海上风电的建设已经成为今后风电发展的潮流。四桩导管架基础由于其结构整体刚度大,受波流等环境荷载影响小,工程地质条件要求低等优势已经成为越来越多海上风电场首选的基础形式。海上风机结构承受着风、浪、流等环境荷载的交互作用,极端风暴潮作用下导管架基础极限承载力的确定是工程设计中最重要的问题。导管架基础作为一种特殊的群桩基础,其承载特性和变形性状与单桩明显不同,而且海上风机上部结构高耸巨大,导管架下部各基桩在承受水平荷载的同时也受到较大的上拔/下压轴向荷载的作用,传统群桩基础的水平静力分析方法对导管架基础水平受荷特性的分析具有局限性。此外,除可能遭受极端风暴潮外,海上风机结构无可避免的要承受风浪、潮流等长期循环荷载的作用。在这些循环荷载的长期作用下,下部基础会逐渐产生累积位移,当累积位移超过基础正常服役的要求时,风机基础就会失效。所以,基础在风、浪等循环荷载作用下,其累积变形满足风机正常服役性能的要求也是工程设计中的关键问题。因此,开展海上风机四桩导管架基础在水平荷载作用下群桩效应及循环效应的研究具有重要意义。本文通过离心模型试验研究水平静力及循环荷载作用下饱和砂土地基与饱和软粘土地基中导管架基础的变形特性和桩土相互作用,分析导管架基础的群桩效应和循环效应,提出了导管架基础在水平荷载作用下的分析模型。主要工作和研究成果如下:(1)基于浙江大学超重力离心模拟实验室ZJU-400超重力离心机,针对典型3MW风力发电机组导管架基础,分别在饱和砂土地基和软粘土地基中开展离心模型试验,其中水平静力加载试验共2组,水平循环加载试验共9组。(2)通过朱斌等(2014)开展的饱和砂土地基中导管架基础水平静力加载离心模型试验,获得了饱和砂土地基中导管架基础的水平受荷特性和桩土相互作用。研究结果表明:砂土地基中海上风机导管架基础水平受荷分析需要考虑群桩效应与桩身轴力的共同作用,本文提出了能够同时考虑群桩效应与基桩桩身轴力影响的p乘子,该p乘子与桩身变形、加载方向和桩身轴力相关,并据此建立了砂土中海上风机四桩导管架基础水平静力受荷分析模型。(3)开展了饱和软粘土地基中四桩导管架基础水平静力加载离心模型试验,研究软土地基中导管架基础的变形特性和桩土相互作用,并与砂土地基中导管架基础的水平受荷特性进行对比:软粘土中导管架基础的水平承载力明显小于砂土地基;软土地基中水平荷载的影响深度明显大于砂土地基。此外,还分析了软土地基中导管架基础的承载特性和破坏模式。结果显示:在沿对角线加载时导管架基础后排桩会更加容易被拔出而产生过大的竖向位移进而影响导管架基础的水平承载特性,这点需要在工程设计中引起足够的注意。(4)基于广东桂山风电场进行的大直径单桩水平加载现场试验结果,发现API规范建议的软土中单桩p-y曲线初始刚度明显偏小,建议采用双曲正切型p-y曲线来分析桩基的水平变形。此外,现行软土地基中单桩p-y曲线分析方法所采用的桩周极限土反力明显小于现场试验实测值,这是由于软粘土地基中贯入桩的水平受荷特性需要考虑打桩产生的重固结效应,并建立了基于重固结效应的饱和软粘土地基中单桩水平承载力分析体系。(5)分析了软粘土地基中导管架基础水平静力加载过程中的群桩效应,发现软粘土地基中导管架基础的前后排桩p-y曲线差异远小于砂土地基,即软粘土地基中导管架基础p乘子主要受群桩效应影响,与桩身轴力关系不大。最后,在上述研究基础上提出了能够考虑重固结效应以及群桩效应共同影响的软粘土地基中导管架基础水平静力分析模型。(6)开展了饱和砂土地基中四桩导管架基础水平循环加载离心模型试验,考虑了不同加载频率、加载方向以及循环幅值等因素对导管架基础水平循环特性的影响,从而深入分析砂土地基中导管架基础的循环受荷特性。结果显示:在单向循环过程中,导管架基础累积位移基本上与Log(N)呈线性关系;接着,通过分析前后排桩不同深度处桩身弯矩的变化规律,发现了循环加载过程的循环弱化效应。且引入了循环弱化因子t来分析循环p-y曲线由于循环作用而产生的峰值土反力的弱化以及峰值桩身位移的增加,并将循环弱化因子t与前后排桩的循环应力比pc/pu建立关系,从而针对性地提出t的表达式。根据上述分析成果,建立了砂土地基中导管架基础水平循环受荷分析模型。双向加载过程中导管架没有产生明显的累积位移,卸载刚度也没有明显的变化,可能的原因是双向循环加载幅值较小。最后,针对性地研究导管架基础在水平循环荷载作用下的竖向响应,并将导管架基础在水平循环加载过程的竖向响应分为不均匀沉降阶段与整体沉降阶段。(7)开展饱和软粘土地基中四桩导管架基础水平循环加载离心模型试验,并与砂土地基中的试验结果进行比较。结果显示:软粘土地基中导管架基础在单向或者双向循环荷载作用下都会产生明显的累积位移,且与前期加载历史有关。此外,在单向循环和双向循环荷载作用下,软粘土地基中导管架基础都会出现循环弱化效应,且单向循环荷载作用下其循环弱化特性较砂土地基更为显著。此外,软粘土地基中导管架基础前后排桩也发生类似的整体竖向沉降。这需要在工程设计中引起重视。综上,本文采用离心模型试验对水平静力与循环荷载作用下的海上风机四桩导管架基础变形特性与桩土相互作用规律进行研究,并基于相关试验结果提出用于分析导管架基础群桩效应以及循环效应的模型,为海上风机四桩导管架基础的设计提供了可靠依据。