《Journal of Marine Science and Engineering》：Comparative Assessment of Geotechnical Design Concepts for Offshore Monopile Foundations in Sand and Clay
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现代海上风机需要越来越大的单桩基础（monopile foundations），其嵌入长径比（embedded length-to-diameter ratio, L/D）通常较低，超出了传统标准p-y方法的校准范围。因此，现有的基于规范的p-y方法可能无法完
现代海上风机需要越来越大的单桩基础（monopile foundations），其嵌入长径比（embedded length-to-diameter ratio, L/D）通常较低，超出了传统标准p-y方法的校准范围。因此，现有的基于规范的p-y方法可能无法完整反映侧向荷载作用下所激发的三维土-结构相互作用机制。本研究对嵌入黏土和砂土中的侧向受荷单桩的现行岩土设计概念进行了全面评估。为此，研究人员开展了三维有限元（finite element, FE）分析，并将其作为比较基准。分析采用NGI-ADP本构模型模拟黏土，采用HSsmall本构模型代表砂土。FE模型在使用前首先针对Cowden和Dunkirk场地的PISA现场试验结果进行了验证。随后，利用经过验证的FE模型提取基于PISA的p-y曲线，并在局部p-y层面和全局荷载-位移层面，使用一维Winkler分析将其与砂土和黏土的基于规范公式进行比较。此外，还进行了力矩贡献率（moment contribution ratio, MCR）分析，以量化控制单桩在砂土和黏土中行为的各单独抗力机制的相对贡献。FE提取的PISA p-y曲线始终能给出最接近FE分析所捕获的单桩行为的预测，而传统的基于规范p-y公式低估了黏土中的抗力，高估了砂土中的抗力。MCR分析证实，侧向p-y反应是主要的抗力分量，但对于短单桩而言，尤其在较小位移下，桩身摩擦力和基底剪力至关重要；将这些分量纳入经FE校准的一维Winkler模型，可显著改善与三维FE预测的一致性，同时保持计算效率。
论文解读文章
1. 研究背景与问题
随着海上风电的快速发展，单桩基础（monopile foundations）因其结构简单、制造安装工艺成熟且适用于浅至中等水深，已成为底部固定式海上风机的主流基础形式。然而，现代风机容量不断增大，单桩直径已普遍超过8~10米，而其嵌入长径比（L/D）却保持在较低的4~10范围内。这种大直径、相对较短的基础承受着来自风、波浪和海流的巨大侧向荷载与倾覆力矩，其侧向荷载-位移响应常成为设计的控制因素。
传统侧向受荷桩的设计通常基于梁-非线性文克尔地基（beam-on-nonlinear-Winkler-foundation, BNWF）方法，即p-y曲线法，该方法已纳入API RP 2A-WSD、DNV-RP-C212等主流海上设计指南。然而，这些模型最初是针对直径约1米以下、L/D比值远高于现代海上单桩的细长小直径桩进行标定的。相比之下，海上单桩直径更大、长细比更低，其几何刚度增加，改变了主导的土-结构相互作用机制。短而刚性的单桩不再以弯曲变形为主，而是表现出更显著的刚体转动，在更大的嵌入长度范围内调动土体抗力，激活了传统p-y公式未明确表征的三维（3D）抗力机制。此外，不同场址的海床条件差异巨大，限制了从特定现场试验标定模型的直接可迁移性，增加了外推至不同土层或荷载环境的不确定性。
为克服这些局限，PISA（Pile-Soil Analysis）项目应运而生，它结合大尺度现场试验与先进的三维有限元（3D FE）分析，专门为海上单桩推导了包含分布式侧向荷载、分布式弯矩、基底水平力和基底弯矩等多分量的土体反力模型。尽管如此，PISA方法的实际应用仍依赖于高质量、场地特定的3D FE标定，这在常规工程设计中并非总是可行。与此同时，ISO 19901-4的最新修订版引入了新的黏土p-y公式，考虑了浅层被动楔形破坏与深层绕流机制之间的过渡、裂隙行为以及各向异性修正，但其相对于既有DNV公式、FE导出的PISA p-y曲线以及全3D FE分析的系统性性能评估尚属空白。对于砂土，传统的API砂土p-y曲线虽仍广泛使用，但并未明确考虑控制现代单桩响应的直径和相对刚度效应。因此，亟需在一个统一的数值框架内，系统评估现有设计概念在不同单桩长细比和土体条件下的适用性与局限性。
2. 研究内容与结论
本研究旨在填补上述空白，通过系统的数值调查，对嵌入软黏土、硬黏土以及中密砂、密砂中的大直径单桩（L/D = 4~10）进行对比评估。研究人员建立了采用先进本构模型的3D FE模型，并首先针对Cowden（黏土）和Dunkirk（砂土）场地的PISA现场试验结果进行了验证。随后，以3D FE结果为基准响应，并作为提取局部FE导出p-y曲线的基础。这些曲线与基于规范的公式在局部p-y层面进行比较，进而被植入一维（1D）Winkler分析中以评估全局荷载-位移行为。通过力矩贡献率（MCR）分析，定量了不同抗力分量随土类及长细比变化的相对贡献。最终，基于研究发现，提出了一种富化1D建模方法。
研究得出的主要结论包括：在黏土中，FE导出的PISA p-y曲线普遍提供比DNV和ISO公式更高的抗力，尤其在近海床处和小位移条件下，表明基于规范的方法相对于3D FE基准偏于保守，且短单桩和服务性位移下的偏差最大。在砂土中则观察到相反趋势，API p-y公式产生更高的初始刚度和极限抗力，导致基于API的Winkler模型高估了全局侧向抗力，凸显了将传统砂土p-y曲线应用于大直径单桩的不确定性。MCR分析证实，侧向p-y反力在所有情况下均为主要抗力分量，但对于短单桩，补充分量（尤其是分布式桩身弯矩和基底剪力）的贡献不可忽视，其总贡献随L/D增加而减小。富化的1D Winkler模型表明，通过将FE校准的p-y曲线与桩身摩擦力和基底剪力相结合，可以显著缩小Winkler模型与3D FE模型之间的差距，为在计算高效的1D模型中捕捉3D FE响应的主要特征提供了实用框架。
3. 主要关键技术方法
本研究采用了以下关键技术方法：
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三维有限元建模（3D FE modeling）：使用PLAXIS 3D软件建立三维有限元模型，分别采用NGI-ADP弹塑性本构模型（用于模拟黏土的各向异性不排水剪切行为，可输入主动、直剪和被动三种加载模式下的不排水抗剪强度）和HSsmall硬化土小应变本构模型（用于模拟砂土从小应变到破坏的非线性、应变依赖性刚度）。
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一维Winkler梁-弹簧模型（1D Winkler beam-spring model）：使用LPile软件实施标准p-y公式（黏土：Matlock软黏土公式、Reese and Van Impe硬黏土公式、新ISO公式；砂土：API公式）以及从3D FE结果中提取的自定义p-y曲线，进行全局荷载-位移响应分析。
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PISA框架下的p-y曲线提取：遵循PISA概念，从验证后的3D FE模型中提取局部的p-y曲线，作为与基于规范公式对比的基准。
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力矩贡献率分析（Moment Contribution Ratio, MCR analysis）：通过量化分布式侧向上反力（p-y）、分布式桩身弯矩（M-θ）、基底剪力和基底弯矩各自占总恢复力矩的百分比，揭示了不同抗力机制随长细比和土类的变化规律。
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富化1D建模方法：在FE校准的p-y曲线基础上，补充了依据ISO α法（黏土）和DNV单位侧摩阻力表达式（砂土）估算的桩身摩擦力，以及从3D FE分析中量化的基底剪力，以改进1D模型对短刚性单桩的预测精度。
4. 研究结果
3.1. 黏土中的局部p-y与全局荷载-位移响应
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3.1.1. 黏土的反力曲线：在软黏土中，所有深度下FE导出的PISA p-y曲线均提供最高的极限抗力，表明基于规范的公式相对于数值解偏保守。在浅层（z=-5m），ISO各向异性公式因修正了楔形破坏区的承载力系数而抗力最低；随深度增加，各向异性影响减弱，ISO两曲线趋于一致。在硬黏土中，DNV含自由水模型表现出脆性响应，峰值后急剧软化，物理上不合理；ISO各向同性公式在中大位移下与FE PISA曲线吻合良好，优于DNV曲线；各向异性修正的影响在硬黏土中持续更深。
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3.1.2. 黏土中的全局荷载-位移响应：对于D=8m、L/D=4的单桩，3D FE PISA分析给出最高侧向抗力。使用FE提取PISA p-y曲线的1D模型紧随其后但略低，主要归因于忽略了基底剪力和分布弯矩。基于规范的公式预测的响应明显偏软，其中DNV软黏土模型表现最佳，ISO各向异性模型最为保守。在硬黏土中，各公式间的差异更为显著，表明在更高强度水平下，对所选p-y模型的敏感性增加。侧向承载力随L/D增加而增加，但在L/D>8后趋于平缓，符合临界桩长概念。在小位移（0.01D）和低L/D下，基于规范方法与3D FE基准的偏差最大，例如ISO各向异性公式在L/D=4时低估软黏土承载力达63%，硬黏土达68%。MCR分析表明，侧向p-y反力是主导机制，其贡献从L/D=4时的约86%增至L/D=10时的约96%；补充分量（M-θ、基底剪力、基底弯矩）在短桩和小位移下更重要。通过逐步添加桩身摩擦力和基底剪力，富化的1D模型能与3D FE响应达成高度一致。
3.2. 砂土中的局部p-y与全局荷载-位移响应
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3.2.1. 砂土的反力曲线：与黏土情况相反，API p-y曲线在初始刚度和深部极限抗力上均高于FE提取的曲线，这与先前多项实验和数值研究的发现一致，即API公式高估了大直径桩在砂土中的土体抗力和刚度。
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3.2.2. 砂土中的全局荷载-位移响应：对于D=8m、L/D=4的单桩，使用API p-y曲线的Winkler模型预测的侧向抗力最高，尽管它忽略了补充抗力分量。这表明API公式本身的高估效应超过了缺失补充分量的低估效应。API模型在中小位移下的平均高估幅度约为68%（中密砂）和50%（密砂）。承载力同样随L/D增加而趋于平台，但临界L/D低于黏土。使用FE提取p-y曲线的Winkler模型与3D FE基准的偏差最大仅约12%，在高L/D下可忽略。砂土的MCR分析与黏土类似：侧向p-y反力主导（L/D=4时约85%增至L/D=10时约95%），补充分量在短桩和小位移下重要，基底弯矩可忽略。通过添加按DNV公式估算的桩身摩擦力和FE提取的基底剪力，富化的1D模型同样能很好地复现3D FE响应。
5. 讨论与结论
讨论部分总结：研究表明，所选的p-y公式对低L/D短单桩的全局响应预测影响极大。在黏土中，基于规范的方法系统性低估侧向承载力，凸显了当前设计公式对大直径单桩的保守性以及FE校准p-y曲线的价值。在砂土中，API公式的系统性高估则带来了相反方向的不确定性，对小位移和服务性/疲劳设计尤为关键。MCR分析清晰地解释了为何随着L/D增加（桩变得更细长），传统1D预测会向3D FE响应收敛——因为被忽略的补充抗力分量的相对重要性逐渐降低。富化的1D模型提供了一个实用的中间方案：它能在保持计算效率的同时，通过补充关键抗力分量来捕捉短刚性单桩的主要3D FE响应特征，从而弥合简化设计与高级分析方法之间的差距。
结论部分翻译：本研究通过对黏土和砂土中的局部p-y响应、全局荷载-位移行为以及补充抗力机制的贡献进行评估，对不同的大直径海上单桩基础岩土设计概念进行了对比评估。三维有限元分析被用作参考框架，由此得到的FE提取p-y曲线与传统的基于规范公式进行了比较，并在一维Winkler分析中得以实施。
对于黏土，FE提取的PISA p-y曲线普遍提供比DNV和ISO公式更高的抗力，尤其是在近海床处和小位移条件下。因此，基于规范的方法相对于3D FE基准偏于保守，在短单桩和服务性位移水平下观测到最大偏差。ISO公式相比某些DNV硬黏土方法（特别是含自由水的硬黏土公式）有所改进，但ISO各向异性修正持续降低了预测抗力。偏差随位移和长细比的增加而减小，但在硬黏土中仍比软黏土中更显著。
对于砂土，观测到了相反的趋势。API p-y公式产生了更高的初始刚度，尤其在更深处，极限抗力也高于FE提取的曲线。因此，基于API的Winkler模型高估了单桩的全局侧向抗力，尽管它忽略了诸如桩身摩擦力和基底剪力等补充抗力分量。这凸显了将原本针对较小直径桩标定的传统砂土p-y曲线应用于大直径单桩基础时所伴随的不确定性。
在两种土类中，侧向承载力均随L/D增加而增加，但一旦达到临界桩长便趋于平台。该平台在更硬的土体和砂土中出现在更低的L/D比值下，因为此时侧向抗力可在更短的嵌入长度内被调动。使用FE提取p-y曲线的1D Winkler模型比基于规范的公式更准确地再现了3D FE响应，但由于传统p-y框架未明确包含所有抗力机制，对于短单桩仍存在一些残余偏差。
力矩贡献率分析显示，侧向分布式土反力是所有情况下的主导抗力分量。然而，补充分量，特别是分布式桩身弯矩和基底剪力，对于短单桩具有不可忽略的贡献。它们的联合贡献随L/D增加而减小，这解释了为何随着桩变得更细长，传统1D预测会向3D FE响应收敛。在所有情况下，基底弯矩的贡献均可忽略。
最后，富化的1D Winkler模型证明，通过将FE校准的p-y曲线与桩身摩擦力和基底剪力分量相结合，可以显著缩小Winkler模型与3D FE模型之间的差距。这种方法提供了一个实用框架，能够在计算高效的一维模型中捕捉三维有限元响应的主要特征，尤其适用于传统基于规范p-y方法显示出最大局限性的短、大直径单桩。
本研究的结果应在所调查的参数范围内进行解读，包括所考虑的桩几何形状、均匀的黏土和砂土剖面以及单调侧向荷载。这些受控条件是为了能够对不同设计方法进行一致性比较，并隔离所采用的土反力公式的影响。然而，与单桩设计相关的若干方面仍需进一步研究。特别是，应采用适当的本构模型和相应的验证数据来考察层状地层和循环荷载，而对桩几何形状的更广泛变化将有助于评估当前发现的普适程度。
