李大勇, 梁 昊, 張雨坤*

(1.山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)試驗(yàn)室， 青島 266590； 2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福州 350108)

面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用受到全球的重視，在各類(lèi)新能源開(kāi)發(fā)中，風(fēng)能資源的開(kāi)發(fā)利用得到了廣泛關(guān)注。截至2016年底，全球風(fēng)電和新增裝機(jī)容量超過(guò)10 GW,累計(jì)容量達(dá)到468.8 GW,累計(jì)裝機(jī)容量增長(zhǎng)12.6%，中國(guó)風(fēng)電累計(jì)和新增裝機(jī)容量均居全球第一[1]。由此可見(jiàn)，中國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅猛，風(fēng)能已經(jīng)成為重要的清潔能源之一。

隨著中國(guó)陸上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及相應(yīng)技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)范圍越來(lái)越廣。山區(qū)地帶蘊(yùn)藏著巨大的風(fēng)能且風(fēng)速遠(yuǎn)高于平原地帶，極大提高了風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電效率[2]，因此，許多風(fēng)電場(chǎng)在山區(qū)地帶進(jìn)行選址，并把基礎(chǔ)設(shè)置在山坡坡頂。然而，在坡頂建設(shè)風(fēng)電基礎(chǔ)既要保證基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全運(yùn)行，同時(shí)要保證山坡的穩(wěn)定性。因此需要深入研究山區(qū)風(fēng)電基礎(chǔ)對(duì)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(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)：通過(guò)施工過(guò)程中對(duì)臨坡基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)掌握邊坡整體形變[3]；②數(shù)值模擬試驗(yàn)：在室內(nèi)試驗(yàn)條件下確定巖土體參數(shù)，運(yùn)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(nèi)模型試驗(yàn)：將實(shí)際工程按照一定比例縮制為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得到不同工況下試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃?、破壞特征[5]。基于這些方法，中外學(xué)者對(duì)邊坡問(wèn)題展開(kāi)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(dòng)面模式，并針對(duì)每種滑動(dòng)面提出了相對(duì)應(yīng)的判別條件。Ghosh等[7]采用極限分析上限法，研究基礎(chǔ)位于邊坡上時(shí)，水平地震加速度的變化對(duì)承載力系數(shù)Nc、Nγ的影響。趙建軍等[8]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)探討工程荷載作用下填方邊坡變形破壞機(jī)制，發(fā)現(xiàn)模型平臺(tái)在堆載后呈現(xiàn)明顯不均勻沉降，平臺(tái)的右側(cè)與后側(cè)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(guān)系，發(fā)現(xiàn)臨坡距為0、4 m可采用冪函數(shù)進(jìn)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(duì)密實(shí)度、基底寬度的基礎(chǔ)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(qiáng)度、邊坡角、臨坡距、基地接觸條件等因素對(duì)臨坡地基極限承載力的影響，為計(jì)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(duì)稱(chēng)性，應(yīng)力向傾斜的一側(cè)集中，臨坡地基因應(yīng)力集中而先達(dá)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(dòng)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(nèi)填筑土石混填臨坡地基，進(jìn)行條形基礎(chǔ)地基模型的豎向靜載試驗(yàn)研究。

開(kāi)展數(shù)值模擬，研究了臨坡圓形基礎(chǔ)傾覆失穩(wěn)、基礎(chǔ)臨坡距離等對(duì)坡體變形的影響，得到了圓形基礎(chǔ)臨坡安全距離。然后，對(duì)圓形基礎(chǔ)在臨坡地基上位移云圖及矢量位移圖進(jìn)行分析，研究了邊坡角對(duì)坡體變形的影響規(guī)律。最后研究了基礎(chǔ)失穩(wěn)過(guò)程中，臨坡距對(duì)基礎(chǔ)埋深方向轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的影響，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供一定的參考依據(jù)。

1 有限元模型

運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，圓形基礎(chǔ)模型如圖1所示，具體的基礎(chǔ)模型尺寸見(jiàn)表1，模擬一共采用五種圓形基礎(chǔ)尺寸，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，以“D26H6”為例，①D為圓形基礎(chǔ)直徑，數(shù)字“26”表示基礎(chǔ)直徑260 mm；②H為圓形基礎(chǔ)高度，數(shù)字“6”表示基礎(chǔ)高度60 mm。

考慮到圓形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱(chēng)性，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，取基礎(chǔ)與地基的一半進(jìn)行分析，有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。為消除邊界效應(yīng)的影響，取臨坡地基在高度方向?yàn)榛A(chǔ)高度的5倍，在水平方向?yàn)榛A(chǔ)直徑的7倍，寬度方向?yàn)榛A(chǔ)半徑的5倍，如圖3所示。數(shù)值模擬中主要設(shè)置2個(gè)分析步：第一個(gè)為生成初始應(yīng)力分析步，第二個(gè)為加載步，采用位移控制式加載方式，對(duì)圓形基礎(chǔ)施加水平位移。

地基土為中密砂土，砂土參數(shù)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，圓形基礎(chǔ)由鋼材制作而成，采用線彈性模型，砂土及圓形基礎(chǔ)力學(xué)參數(shù)如表2所示。圓形基礎(chǔ)與地基土之間設(shè)置為摩擦接觸，其摩擦系數(shù)μ=0.46。為驗(yàn)證模型試驗(yàn)準(zhǔn)確性，對(duì)圓形基礎(chǔ)進(jìn)行水平加載，將數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖4所示，結(jié)果表明在不同臨坡距(e/D)下，數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)吻合性較好。

圖1 圓形基礎(chǔ)Fig.1 Circular foundation

表1 圓形基礎(chǔ)尺寸

圖2 有限元網(wǎng)格劃分Fig.2 Finite element mesh generation

e為基礎(chǔ)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(shè)置

圖4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.4 Numerical simulation and test results

2 結(jié)果與分析

2.1 臨坡距對(duì)邊坡變形的影響

圖5所示為不同直徑圓形基礎(chǔ)在5種臨坡距條件下，傾覆失穩(wěn)時(shí)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(shì)，基礎(chǔ)尺寸一定的條件下，當(dāng)e/D=3時(shí)，坡面隆起達(dá)到最大，這是因?yàn)殡S著臨坡距不斷增大，由外荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)邊坡影響逐漸減小，從而使坡面隆起不斷減小。e/D一定時(shí)，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(shí)，坡面隆起趨近于0，表明基礎(chǔ)在此距離對(duì)邊坡的影響作用較小，被認(rèn)為處于安全距離之內(nèi)，此時(shí)可視臨坡地基近似為水平地基。

圖5 圓形基礎(chǔ)失穩(wěn)時(shí)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(chǔ)直徑(D26H6、D28H6、D30H6)下的坡面最大隆起，通過(guò)對(duì)比可知，在相同臨坡距下，最大隆起隨著基礎(chǔ)直徑增大而增大，以e/D=3情況為例，圓形基礎(chǔ)D30H6的坡面隆起最大，較D28H6和D26H6分別提高了46%和50%，因?yàn)榛A(chǔ)直徑增大以后，基礎(chǔ)對(duì)土體的調(diào)動(dòng)范圍擴(kuò)大，所以影響范圍內(nèi)的土體最大隆起有所提高。e/D=10～20，3種基礎(chǔ)直徑下邊坡的最大隆起都趨近于0，由此看出增大基礎(chǔ)直徑不影響圓形基礎(chǔ)與邊坡的安全距離。

圖6 基礎(chǔ)直徑對(duì)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(duì)尺寸為D26H6的圓形基礎(chǔ)進(jìn)行分析，當(dāng)e/D=3時(shí)，得到邊坡位移云圖及矢量位移如圖7所示。圓形基礎(chǔ)傾覆失穩(wěn)后，位移云圖中形成穿過(guò)坡面的圓弧滑動(dòng)面，臨坡地基最大應(yīng)變出現(xiàn)于坡頂位置，隨著距離不斷增大，坡面應(yīng)變不斷減小，其影響范圍約為基礎(chǔ)直徑的10倍，通過(guò)位移云圖進(jìn)一步驗(yàn)證了2.1節(jié)結(jié)論。由圖7(b)可以看出，基礎(chǔ)下方土體沿加載方向向斜下方移動(dòng)，而基礎(chǔ)前側(cè)土體沿加載方向向斜上方移動(dòng)且土體在坡頂位置產(chǎn)生一定范圍隆起。

圖7 D26H6基礎(chǔ)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(duì)邊坡的影響

為了進(jìn)一步研究臨坡基礎(chǔ)對(duì)坡體變形的影響，圖8給出基礎(chǔ)D26H8在邊坡角30°和45°時(shí)，坡面隆起值—距坡頂距離的關(guān)系曲線。由分析可知：當(dāng)邊坡角為45°時(shí)，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(shuō)明基礎(chǔ)對(duì)邊坡的影響范圍達(dá)到了整個(gè)坡面。因?yàn)閷?duì)于無(wú)黏性土坡來(lái)說(shuō)，隨著邊坡角增大，土體有沿坡面下滑的趨勢(shì)，從而在附加應(yīng)力的作用下，邊坡變形將會(huì)增大，因此，增大邊坡角對(duì)邊坡穩(wěn)定性將會(huì)產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)e/D=10、20時(shí)，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(nèi)，由此說(shuō)明改變邊坡角不會(huì)對(duì)安全距離產(chǎn)生較大的影響。

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

圖9 基礎(chǔ)在埋深方向各測(cè)點(diǎn)的測(cè)移Fig.9 Fundamental movement of measurement points at the foundation

2.4 不同臨坡距對(duì)基礎(chǔ)埋深方向轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的影響

為了了解基礎(chǔ)在臨坡地基上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，圖9給出不同臨坡距下D28H8基礎(chǔ)前側(cè)沿埋深方向各測(cè)點(diǎn)的位移量，圖9中各曲線與y軸(側(cè)移為0)的交點(diǎn)即為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)沿深度方向的位置。如圖9所示，以e/D=3為例進(jìn)行說(shuō)明，隨著荷載的增加，各測(cè)點(diǎn)發(fā)生不同程度的向右移動(dòng)且所連直線的斜率逐漸減小，說(shuō)明基礎(chǔ)在發(fā)生平動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)。

此外，從圖9中還可以看出，e/D=3、5、7、10、20時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的變化規(guī)律整體上呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)榛A(chǔ)有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)模式，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)上升階段基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)模式主要以轉(zhuǎn)動(dòng)為主，從而使測(cè)點(diǎn)的斜率不斷降低，與側(cè)移為0的直線交點(diǎn)上移。而轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)下降階段可以理解為基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)模式以平動(dòng)為主，測(cè)點(diǎn)的斜率逐漸提高，導(dǎo)致基礎(chǔ)沿埋深方向上轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的位置下移。

3 結(jié)論

主要研究了臨坡圓形基礎(chǔ)對(duì)邊坡變形的影響，運(yùn)用ABQUES進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究了臨坡距、基礎(chǔ)直徑、邊坡角對(duì)邊坡變形的影響規(guī)律，并且進(jìn)一步研究圓形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的變化規(guī)律。得出以下結(jié)論：

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

(2)臨坡距e/D為3、5、7時(shí)，增大基礎(chǔ)直徑使得坡面隆起顯著提高，例如在e/D=3處，圓形基礎(chǔ)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(duì)坡面影響范圍產(chǎn)生較大影響；臨坡距大于10時(shí)，最大隆起均趨近于0，這表明臨坡地基的安全距離沒(méi)有較大影響。

(3)隨著臨坡距增加，圓形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)呈先上升后下降的趨勢(shì)，說(shuō)明基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)方式由轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)為平動(dòng)為主。