《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：3D FE cyclic modelling of monopiles in sand using SANISAND-MS: Calibration and validation from soil element to pile-interaction scale
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单桩基础设计中的3D有限元模拟研究，采用SANISAND-MS模型结合实验室与离心机实验数据，优化参数校准方法，验证了干砂条件下的良好模拟精度，但饱和砂中因未充分考虑土-桩界面行为和孔隙水压力累积导致精度下降，提出需改进模型外推能力与加载速率影响分析。
刘浩源|玛丽亚·康斯塔迪努|王欢|汉斯·彼得·约斯塔德|费德里科·皮萨诺
北京航空航天大学交通科学与工程学院（前挪威地质技术研究所，奥斯陆，挪威）
摘要
理解和准确模拟单桩行为是现代海上风电岩土工程中的核心挑战，通常需要基于经过良好校准的本构模型的稳健有限元（FE）模拟来进行详细设计。本研究通过一系列综合实验（从单元尺度测试到在干燥和饱和砂土中的单轴和循环加载下的离心机建模）对使用SANISAND-MS模型的三维FE建模应用进行了批判性评估和改进。工作重点探讨了SANISAND-MS本构模型可靠校准的策略，包括测试数据可用性的限制、材料响应的变异性以及模型参数与代表实际运行情景的土壤应变水平之间的对齐问题。此外，还强调了使用SANISAND-MS时的实际考虑因素和局限性，特别是在将物理建模中观察到的基础响应特征外推到全尺寸条件时。对于本文研究的案例，数值模拟与实验数据在干燥条件下的吻合度较好，而在饱和条件下的准确性较低，这突显了需要更详细地处理土壤-桩界面行为和加载速率对孔隙水压力生成的影响等因素。总体而言，这些发现为提高海上单桩设计高级FE模拟的准确性提供了有价值的指导。
引言
由于技术进步和成本降低，海上风电行业正在快速发展，使得越来越大型和强大的风力涡轮机得以部署[1]。目前，大多数海上风力涡轮机都采用单桩基础，这种基础因其可靠性和在浅至中等水深区域的相对易安装性而受到青睐。现代海上单桩的直径通常在5-8米范围内，对于高容量涡轮机和深水应用，单桩直径可达9-10米或更大，单个桩的重量往往超过1000吨。这种大直径单桩在更深的水域和更恶劣的环境条件下面临越来越多的挑战。由于基础系统约占海上风电项目总成本的20%，因此基础设计中的不确定性和保守性——尤其是在循环加载下——会对整个项目的可行性和成本效益产生显著影响。
近年来，单桩设计的稳健程序的发展依赖于实验和数值研究的结合，这些研究涵盖了循环土壤行为[2]、[3]、[4]、[5]以及桩对循环加载的响应，包括在标准[7]、[8]、[9]、[10]、[11]和增强重力条件[12]、[13]、[14]、[15]下的小规模测试，以及中/大规模现场测试[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。数值模拟——特别是采用先进循环本构模型的隐式三维有限元（FE）分析——因其能够提供关于土壤-结构相互作用机制的详细见解而变得尤为重要[21]、[22]。在这种情况下，准确表示循环土壤行为至关重要，这可以通过基于塑性的先进本构公式实现。本文重点研究了安装在沙土中的海上单桩，最近应用的SANISAND-MS边界表面塑性模型在循环分析中取得了令人鼓舞的结果，特别是在再现土壤爬坡效应和相关的单桩倾斜积累方面。刘等人[23]、[24]、[25]、[4]，刘和凯尼亚[26]以及皮萨诺等人[27]的研究成果尤为突出。除了传统的平底海床单桩外，最近的研究还扩展了对其他几何配置（如带鳍片、螺旋形和短鳍片单桩）以及倾斜地面条件的认识，促进了海上单桩设计的进一步发展[5]、[28]、[29]。尽管取得了进展，但仍存在挑战：高循环次数的砂土行为模型很少，且用于校准单轴和循环加载下本构模型的全面测试数据也有限[30]、[31]。
本研究整合了实验和数值方法——从单元尺度的实验室测试到离心机物理建模——以改进循环加载单桩的时域、逐步三维FE分析。首先通过实验室测试表征土壤行为，然后在干燥和流体饱和条件下进行离心机实验。这一组合数据集使得能够校准SANISAND-MS模型，并系统地比较三维FE模拟结果与离心机测量结果，从而突出了海上单桩建模中的关键不确定性来源。这项工作与正在进行的国际研究努力一致，这些努力不仅旨在评估先进本构模型相对于土壤单元测试数据的性能[32]，还旨在评估其在校准并应用于再现土壤-基础系统响应时的预测能力——其中海上单桩是一个特别值得关注的案例[33]、[34]。
本研究是在MIDAS项目的框架下进行的，该项目是一项旨在提升物理和数值建模能力以改进单桩设计方法的荷兰研究计划[35]、[36]。实验在荷兰代尔夫特的Deltares地质技术实验室进行，重点研究了安装在Geba砂中的单桩的循环行为——Geba砂是一种基于二氧化硅的、略带粉砂质、粒度较差的细砂，此前已在物理建模研究中使用（例如[12]、[37]）。本文提供了Geba砂的全面实验室特性描述，以支持SANISAND-MS模型的校准，用于模拟离心机桩荷载测试，相关细节在MIDAS相关出版物[38]、[39]中有详细描述。研究贡献可总结如下：(i) 在一系列加载和排水条件下获得的单元尺度测试结果，既可用于校准SANISAND-MS，也可对其性能进行关键评估；(ii) 整合了来自土壤单元和桩荷载测试的实验数据集——包括固有不确定性——为循环单桩行为的三维FE模拟提供了实际见解。
章节摘录
Geba砂的实验室特性
本节总结了在Geba砂样本上进行的实验室测试结果。大部分数据用于校准SANISAND-MS模型。还包括了其他测试结果，如循环简单剪切测试结果，以支持本工作范围之外的未来本构建模工作。
SANISAND-MS模型与单元测试结果的校准
本工作中SANISAND-MS参数的校准分为两个步骤。首先，根据单元测试校准模型以再现土壤在单元尺度上的应力-应变响应。其次，将此校准扩展到基础尺度，涉及单轴和循环单桩-土壤相互作用。第一步在本节中详细说明。
使用离心机测试数据对SANISAND-MS模型进行微调和验证
使用表5中校准的SANISAND-MS模型参数来模拟侧向加载单桩的行为。为了证明模型的准确性，其性能通过与MIDAS研究计划中获得的原始离心机测试结果进行了验证。在此验证过程中对校准参数进行了调整。所有三维FE模拟均在PLAXIS 3D软件中完成，该软件包含了最新的SANISAND-MS模型实现[45]。
结论
本研究提出了一个详细的框架，用于校准SANISAND-MS本构模型，以开发可靠的侧向加载单桩的三维有限元模拟，从而提高对单桩行为的理解。所提出的校准和模拟程序以及相关的建模考虑因素有望为海上单桩的更可靠FE分析做出贡献。
SANISAND-MS的性能通过单元级
CRediT作者贡献声明
刘浩源：撰写——初稿，可视化，验证，项目管理，方法论，概念化。玛丽亚·康斯塔迪努：验证，数据管理。王欢：验证，软件，形式分析。汉斯·彼得·约斯塔德：软件，方法论，调查，概念化。费德里科·皮萨诺：撰写——初稿，项目管理，方法论，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
MIDAS（通过先进的循环土壤建模改进单桩设计）是GROW联合研究计划的一部分。感谢荷兰经济事务和气候政策部的Topsector Energiesubsidie（项目编号TEHE111013）的资助，同时也感谢以下合作伙伴（按字母顺序）的支持：荷兰代尔夫特理工大学、Deltares、Eneco、Huisman。
