自升式钻井平台以其便于安装和移位等优势在海洋油气勘探中被普遍应用,由于复杂的海洋地质条件和恶劣的海洋环境,自升式钻井平台的桩靴基础在预压安装阶段和服役阶段事故频发。因此,研究桩靴基础在复杂海洋地质条件和海洋环境荷载作用下的失效机理和承载力尤为重要。目前,大多数粘土中桩靴基础的失效机理和承载力研究多是基于地基土为均质粘土的假设。实际上,由于自然物理化学风化、搬运、沉积等作用下,粘土的物理力学特性往往存在着强烈的空间变异性。为此,本文考虑粘土的空间变异性研究桩靴基础预压安装阶段的贯入机理以及服役阶段的失效机理,提出基于概率统计学的风险分析方法。本论文的主要研究内容如下:研发了空间变异性地基的原理模型装置,提出了空间变异性粘土的制备方法。首先通过快速剪切单元试验明确了饱和土体的压实度与其不排水抗剪强度的定量关系。随后采用协方差矩阵循环嵌入法生成具有实际空间变异特征的不排水抗剪强度随机场,进而在试验中通过控制模型装置可移动叶片间土体的压实度,重构出土体的不排水抗剪强度随机场,表征了土体的变异性和相关性。同时,研制了一种高精度的微型静力触探仪,测量了土体不排水抗剪强度的空间分布。试验结果表明,本文提出的空间变异性粘土的制备方法能够制备出指定空间分布特征的土体。发展了复杂地基中桩靴基础大变形贯入的物理模型技术,实现了空间变异性土体大变形和桩靴贯入阻力的动态测量,揭示了复杂地基的大变形灾变机理。进行了典型的空间变异性土体（分别是大变异系数大水平波动范围土体、大变异系数小水平波动范围土体和小变异系数大水平波动范围土体）中桩靴基础贯入的试验研究。试验结果表明,粘土的不排水抗剪强度的空间分布特征对桩靴的贯入机理和贯入阻力有着显著的影响。基于空间变异性粘土中桩靴的贯入试验结果,评估了现有规范预测桩靴基础贯入阻力的方法。基于随机场理论和非线性有限单元法发展了随机场大变形有限元分析方法,其能够实现土工结构物与空间变异性土体之间的大变形相互作用模拟。通过ABAQUS的二次开发实现了随机场大变形有限元分析全过程、全自动地高效模拟。进行了T型贯入仪和桩靴基础贯入的仿真模拟,并将模拟结果与理论解和试验结果进行对比,验证了该方法的可靠性和适用性。采用随机场大变形有限元分析方法模拟了桩靴基础在空间变异性粘土中的贯入全过程,进一步研究了桩靴的贯入机理和贯入阻力。进行了蒙特卡洛模拟,模拟结果发现,土体的孔穴深度、桩靴的贯入阻力以及阻力比均服从正态分布;阻力比的均值和标准差均与贯入深度具有一定的函数关系。最后,提出了能预测桩靴贯入阻力的百分位值法,并采用该方法对巴西东北部海域和墨西哥湾海域的插桩案例进行了预测。预测结果表明,百分位值法能够给出具有一定置信度的贯入阻力区间和贯入深度区间,可以用于指导现场的插桩,降低插桩风险。正常固结粘土中桩靴基础的贯入会使桩靴周围的土体发生回流而使地基土受到极大的扰动,浅层强度较低的软弱土体回流至桩靴的顶部。基于桩靴贯入的随机场大变形有限分析结果,本文采用固定位移比加载法研究了桩靴安装贯入过程对服役阶段桩靴基础的失效机理和承载力失效包络面的影响。随后进行了蒙特卡洛模拟,得到了桩靴基础在400个扰动空间变异性强度场的承载力失效包络面,并进行了概率统计分析。最后,提出了扰动土体中桩靴基础承载力失效包络面公式,为桩靴基础在风暴过程中的风险分析提供了方法。