山區(qū)風電臨坡圓形基礎傾覆失穩(wěn)對坡體變形的影響

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(jīng)成為重要的清潔能源之一。

隨著中國陸上風電產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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]?；谶@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(nèi)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(nèi)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(wǎng)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(nèi)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(wǎng)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(chǎn)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(nèi)，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(diào)動范圍擴大，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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)，由此說明改變邊坡角不會對安全距離產(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(chǎn)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(chǎn)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。