由于全球对可再生能源转型的迫切需求，光伏（PV）电站的部署呈指数级增长[1,2]。虽然传统上更倾向于平坦地形，但土地资源的日益稀缺迫使许多光伏电站安装在复杂的地形上，如高速公路斜坡、山坡和人工斜坡[3,4]。特别是高速公路沿线的闲置斜坡（本文称为光伏斜坡）具有优势，因为产生的电力可以由附近的服务区就地消耗，有助于交通运输系统的脱碳[4,5]。与屋顶或平地光伏安装不同，光伏斜坡系统面临双重挑战：光伏支撑系统的结构稳定性和斜坡本身的地质稳定性。高速公路、铁路和山区包含许多高填方和深切割斜坡，在地形放大效应下，这些斜坡容易发生地震后的不稳定[6],[7],[8]。地震引起的斜坡位移可能通过土-结构相互作用对上覆或相邻基础设施造成严重损坏，可能导致灾难性故障[9,10]。因此，对光伏斜坡系统进行严格的地震性能评估至关重要。
现有研究采用了理论分析、振动台试验和数值模拟来探索斜坡的地震响应规律和不稳定模式[11,12]。然而，大多数研究集中在普通地面运动（OGM）[13,14]或近断层脉冲式地面运动[15,16]上，很少有研究关注远场长周期地面运动（FFLP）。尽管如此，2008年的汶川地震引发了超过15,000次地质灾害，包括落石、泥石流和滑坡[17]。2015年Mw 7.8级的廓尔喀地震至少引发了25,000次滑坡事件[18]，2023年的土耳其地震对结构和岩土工程项目造成了广泛破坏，导致大约50,000人死亡。这些案例突显了FFLP的破坏潜力。与OGM相比，FFLP的特点是长主导周期、显著持续时间和丰富的低频成分[19]。对于光伏斜坡系统而言，FFLP的低频特性尤其令人担忧，因为它可能与系统的基本周期重合，引发共振。此外，FFLP的延长持续时间意味着与OGM相比，加载循环次数显著增加[20]。这对土壤材料构成了严重挑战，即使在较低幅度下也会加速塑性模量的降低。忽视这种与持续时间相关的模量降低往往会导致对震动过程中累积的塑性变形的低估[21]。此外，根据地面运动特性，FFLP可以分为远场非谐波地面运动（FNHM）和远场谐波运动（FHM）[22]。FNHM和FHM之间的主要区别在于记录是否表现出准正弦波形特征，即谐波样行为[23]。具体来说，FNHM通常表现出相对宽带的低频能量，具有不规则的包络，因此能量在时间上分散，倾向于产生更空间分布的变形积累，缺乏明显的准正弦波形特征[22]。相比之下，FHM将能量集中在相对狭窄的频率带内，并能在长时间内维持近谐波、准周期性的激励；这种频谱集中使得系统更容易进入准稳态共振状态，并发展出类似疲劳的塑性模量降低和应变积累[24]。因此，即使两个记录的峰值加速度相当，它们对土壤塑性模量降低、孔隙压力演化和累积位移的影响也可能在质量和程度上有所不同。此外，由于土壤刚度和强度在循环加载下的演变依赖于记忆效应，塑性模量恶化的速率和路径不仅取决于瞬时应变幅度，还强烈依赖于加载谱、持续时间和波形的准周期性[25]。因此，区分这两类运动是必要的，目前FFLP对光伏装备斜坡动态不稳定性的影响尚未得到充分研究。
准确模拟斜坡及相邻结构的地震响应在很大程度上取决于土壤本构模型的精度[26]。在循环地震加载下，土壤表现出复杂的非线性行为[27,28]。等效线性方法或简化的弹塑性模型[29]无法捕捉地震过程中塑性模量和循环损伤的演变。这一限制往往导致对永久斜坡位移和相邻建筑结构力的低估。PM4Sand模型在非线性地震变形分析中被广泛使用[30,31]。然而，该模型本质上是一个基于边界表面塑性的简化应力比模型；其硬化定律主要是针对液化触发后的大变形阶段进行校准的，在模拟非液化状态下长时间震动引起的细小应变刚度的精细衰减时，它往往过度依赖经验相关性。另一方面，SANISAND模型及其衍生模型[32],[33],[34]基于双表面塑性理论，为描述沙子的各向异性和膨胀性提供了严格的理论基础。然而，在面对长时间运动的数百个加载循环时，标准SANISAND模型往往缺乏对反向加载历史的记忆，导致预测的滞后环逐渐闭合，从而低估了循环后期的塑性应变积累。此外，非塑性本构模型使用张量函数直接描述应力增量和应变增量之间的关系[35],[36],[37]。尽管它们摒弃了传统的屈服面概念，但在工程尺度上的应用受到复杂循环路径下的数值稳定性和参数校准复杂性的限制。在这种情况下，基于广义边界表面塑性理论的P2PSand本构模型引入了状态参数和记忆面的概念。它建立了当前应力状态与边界表面距离之间的功能关系，从而本质上实现了对塑性模量非线性演变的精确描述[38],[39],[40]。这使得模型能够捕捉长时间循环加载下土壤塑性模量的硬化/软化和循环流动性。
为了解决FFLP研究中的不足，本研究强调了区分OGM、FNHM和FHM特性的必要性，并在光伏斜坡设计中考虑塑性模量效应。首先，使用直接简单剪切（DSS）试验的数值模拟对P2PSand本构模型进行校准，以准确捕捉非线性土壤行为。其次，采用桩-土耦合隐式数值方法，利用耦合弹簧模拟土-结构相互作用，有效地将土壤损伤效应传递给桩基础和光伏结构。最后，通过检查地面运动的幅度、频率和持续时间等特性，系统分析了光伏斜坡系统在OGM、FNHM和FHM下的响应规律，为斜坡地形上的光伏电站的地震设计提供了参考。
