海上风能长期以来一直被用来应对气候变化的影响。为了在复杂的环境条件下支撑海上风力涡轮机，最常用的基础形式是单桩基础，即一根大型钢制管桩打入海床。根据《2024年海上风电市场报告》（McCoy等人，2024年），在68,258兆瓦的运营项目中，单桩基础占据了海上基础市场的最大份额（55.6%）。单桩基础还占宣布建设计备容量的75.4%。
为了确保这些单桩基础能够抵抗风和波浪的侧向荷载，工程实践通常依赖于p-y方法的结果。Reese等人（1974年）开发了经典的沙土p-y模型，随后被主要设计规范（如API，2011年；DNVGL，2018年）采纳。该方法将桩视为由一系列离散的非线性弹簧支撑的梁-柱结构，这些弹簧代表周围土壤的抵抗力。每个弹簧的行为由p-y曲线定义，该曲线建立了单位长度土体抵抗力（p）与给定深度下相应桩位移（y）之间的关系。这些曲线捕捉了桩-土相互作用的复杂非线性特性，提供了一个实用的土-结构相互作用模型。
然而，尽管p-y方法及其公式在概念上是合理的，但规范推荐的参数计算（如初始p-y曲线斜率和最终土体抵抗力k_initial和p_u）是基于对长而柔性的桩（相对刚度低，D = 0.61米，L/D = 34.4）的实验结果开发的，而这些桩与单桩（相对刚度高）的行为不同。例如，广泛使用的API模型在许多研究中的准确性存在矛盾：有些研究低估了单桩的刚度（Kallehave等人，2012年；Briaud和Wang，2018年；Achmus等人，2019年），而有些研究则高估了单桩的刚度（Dyson和Randolph，2001年；Møller和Christiansen，2011年；Klinkvort，2012年；Byrne等人，2015年；Choi等人，2015年；Wang等人，2021年；Li等人，2023年）。这促使人们需要在考虑桩-土相对刚度的背景下开发新的p-y模型。
单桩基础的侧向响应从根本上受其相对于周围土壤的刚度控制。这种关系决定了受侧向荷载作用的桩的整体行为。在一个极端情况下，如图1所示，细长的桩（长径比L/D高）表现出柔性的弯曲响应，变形主要集中在顶部，桩尖处的移动最小。在另一个极端情况下，低长径比的桩表现出刚性行为，整个桩体旋转并调动整个埋深范围内的土体抵抗力。除了经典理论（Randolph，1981年）外，最近的研究（Yuan等人，2022年）和数值模拟（Higgins等人，2013年）也证实了这种桩-土刚度比的关键作用。尽管其重要性已被认可，但量化这种相对刚度仍然是一个重大挑战。
PISA（桩-土分析）设计框架（Burd等人，2020年）代表了单桩设计的一个显著进步。PISA方法通过广泛的3D有限元分析得出了一组深度依赖的土体反应曲线。尽管这一框架是一个重要的进步，但其实际应用仍面临挑战。虽然已经开发出了曲线拟合工具，但其数值实现的某些方面仍存在问题，特别是多参数拟合程序的潜在不一致性以及用于工程实践的准确性指标可能不太直观（Lapastoure和Igoe，2022年）。
为了解决规范推荐的p-y模型的局限性，大量研究致力于改进沙土的p-y计算方法。这些研究采用了多种方法，包括有限元方法（Ortolani，2016年；Fuentes等人，2021年；Zhang等人，2023年；Alver和Eseller-Bayat，2024年；Liu等人，2025年）、物理建模（Møller和Christiansen，2011年；Klinkvort，2012年）以及现场试验（Wang等人，2022b）。还有直接方法（Wang等人，2024年）和间接方法（改变桩直径）（Fan和Long，2005年；Kim等人，2009年；Wang等人，2022b；Zhang等人，2023年）来研究相对刚度对p-y曲线的影响。迄今为止，尚缺乏离心试验证据来明确桩-土相对刚度比对p-y曲线推导的影响。鉴于单桩研究中桩尺寸和土壤条件的多样性，相对刚度在p-y方法中可能起着重要作用。
鉴于单桩尺寸的不断增加，从桩-土相对刚度的角度来看，本文的目标如下：
- 1. 基于在排水条件下对单桩进行离心试验的结果，开发一种新的p-y模型公式。
- 2. 通过18次离心试验验证所提出的p-y模型。这些离心试验涵盖了广泛的测试条件，包括桩直径、壁厚度、荷载偏心距、埋深和土壤相对密度，从而可以检验本文后面介绍的方法计算出的多种桩-土相对刚度水平。
- 3. 利用所提出的p-y模型扩展测试条件，研究荷载偏心距对荷载-位移关系的影响。
