海洋油气和风电等能源开发是解决能源短缺问题的重要途径。对于海洋油气平台、海上风机等构筑物,吸力式桶形基础因具有运输方便、安装成本较低且可重复利用等优点正在得到工程界越来越广泛的关注。桶形基础在受力过程中承载力的发挥与加载速率、排水特性和土体应变软化等因素密切相关,研究考虑这些复杂作用下桶形基础上拔承载特性对于保障海洋能源基础设施安全服役具有重要意义。本文针对该问题开展了较系统的超重力离心模型试验和数值模拟,主要研究成果如下:(1)利用大变形连续极限分析(Sequential limit analysis,SLA)方法,开展了 T-bar由泥面贯入至地基深层过程的模拟。揭示了贯入过程中地基土由浅层整体非满流破坏机构向深层局部满流破坏机构的转变,并评估了满流前传统T-bar阻力系数模型的误差;首次提出了考虑T-bar初始贯入引发土体应变软化的阻力系数修正模型,使T-bar测试技术获取地基“原状”不排水抗剪强度成为可能。基于参数分析量化了 T-bar测试中界面粗糙度和贯入速率对贯入阻力的影响。这部分工作显著提高了后续超重力离心模型试验中地基土强度的测试精度。(2)在软黏土地基中展开了不同加载速率下单桶和群桶基础上拔超重力离心模型试验。发现了在较小幅值荷载作用下群桶效应对抗拔的强化作用,对基础长期服役性能有利,但群桶基础表现出比单桶更“脆”的受力特性;利用极限平衡法评估了桶裙端部阻力与侧壁摩擦阻力在加载过程中的发挥程度,提出了桶形基础极限上拔承载力的群桶效应显式计算模型。获得了桶形基础在上拔过程中桶周土体的变形特性,发现了循环加载过程中桶-土破坏机构转变导致极限承载力低于桶内土塞重量的现象。(3)基于ABAQUS中场变量子程序USDFLD的二次开发,基于Tresca屈服准则考虑了应变软化和应变率效应对软黏土不排水抗剪强度的影响,建立了单桶与群桶基础桶土相互作用的总应力数值分析模型;通过在桶土界面设置三节点孔隙水压力粘性单元,创建了考虑界面切向流与法向流的桶土相互作用流固耦合模型,实现了不同排水情况下桶形基础上拔过程的模拟;上述模型得到了超重力离心模型试验的验证。(4)模拟了不排水工况下单桶与群桶基础的上拔受荷行为,系统分析了土体强度、灵敏度、延展系数、粘滞系数、界面粗糙度、形状参数等因素对单桶上拔特性的影响,揭示了桶形基础形状参数和桶间距对群桶效应的影响机制。(5)利用流固耦合分析模型模拟了桶形基础在不排水、部分排水和排水三种情况下的上拔特性,重现了桶-土破坏机构由整体破坏向局部破坏模式的转变,揭示了较高加载速率下桶内土塞发生“颈缩”从而丧失内壁侧摩阻力的现象;发现当无量纲加载速率在1-30之间时,桶内负压发挥对加载速率变化最为敏感,呈现出典型的部分排水特性;揭示了修正剑桥本构模型中临界状态线斜率M、压缩曲线斜率λ和κ、初始孔隙比e0等土体参数和桶基长径比对基础上拔特性的影响规律。