近海桩基负摩阻力与拖曳荷载的数值模拟研究：桩体安装效应的影响机制解析

针对近海软土地基中桩基负摩阻力(NSF)的生成机制问题，研究人员通过更新拉格朗日(Updated Lagrangian)二维轴对称有限元模型，对比分析了"原位植入"与"静压贯入"两种桩体安装方式对桩周土体固结过程中有效径向应力、孔隙水压力(PWP)及拖曳荷载的影响。研究发现静压桩因贯入挤压效应导致更高的负摩阻力和拖曳荷载，为近海工程桩基设计提供了关键参数优化依据。

　　

随着全球海岸带开发热潮的兴起，近海风电、人工岛礁等基础设施建设面临软土地基带来的独特挑战。这类工程普遍采用桩基础穿越软弱土层，但桩周土体固结产生的负摩阻力(Negative Skin Friction, NSF)会导致桩身附加沉降和承载力损失——就像"隐形的手"持续拖拽着桩体。更复杂的是，传统数值模拟常简化处理桩体安装过程，忽略了静压贯入等施工工艺对土体应力状态的改变，这可能导致NSF预测偏差高达30%。

印度理工学院的研究团队在《Ocean Engineering》发表的最新研究中，创新性地建立了考虑大变形效应的二维轴对称有限元模型。他们采用更新拉格朗日框架(Updated Lagrangian)结合修正剑桥模型(Modified Cam Clay)，首次系统对比了"原位植入"(in-place)与"静压贯入"(jacked pile)两种安装方式对NSF的影响机制。研究特别优化了桩尖锥角、接触刚度等关键参数，并成功复现了Indraratna等学者在曼谷软黏土中的现场试验数据。

关键技术包括：1)基于Abaqus 6.14构建考虑固结-渗透耦合的二维轴对称模型；2)采用惩罚函数法模拟桩-土接触非线性；3)通过准静态分析模拟1 m/min的慢速贯入过程；4)施加表面超载触发土体固结沉降。

【Post-surcharge loading response of jacked and in-place piles】
研究发现静压桩因贯入挤压产生显著更高的超孔隙水压力(峰值达原位桩的2.3倍)，随后消散导致有效径向应力提升38%。这使静压桩NSF产生的拖曳荷载比原位桩高21%，中性面位置下移1.2倍桩径。

【Conclusions】
该研究证实施工工艺选择直接影响桩基长期性能：静压工艺虽减少环境扰动，但会增强NSF效应。成果为近海工程提供了关键设计参数，如建议采用30°桩尖锥角平衡贯入阻力与NSF控制。更新拉格朗日框架的优化方案也为大变形桩土相互作用模拟建立了新标准。

这项研究突破性地将施工力学与长期性能关联，标志着近海桩基设计从"静态假设"向"全过程模拟"的重要转变。正如通讯作者Mousumi Mukherjee强调："未来近海风电单桩基础设计必须像考虑风浪荷载一样重视安装工艺引起的NSF增量。"该成果已被新加坡裕廊岛填海工程等重大项目采纳为设计指南。