随着我国经济的快速发展,能源短缺问题日益突出。海上风电是一种新型能源形式,受到世界各沿海国家的重视。大力发展海上风力发电是解决我国能源短缺问题的有效途径。直径达4-8m的超大直径单桩基础以施工速度快,经济性好等优点成为目前海上风电场使用率最高的基础形式。海上风电机组服役期间不可避免的要承受风、浪和极端风暴潮等水平荷载的作用。为保证风机在服役期间的正常运行,须严格控制基础的变形。因此海上风机超大直径单桩基础的设计主要以变形为控制标准,而非极限承载力。传统桩基水平受荷分析方法难以适用于超大直径单桩基础。目前水平荷载作用下超大直径单桩基础的受荷性状尚不明确,缺乏成熟的变形控制方法。因此开展超大直径单桩基础水平受荷变形性状的研究具有重要意义。本文通过大比尺模型试验、有限元数值模拟等方法较系统的研究了水平静力及循环荷载作用下粉土与砂土中超大直径刚性桩与柔性桩基础的桩土相互作用规律与变形特性,提出了超大直径单桩基础的设计方法。所做主要工作和研究成果如下：(1)基于浙江大学软弱土与环境土工教育部重点实验室物理模型试验系统,针对现场原型直径为5m,埋深为30m的超大直径刚性桩基础采用不同密实度的饱和粉土地基,开展了水平静力与循环加载模型试验,其中水平静力加载试验共6组,水平循环加载试验共8组。(2)基于刚性桩水平静力加载模型试验,获得了不同密实度粉土地基中不同加载高度超大直径单桩基础变形特性与桩土相互作用规律。结果显示,粉土与砂土中刚性桩p-y曲线呈加工硬化型,前人极限土抗力表达式计算值过于保守。水平荷载施加过程中刚性桩转动中心在土面以下0.75-0.85倍桩基埋深附近。建立了小变形条件下利用桩周土最大土压力计算圆形截面桩基桩周土反力的解析解。提出了粉土与砂土地基与桩基土面下当前深度处位移相关的水平非线性地基反力系数表达式,建立了粉土与砂土的加工硬化型p-y曲线。据此,根据水平荷载施加过程中刚性桩桩身受力与弯矩平衡,建立了水平静力荷载作用下刚性桩水平变形解析解。(3)基于刚性桩水平循环加载模型试验结果,分析了循环荷载水平、地基密实度、循环次数等因素对刚性桩累积变形与桩周土压力、超静孔隙水压力等参数变化的影响,研究了循环荷载作用下桩基累积变形机理。研究结果表明：水平循环荷载作用下,刚性桩转动中心位于土面下约0.85倍桩基埋深处；循环荷载作用下桩基累积变形和卸载刚度均与循环次数的对数呈线性比例关系；累积变形与循环荷载比密切相关而与粉土相对密实度无明显关联,卸载刚度与相对密实度相关,循环荷载比对卸载刚度却没有明显影响。提出了循环荷载作用下粉土地基中刚性桩累积变形发展的两个阶段：剪切阶段与致密化阶段。建立了预测循环荷载作用下刚性桩累积变形与卸载刚度的表达式。(4)通过粉土与福建标准砂室内三轴试验,率定了有限元数值分析土体参数,建立了超大直径柔性桩基础三维有限元数值分析模型,系统分析了土体强度参数与桩基几何尺寸等对柔性桩水平承载特性的影响规律。针对海上风机基础在服役期间可能遇到的极限荷载状况,提出了静力荷载条件下桩基最小埋深的确定方法。研究结果表明现有桩基最小埋深确定方法：vertical-tangent和zero-toe-kick准则过于保守,对直径4-8m的超大直径柔性桩基础来说,当桩基埋深增大到8倍桩径以上时,继续增大埋深对水平变形的发展没有明显的影响。(5)基于砂土循环荷载作用下的割线刚度衰减模型,结合砂土循环三轴试验结果率定了刚度衰减模型计算参数。通过ABAQUS有限元软件提供的二次开发平台,编写了自定义的USDFLD刚度衰减模型子程序,建立了循环荷载作用下超大直径单桩基础三维有限元数值模型。研究了土体强度参数,桩基几何尺寸以及循环荷载水平等对超大直径柔性桩累积变形的影响规律。提出了循环荷载作用下针对海上风机基础在服役期间可能遇到的极限荷载状况确定桩基最小埋深的方法。研究结果表明,静力条件下确定的临界埋深不满足长期循环荷载下的桩基临界埋深要求,增大桩径可减小循环次数对桩基临界埋深的影响。(6)分析总结了超大直径单桩基础设计关键问题,提出了超大直径单桩基础设计原则与流程,并采用一个工程算例进行了设计分析。土体强度较高或基岩埋深较浅的海床,可采用受力形式简单的刚性桩基础；对土质条件较差的海床,刚性桩不能满足承载力要求或桩径不满足现有施工条件时,应采用桩长较长的柔性桩。在设计超大直径柔性桩时,在满足土面变形的前提下,应首选桩径小埋深大的桩基尺寸组合；首先确定桩径,通过静力与循环荷载作用下的变形验算,通过调整埋深控制土面处水平位移。本文采用模型试验与有限元数值分析等手段对水平静力与循环荷载作用下的超大直径单桩基础变形特性与桩土相互作用规律进行了较为细致的研究。有助于提高对超大直径单桩基础水平承载特性的认识,为水平承载超大直径单桩基础优化设计奠定了理论基础。