近年来,我国海上风电产业迅速发展。大直径单桩基础是一种极具潜力的海上风机基础形式,在全球海上风电场中的使用率占75%以上,其在服役期间不可避免的承受波浪、洋流、风等作用在结构物上所产生的水平循环荷载的作用,所处的荷载条件和土层地质条件均比较复杂。目前对于水平循环荷载作用下非均质土中海上风电单桩基础的破坏机理和受力变形特性的研究还不够完善,理论也尚未成熟。因此开展了水平循环荷载作用下非均质土中海上风电单桩基础动力响应特性研究,研究成果可为海上风机单桩基础的设计和施工提供相关合理可靠的理论依据,具有重要的理论和实践意义。以我国东海某近海海域风电场为例,运用有限元分析软件ABAQUS建立了非均质土中海上风电单桩基础数值计算模型,在模型中将桩基础受到的波浪、洋流及风荷载等效为双向对称循环荷载,土体模型选为三层土,并进行了初始地应力的平衡,从而对水平循环荷载作用下非均质土中海上风电单桩基础的动力响应特性进行了研究。首先对不同循环过程中桩身水平位移、剪力、弯矩和桩内外壁土抗力沿埋深变化规律进行了对比研究,同时对泥面处、土层分界面处、桩底端处不同循环时的时间历程曲线进行了对比分析;其次对同一循环过程中不同埋深处和不同循环时同一埋深处的桩内外壁土抗力沿桩环向的分布特性进行了对比研究;然后将数值计算结果与已有的研究成果进行对比分析,验证了数值计算模型的合理性与数值计算结果的可靠性;最后就循环荷载比、荷载频率、加载高度、加载方式、竖向荷载、桩壁厚、桩径等因素对非均质土中海上风电单桩基础动力响应特性的影响规律进行了详细分析。得到的主要结果如下:(1)桩绕桩轴线上某一点转动,表现出刚性桩的性质;随着循环次数的增加,产生桩身最大位移、最大剪力和最大弯矩的时间点滞后,泥面处桩身水平位移、剪力和弯矩绝对值逐渐增大,且增加的幅度越来越小,逐步趋于稳定。(2)淤泥土和粉砂土分界面处由于土层性质差异较大而导致桩外壁土抗力增加显著;桩身外壁土抗力的发挥不仅仅取决于桩土相对位移,还与埋深和桩侧土层性质有关;不同时间点桩外壁土抗力沿埋深的变化主要集中在距泥面和桩端一定范围内,且随着循环次数的增加土抗力随时间的变化范围增大;桩身外壁土抗力沿埋深曲线随时间的变化出现分界点,该分界点位于埋深约2/3处,分界点上下范围内土抗力随时间变化规律正好相反。(3)在淤泥土和粉砂土交界面处,桩身内壁土抗力沿桩环向呈先增加后减小交替分布;桩身内外壁土抗力沿桩环向随着时间呈现出周期性的变化;埋深较浅时桩外壁被动土压力沿桩环向随循环次数变化程度较大,随着埋深的增加,主动土压力沿桩环向随循环次数变化程度较大;随着循环次数的增加,桩身内壁主要承担荷载的位置由两边侧转向中部。(4)不同循环荷载比时桩身位移零点沿埋深逐渐下移,循环荷载比的变化对桩外壁被动土压力影响显著;随着荷载频率的增加,顺载区桩身内壁承担的荷载增大,逆载区桩身内壁承担的荷载减小;不同加载高度时桩身位移在零点以上出现交点,桩身剪力反弯点沿埋深逐渐上移;不同加载方式下桩外壁被动土压力相差较大,主动土压力差距较小。(5)负向荷载作用时竖向荷载较正向荷载作用时对桩身水平位移的影响程度大;桩身内外壁土抗力最大值随竖向荷载的增加而明显增大;位移零点之上范围内可以考虑设计“上厚下薄”和“上粗下细”的变截面钢管桩,以减小桩身水平位移;不同桩壁厚时桩身剪力曲线在埋深约6D处出现交点;桩径和桩壁厚对桩内外壁土抗力沿埋深和沿桩环向分布特性均影响较大;桩径的改变对桩外壁被动区土体的变形和周围桩的受力影响显著。