桶形基础是一种适宜于软土地基上的新型港口水工基础形式,与传统的基础形式相比,在节省建设成本、缩短施工时间、承受风浪荷载等方面具有较为显著的优点。近年来桶形基础已成功应用于系泊锚、防波堤、海洋平台和风电基础等工程中,取得了良好的效果。然而作为海洋工程一种新型结构型式,桶形基础下沉承载等方面的计算没有现成的规范可参考,桶形基础与地基土体间复杂的相互作用使得此类结构的承载机理与破坏形态一直未有明确的界定。为此,本文通过模型试验和有限元模拟分析,对黏土地基中桶形基础的下沉机理和承载特性等方面进行了比较深入的研究,本文的工作内容和特色如下:1、通过黏土地基中桶形基础室内模型试验,研究了桶体液压下沉、负压下沉特性、竖向承载能力以及不同抗拔速率对抗拔承载力的影响等问题。试验结果为后文研究桶形基础液压下沉有限元分析、负压下沉计算方法以及土塞特性、桶土相互作用机理、竖向承载力计算方法和不同上拔速率下桶形基础抗拔特性提供依据。2、系统总结了近几十年来对于岩土下沉贯入数值模拟的研究现状和发展动态,阐述各种数值模拟方法的相关原理、主要特征以及优缺点。通过CEL有限元法对桶形基础室内液压下沉模型试验进行了模拟,计算结果与试验吻合较好,此方法可为桶形基础及其他海洋基础结构的贯入模拟提供有益参考。3、结合桶形基础负压下沉模型试验,对桶体负压下沉时沉贯阻力和土塞的产生和发展特性进行研究。桶形基础在负压下沉过程中,当施加的负压大于所需负压时桶体才会下沉;当所施加的负压值超过允许负压值时,过大的负压导致桶底土体发生反向地基承载力破坏,破坏的土体将在负压的作用下“吸入”桶内导致土体上升。同时阐述分析了施加负压大小与土塞隆起参数的关系。4、通过有限元分析研究桶形基础竖向荷载作用下,桶内土体应力情况与桶裙、桶壁抗力的变化趋势,阐述桶形基础竖向荷载下的承载特性。提出黏土地基中桶形基础竖向承载力的计算方法,可为桶形基础竖向承载力的设计与计算提供依据。5、研究结果表明,在不同的加载速率和不同的排水条件下软弱土地基中孔隙水压力消散程度不同,桶形基础可能发生局部剪切破坏、底部张力破坏与整体破坏三种不同的竖直上拔失效模式。利用有限元分析,探讨了不同失效模式下桶形基础上拔破坏机理,及组成抗拔承载力各部分抗力的变化情况。并通过试验和计算结果与理论公式进行对比,提出了适宜的抗拔承载力计算公式。6、以福建近海某风电基础工程为依托,对海上风机单筒基础的承载特性进行了三维有限元数值分析。计算结果表明,在成层土地基中基础受到外荷载时,基础内部土体产生屈服变形,使得其承载特性不同于传统的极限平衡方法。两者之间的差异使得实际的地基承载能力比极限平衡方法计算所得的要小。