1.1工程背景

我国越来越多的海上建筑物陆续兴建，如海上石油钻井平台、海上风力发电机、海上输电塔等，高桩基础是这些结构物的最主要基础型式。高桩基础同低桩基础相比具有更小的水平承载力及水平刚度，在波浪力、水平地震力、船舶撞击力作用下可能发生较大的水平变形。深入研究高桩基础的水平大变位性状，分析高桩水平变形、内力及桩周土反力之间的内在联系，探讨合理有效的高桩水平大变位分析方法，对于我国科技兴海的战略发展具有重要的科学意义和工程实用价值。

风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力。自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分便重新有了长足的发展。现如今风电作为较为成熟的新能源发电技术，已成为我国第三大能源。由于土地资源有限，大规模的陆地风电场越来越面临选址困难的问题。海上风能资源优于陆地且风的品质更加优越，因为海面粗糙度小，风速大。海上风湍流强度小，具有稳定的主导风向, 有利于减轻风机疲劳。并且海上风能开发不涉及土地征用、噪声扰民等问题。诸多优点海上风电资源的开发为中国可再生能源的发展提供了巨大的潜能，大规模海上风电越来越受到高度重视。

近海风电机组及塔架体型大，且受风、浪等复杂荷载的耦合作用，因而对支撑风电机组和塔架结构的基础提出了更高的要求。国内外常见的近海风电机组桩基型式包括超大直径单桩基础、三脚架基础、导管架基础和群桩基础等。超大直径单桩基础具有显著优势，正被越来越多地应用于海上风电大容量机组。整机固有频率、基础水平变形以及大直径桩的可打入性等多个因素决定着单桩基础的可用性。其中超大直径单桩基础直径可达3～8 m，即使其它风机群（多）桩基础的基桩直径也达1.5～2.5 m。与陆地相比，近海风机桩基础直径明显偏大。寻求一种经济和技术方面的最优解决方案，对基础设计和建造工艺提出了很高的要求。

海相软土是近海风电机的常见基础，它是指沿海地区在历史上的海进时期，沉积形成的软弱土层。其分布主要在我国沿海地区，如天津，连云港，上海，厦门，广州等。由于各地区地理环境，和土的形成条件不同，各地区海相软土有着较大的差异。一般来说海相软土具有高含水量、高孔隙比、强度低等性质，对工程建设的影响较大，在施工中稍有扰动即会导致不同程度的工程事故，这需要在工程设计及施工过程中提高重视，事前制定必要的工程措施及应对策略。

由于海洋环境复杂，单桩风机系统在其服役年限内需经受到各种复杂动力荷载的各种考验，这些荷载包括：风力、波浪力和地震。要保证单桩风站系统的长期安全性，就要确保其具有良好的水平承载性能。在海相软土中，由于土体侧抗力较软弱，当桩承受较大的水平荷载时，为防止地基土出现破坏而使地基承载能力降低，需要对海相软土桩基的受力特性进行深入研究，以便指导设计对地基做出正确的处理，保证结构的安全可靠^[1-16]。

1.2国内外研究现状

国内外对桩基的水平受荷特性已开展了大量研究，主要可以分为弹性分析法和弹塑性分析法。弹性分析法主要有地基梁法、有限元法和边界元法，它们预测的桩基性状比较一致，这类方法很难准确预测桩基发生较大变形时的实际性状。然而由于这类方法分析简单，我国相关规范仍广泛沿用。

当桩基发生较大水平变形时，采用弹塑性分析模型比较合理，其中p–y 曲线法被公认为最有效的桩基水平大变位分析方法，已在发达国家工程界广为应用。McClelland 和Focht^[17]在土体三轴应力–应变关系的基础上首先提出了p–y 曲线法。随后Matlock^[18]在水下软黏土地基中完成了直径为324mm 钢管桩的水平荷载试验，提出了桩在水下软黏土中的p–y 曲线，我国学者也提出了相应的黏土中桩基的p–y 曲线。Reese等^[19]在砂土中对直径610 mm的钢管桩进行了水平荷载试验，建立了砂土中桩基的p–y 曲线，这一方法经过改进后被美国石油协会（API）所采用^[20]。在随后的三十年里，得益于海上石油开采工业的快速发展，p–y 曲线法在国际上得到了极大地推广与应用，各类p–y 曲线形式陆续出现。O’Neill 和Murchison^[21]对砂土中桩基的p–y 曲线进行了系统的评估，并通过一系列桩基水平荷载试验比较了各种形式的p–y 曲线，认为双曲线法精度最高且相对容易使用。

国内外许多学者已经对海上风电大直径单桩基础的振动特性、变形、承载力、地震作用等课题展开了一系列的研究并取得了丰富的成果。Bhattacharya^[22]等对风机－ 单桩基础模型进行振动特性分析，比较了17 组物理实验、有限元数值分析以及理论分析的结果，发现不同类型的地基土对风机自振频率和阻尼因子影响显著; 朱斌^[23-27]等通过系统的离心模型试验、有限元分析、现场试验等手段研究了大直径单桩分别在水平静力和循环荷载作用下的受力和变形特性，发现国际上常用的API 法p-y 曲线不适用于大直径单桩基础，建议大直径单桩基础设计采用修正的p-y 曲线，与KIM B T^[28]等，YAN L^[29]等学者的研究成果一致；AnastasopoulosI^[30]等分别研究了大直径单桩基础在波浪地震联合作用下的动力特性分析，地震作用下桩周土液化情况，以及不同深度的单桩基础的动力响应的区别。

现阶段对于桩基在水平荷载单独作用下的计算研究已经较为成熟和完善，但目前桩基考虑软土作用的研究中，大部分只考虑了软黏土，而针对于淤泥或淤泥质软土为特征的海相软土中桩基力学特性研究较为缺乏。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

（ 1 ）确立适用于海相软土在水平荷载作用下的本构关系模型