"桩靴弹性刚度在硬-软黏土中的演变机制与预测模型：降低自升式平台穿刺风险的关键研究"

针对自升式平台桩靴在硬-软黏土层中弹性刚度突变引发的穿刺风险，研究人员通过三维小应变有限元(SSFE)分析，首次系统揭示了土壤表层边界与层间界面的竞争机制，提出基于剪切模量比(G0 )的简化预测模型，为海洋工程现场评估提供了关键理论支撑。

　　

在海洋油气勘探领域，自升式平台的稳定性直接关系到数百亿资产的安全。这类平台依靠桩靴(spudcan)作为基础，但其在特殊地质条件下——尤其是表层为硬黏土、下层为软黏土的"三明治"地层中，常遭遇类似"穿刺"(punch-through)的弹性刚度突变问题。这种突变会导致平台结构分析出现严重偏差：低估刚度会夸大船体-桩腿连接处的应力，高估则可能错误预测动态载荷路径。尽管ISO规范已警示需评估分层土壤的影响，但现有研究多聚焦均质土壤或穿刺阻力预测，对弹性刚度在分层黏土中的演变机制仍存在认知空白。

中国研究人员团队在《Marine Structures》发表的研究，首次采用三维小应变有限元(SSFE)技术，完整模拟了桩靴从表层硬黏土穿透至软黏土全过程的弹性刚度变化。研究通过构建直径100D(D为桩靴直径)的土壤模型，采用Tresca本构模型，隔离分析了表层边界效应、层间界面效应及其耦合作用。关键创新在于提出以参考剪切模量G₀
归一化的刚度矩阵，建立了包含厚度比、模量比、非均质系数等参数的预测体系。

主要技术方法
研究通过ABAQUS建立三维模型，采用位移控制法施加荷载增量(δV, δH, δM)，测量对应的位移响应(δw, δu, δφ)。通过设置100D的嵌入深度消除边界效应，对比均质土壤验证模型准确性。分析中特别关注剪切模量梯度变化(G=G₀
+kz)对KV、KH、KM三个方向刚度系数的差异化影响。

研究结果

1. 土壤表层边界效应：当桩靴埋深小于2D时，表层约束使垂直刚度KV提升达40%，但水平刚度KH受抑。
2. 层间界面竞争机制：在硬-软黏土过渡区(埋深1-1.5倍硬层厚度)，KV出现"双峰"特征，而KH呈现单边衰减，表明土壤变形向软层转移。
3. 参数敏感性：剪切模量比(G_硬
   /G_软
   )>5时，刚度突变幅度可达300%，但厚度比超过3后效应趋于稳定。
4. 预测模型：提出的简化剖面将刚度变化分为表层主导区、过渡区和软层稳定区，误差控制在±15%内。

结论与意义
该研究揭示了硬-软黏土中桩靴弹性刚度的"动态再分配"机制：表层硬黏土通过应力重分布将更多变形转移至下层软黏土，客观上降低了穿刺风险。提出的预测框架首次实现了对ISO规范中分层土壤评估的技术落地，其建立的G₀
归一化方法为平台动态响应分析提供了标准化输入参数。Xiu Zhe Wang等作者特别指出，该成果可直接应用于自升式平台的预压载设计和极限状态评估，对深水油气开发的安全边际控制具有重要工程价值。