桶形基础是一种上端封闭、底端开口的新型海上基础,其外形类似于倒置的水桶,以其施工简捷、造价低和可回收利用的优点被用作海上风电塔架的基础。桶形基础的安装主要分为两个阶段:首先打开顶板上的排水阀门,基础在自重的作用下沉贯至一定深度;然后,关闭顶板上的排水阀门,抽出桶内密封的水体,产生负压吸力将基础继续沉贯至设计深度。本文采用理论分析和模型试验的方法,研究了砂土中桶形基础沉贯吸力的解析方法、土塞的产生机理、桶形基础的竖向极限承载力、桶形基础拔出引起泥面沉陷特性以及桶形基础水平单调承载失效机制等问题。借助模型试验结果和已发表文献中的实例数据对解析结果进行了验证。主要研究内容和结论如下:(1)针对桶形基础沉贯过程中桶壁端阻力的计算问题,通过分析了桶端部土体的极限应力状态,在桶壁端部构造滑移线场,依据滑移线理论推导了桶壁端阻力的解析表达式。进而得到了桶形基础总的沉贯阻力,依据桶形基础竖向的静力平衡条件得到最小吸力值的解析式。另外,基于桶内砂土管涌破坏机制求解了桶形基础沉贯最大吸力值的表达式。当最大和最小吸力值相等时,得到桶形基础的最大可沉贯深度。(2)吸力除了可能引起桶内土体发生管涌破坏之外,还可能引起桶壁端部土体发生塑性破坏,桶壁端部桶外侧的土体流入桶内部,导致土塞加速隆起,与此对应的吸力值称为临界吸力值。通过分析桶壁端部土体的极限应力状态,在桶端部构造了滑移线场,在桶壁端部所处的水平面上,基于滑移线理论建立了作用在桶壁内、外侧土体上竖向应力之间的关系式,求解了临界吸力值解析表达式。(3)桶形基础的竖向承载力主要由桶壁内、外侧的摩阻力、桶壁端部的承载力和桶内土体对顶板的支撑力提供,而桶形基础的直径、高度及埋深都影响着上述各部分力的大小。针对桶形基础竖向极限承载力大小的问题,将桶内土体与桶形基础视为一个整体进行分析,基于滑移线理论求解了桶形基础底部土体的极限承载力的解析表达式,与桶壁外侧摩擦力以及桶壁端阻力公式联立,得到了桶形基础竖向极限承载力的解析表达式。(4)基于桶形基础拔出时地基发生反向承载破坏机制,确定了塑性区各个部分土体的极限应力状态,分析了地基中潜在滑移线的形态,求解了塑性区的边界滑移线在极坐标系下的数学表达式,进而依据塑性区各个部分之间的几何关系计算了泥面沉陷范围的数学表达式。另外,依据塑性流动土体的体积守恒定律,求解了沉陷范围内泥面沉陷量的解析表达式。(5)通过模型试验研究了桶形基础水平单调承载的失效机制,分析了地基中破坏面分别在桶形基础直径和圆周方向上的形成和发展规律。研究发现:桶形基础围绕桶内部一点发生转动失稳破坏,转动中心位于基础对称轴上,距离泥面2/3h (h为桶形基础的高度);泥面附近桶前侧的土体中的破坏面随着加载位移的增加以对数螺旋线的变化规律向泥面延伸,引起泥面隆起,隆起区边界距桶壁距离为3(R为桶形基础的半径);泥面附近桶后侧的土体发生楔体破坏,泥面产生沉陷,沉陷区边界距桶壁的距离为R/2;在距泥面1/3桶高深度以下的土体中,桶壁两侧及桶底部土体整体形成球形破坏面;在与主变形面成θ角的变形面内,泥面的隆起和沉陷区域大小为主变形面内隆起和沉陷区域大小的cosθ倍。通过模型试验探究了桶形基础单调水平承载失效机制,得到了该失效机制下地基中破坏面的三维形态,这为利用极限分析上限法计算基础水平极限承载力时,构造更加接近于实际的运动许可场提供依据。