发展海上风电是解决气候问题和能源危机,实现我国能源结构升级的重要举措。海上风电建设中,风机基础成本占总投资的30%以上,是决定整个项目经济可行性的关键控制因素之一。对于40 m水深以内风电建设,大直径单桩基础是目前使用最广泛的基础形式;而随着海上风电建设向更深海域发展,单桩基础由于施工技术限制不再适用,吸力式桶形基础被认为是最有潜力的备选方案。与传统油气平台基础设计以轴向受荷控制不同,海上风机自重较小,基础受到风、浪流的耦合作用,设计控制荷载为水平力和倾覆力矩。同时,海上风机属于高耸动力敏感结构,基础设计要求满足整机允许频率在0.27～0.35Hz范围内和长期累积转角小于0.25°的严苛要求。对于水平受荷单桩,现有的设计经验主要来自于油气平台中的小直径柔性长桩(即,直径<2m,长径比>20),其对海上风机大直径单桩基础(直径>4m)的适用性受到工业界和学术界的广泛质疑。我国软弱砂土海床中广泛采用大直径柔性长桩(直径>4m,长径比>10),其水平静力、循环受荷特性国内外未见研究。桩径效应、加载高度、桩体刚柔性、“基底效应”以及土体相对密实度对大直径单桩破坏模式和桩土相互作用的影响,现有研究的结论彼此矛盾,缺少系统性研究。对于吸力桶基础的水平受荷特性,已有研究主要关注粘性土中基础的极限承载力,少量砂土海床中研究均在1g小比尺下开展,无法准确反映桶形基础水平静力和长期循环响应,且缺少对吸力式单桶和群桶基础的系统性对比研究。本文针对以上所提到的砂土海床中水平受荷大直径单桩和吸力桶基础的关键性技术问题,分别从理论分析、有限元数值模拟、离心机模型试验和现场试验等方面,进行了系统地研究和探索,具体的工作包括了以下几方面内容:1.通过开展中等密实相对密实度砂土中离心机模型试验,研究了大直径(4 m和6m)柔性长桩(埋深60m)水平静力和循环受荷响应,量化了桩径对大直径柔性桩桩土相互作用p-y曲线初始刚度和极限抗力影响,评估了现有API规范和文献中p-y曲线模型对大直径柔性桩的适用性,对比分析了本文大直径柔性长桩与文献报道的小直径柔性桩和大直径刚性短桩的长期循环响应,揭示了控制水平受荷桩循环特性的主要因素。2.开展了水平受荷柔性桩三维有限元模拟,采用考虑土体状态相关性、小应变刚度和剪切路径影响的亚塑性本构,基于离心机试验结果,验证了模型的可靠性,系统性研究了桩径、加载高度和土体相对密实度对柔性桩p-y曲线的影响,提出了适用于柔性桩的4参数圆锥函数砂土p-y模型,并利用文献报道的柔性桩离心机试验对比验证了模型的有效性。3.基于大直径柔性长桩和刚性短桩离心机试验,利用试验验证的三维有限元模型,开展了 108组不同直径(4-10m)刚性短桩的参数分析,系统性研究了大直径刚性短桩的桩土相互作用和承载特性,量化了桩径、长径比、加载高度和相对密实度对刚性桩p-y曲线的影响,揭示了水平荷载下刚性短桩的破坏模式,分析了不同破坏模式下刚性短桩的极限土反力分布形式,提出了基于刚性短桩破坏模式修正的p-y曲线模型和“p-y+MR-θR”分析模型。4.开展了刚性桩现场试验和有限元模拟,通过在现场试验中将模型桩内部土塞取出,首次直接量化了“基底效应”(基底剪力和弯矩)对水平受荷刚性短桩的影响,基于实测弯矩获得了刚性短桩p-y曲线,验证了p-y曲线法对刚性短桩的适用性。结合本文开展和文献报道的刚性桩现场试验,提出了基于静力触探锥尖阻力的刚性桩承载力计算模型,并推导了典型土层中刚性桩承载力的显式计算公式。5.通过开展离心机模型试验与三维有限元分析,系统性研究了中等密实砂土海床中吸力式单桶和群桶基础的水平静力和循环受荷特性,揭示了单桶基础和群桶基础的破坏模式,量化了基础刚度随变形的弱化规律,对比研究了单桶和群桶基础的长期循环累积变形、卸载刚度和阻尼比发展规律,首次发现了群桶基础在长期循环作用下的累积变形“自愈效应”。