寸，并對其進行編號，以“D26H6”為例，①D為圓形基礎直徑，數(shù)字“26”表示基礎直徑260 mm；②H為圓形基礎高度，數(shù)字“6”表示基礎高度60 mm。

考慮到圓形基礎結構具有對稱性，為節(jié)省計算時間，取基礎與地基的一半進行分析，有限元網格劃分如圖2所示。為消除邊界效應的影響，取臨坡地基在高度方向為基礎高度的5倍，在水平方向為基礎直徑的7倍，寬度方向為基礎半徑的5倍，如圖3所示。數(shù)值模擬中主要設置2個分析步：第一個為生成初始應力分析步，第二個為加載步，采用位移控制式加載方式，對圓形基礎施加水平位移。

地基土為中密砂土，砂土參數(shù)通過室內試驗確定，服從Mohr-Coulomb屈服準則，圓形基礎由鋼材制作而成，采用線彈性模型，砂土及圓形基礎力學參數(shù)如表2所示。圓形基礎與地基土之間設置為摩擦接觸，其摩擦系數(shù)μ=0.46。為驗證模型試驗準確性，對圓形基礎進行水平加載，將數(shù)值模擬與模型試驗結果對比，如圖4所示，結果表明在不同臨坡距(e/D)下，數(shù)值模擬與模型試驗吻合性較好。

圖1 圓形基礎Fig.1 Circular foundation

表1 圓形基礎尺寸

圖2 有限元網格劃分Fig.2 Finite element mesh generation

e為基礎到邊坡的距離圖3 臨坡地基的幾何尺寸示意圖Fig.3 The geometric dimension diagram of the finite element model

表2 材料參數(shù)設置

圖4 數(shù)值模擬與試驗結果對比Fig.4 Numerical simulation and test results

2 結果與分析

2.1 臨坡距對邊坡變形的影響

圖5所示為不同直徑圓形基礎在5種臨坡距條件下，傾覆失穩(wěn)時坡面隆起變形沿垂直方向的變化規(guī)律。從圖5中可知坡面隆起隨著臨坡距的增大呈減小趨勢，基礎尺寸一定的條件下，當e/D=3時，坡面隆起達到最大，這是因為隨著臨坡距不斷增大，由外荷載產生的附加應力對邊坡影響逐漸減小，從而使坡面隆起不斷減小。e/D一定時，坡面隆起在坡頂位置位移最大，即邊坡最大隆起值，且坡面隆起在坡體上隨著距坡頂距離增大而減小，直至不發(fā)生坡體隆起。e/D=10～20時，坡面隆起趨近于0，表明基礎在此距離對邊坡的影響作用較小，被認為處于安全距離之內，此時可視臨坡地基近似為水平地基。

圖5 圓形基礎失穩(wěn)時坡面隆起變形沿垂直方向變化規(guī)律Fig.5 Deformation of the slope surface under the failure of the circular foundation

圖6給出不同基礎直徑(D26H6、D28H6、D30H6)下的坡面最大隆起，通過對比可知，在相同臨坡距下，最大隆起隨著基礎直徑增大而增大，以e/D=3情況為例，圓形基礎D30H6的坡面隆起最大，較D28H6和D26H6分別提高了46%和50%，因為基礎直徑增大以后，基礎對土體的調動范圍擴大，所以影響范圍內的土體最大隆起有所提高。e/D=10～20，3種基礎直徑下邊坡的最大隆起都趨近于0，由此看出增大基礎直徑不影響圓形基礎與邊坡的安全距離。

圖6 基礎直徑對坡體變形的影響(β=30°)Fig.6 Influence of base diameter on slope deformation (β=30°)

2.2 臨坡地基的變形分析

對尺寸為D26H6的圓形基礎進行分析，當e/D=3時，得到邊坡位移云圖及矢量位移如圖7所示。圓形基礎傾覆失穩(wěn)后，位移云圖中形成穿過坡面的圓弧滑動面，臨坡地基最大應變出現(xiàn)于坡頂位置，隨著距離不斷增大，坡面應變不斷減小，其影響范圍約為基礎直徑的10倍，通過位移云圖進一步驗證了2.1節(jié)結論。由圖7(b)可以看出，基礎下方土體沿加載方向向斜下方移動，而基礎前側土體沿加載方向向斜上方移動且土體在坡頂位置產生一定范圍隆起。

圖7 D26H6基礎位移云圖及矢量位移圖Fig.7 Deformation contour and vector displacement of the foundation of D26H6

2.3 邊坡角對邊坡的影響

為了進一步研究臨坡基礎對坡體變形的影響，圖8給出基礎D26H8在邊坡角30°和45°時，坡面隆起值—距坡頂距離的關系曲線。由分析可知：當邊坡角為45°時，與坡角30°相比，其坡面隆起出現(xiàn)大幅度提高且邊坡影響范圍急劇增大，e/D=3、5、7的三條曲線最大隆起分別提高70%、114%、171%，且曲線末端出現(xiàn)陡降，說明基礎對邊坡的影響范圍達到了整個坡面。因為對于無黏性土坡來說，隨著邊坡角增大，土體有沿坡面下滑的趨勢，從而在附加應力的作用下，邊坡變形將會增大，因此，增大邊坡角對邊坡穩(wěn)定性將會產生不利的影響。當e/D=10、20時，兩種邊坡角的坡面隆起量與影響范圍變化非常微小，處于安全距離之內，由此說明改變邊坡角不會對安全距離產生較大的影響。

圖8 不同邊坡角下邊坡變形的關系曲線Fig.8 Relation curve of slope deformation at difficult slope angles

圖9 基礎在埋深方向各測點的測移Fig.9 Fundamental movement of measurement points at the foundation

2.4 不同臨坡距對基礎埋深方向轉動點的影響

為了了解基礎在臨坡地基上的運動規(guī)律，圖9給出不同臨坡距下D28H8基礎前側沿埋深方向各測點的位移量，圖9中各曲線與y軸(側移為0)的交點即為轉動點沿深度方向的位置。如圖9所示，以e/D=3為例進行說明，隨著荷載的增加，各測點發(fā)生不同程度的向右移動且所連直線的斜率逐漸減小，說明基礎在發(fā)生平動的過程中產生一定的轉動。

此外，從圖9中還可以看出，e/D=3、5、7、10、20時，轉動點的變化規(guī)律整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這是因為基礎有平動和轉動兩種運動模式，轉動點上升階段基礎的運動模式主要以轉動為主，從而使測點的斜率不斷降低，與側移為0的直線交點上移。而轉動點下降階段可以理解為基礎運動模式以平動為主，測點的斜率逐漸提高，導致基礎沿埋深方向上轉動點的位置下移。

3 結論

主要研究了臨坡圓形基礎對邊坡變形的影響，運用ABQUES進行數(shù)值模擬試驗，研究了臨坡距、基礎直徑、邊坡角對邊坡變形的影響規(guī)律，并且進一步研究圓形基礎轉動點的變化規(guī)律。得出以下結論：

(1)隨著臨坡距的增加，圓形基礎對坡面的影響逐漸減小，以基礎D26H6為例，e/D=3時較e/D=5最大隆起增大了143%；臨坡距e/D=10～20時，圓形基礎對坡面擾動較小，e/D=10為圓形基礎的參考安全距離。

(2)臨坡距e/D為3、5、7時，增大基礎直徑使得坡面隆起顯著提高，例如在e/D=3處，圓形基礎D30H6的坡面隆起最大，較D28H6、D26H6分別提高了46%、50%；增加邊坡角不僅使得坡面隆起增大且對坡面影響范圍產生較大影響；臨坡距大于10時，最大隆起均趨近于0，這表明臨坡地基的安全距離沒有較大影響。

(3)隨著臨坡距增加，圓形基礎轉動點呈先上升后下降的趨勢，說明基礎的運動方式由轉動逐漸轉為平動為主。