海洋风电资源开发是解决能源短缺和环境问题的重要途径。大直径单桩基础是海洋建构筑物常用的基础型式,其服役环境极端。一方面波浪等荷载作用在上部结构上引起桩基础的水平荷载和倾覆弯矩,另一方面波浪直接与海床发生相互作用,在地基内产生超静孔压导致地基承载能力弱化,严重影响上部结构的安全服役性能。这一波浪-桩-海床耦合作用复杂,导致基础刚度和承载力难以评估。此外,与陆地桩基相比,近海风机大直径单桩基础由于桩径大(桩径通常超过5 m),在波浪荷载作用下桩周排水路径显著变长,在粉砂土地基中桩周土处于部分排水状态,桩周土孔压响应对桩土相互作用产生较大影响。因此,本文通过超重力模型试验和有限元数值模拟对极端波浪作用下桩周土弱化/液化特性和桩基水平承载特性进行研究,主要研究成果如下:(1)开展了干砂中水平受荷大直径单桩超重力模型试验,并对干砂和饱和砂中模型试验结果进行对比分析,分析了埋深/桩径比、地基砂土相对密度、循环加载历史对桩土相互作用的影响,研究了不同加载速率条件下桩周土孔压累积特性和基础水平受荷特性,发现桩周土的部分排水条件对桩土相互作用具有重要影响,加载速率越快,桩周土孔压累积越明显,桩周土弱化更明显。提出了单调加载过程中桩周土孔压发展速率与桩身位移速率的对数表达式,以及循环加载过程中与荷载幅值相关的震荡孔压预测模型。(2)研制了超重力波浪模拟装置,探讨了试验相似关系,提出了高阶斯托克斯波吸波效率评估方法。针对超重力波浪模拟装置尺寸较小因而反射波对试验波形干扰显著的问题,通过流体力学数值模拟、常重力和超重力预研试验,采用波的散射原理通过设置格栅板进行吸波,确定了能够达到最高吸波效率的吸波板位置。在ZJU400超重力离心机中开展了波浪与自由砂土海床相互作用模型试验,并与理论解对比了海床表面和内部孔隙水压力,验证了波浪模拟装置的有效性。探讨了模型海床沿深度渐进液化规律和孔压累积与消散过程,并揭示了加载历史对孔压响应的影响机理。(3)基于流固耦合分析软件DBLEAVES建立了桩土相互作用数值分析模型,通过室内三轴剪切试验对不同相对密度福建标准砂的本构模型参数进行标定。研究了桩土接触面对数值分析结果的影响,通过程序二次开发实现了不规则网格波浪荷载的施加,实现了桩基p-y曲线的自动提取,同时通过与模型试验结果对比验证了数值分析模型的正确性。(4)基于流固耦合数值分析模型研究了水平荷载作用下桩周土部分排水条件对桩土相互作用的影响。研究了不同加载速率条件下桩周土孔压累积特性和桩土相互作用特性,研究了地基相对密度对土单元应力特性的影响,揭示了加载过程中水平土反力由超静孔压承担向土骨架承担的转移机理,提出了桩周土孔压累积速率预测模型和桩基p-y曲线初始刚度预测模型。(5)开展了三种荷载工况(波浪作用下自由海床、水平荷载作用下桩土相互作用、波浪对海床作用与波浪对桩水平荷载耦合作用)条件下数值模拟,对比分析了本构模型选取对数值计算结果的影响,量化了波浪-桩-海床耦合效应对桩周土孔压累积的影响,研究了波浪-桩-海床耦合作用时桩水平承载特性,并通过参数分析研究了波高、水深、海床渗透系数等因素对波浪-桩-海床相互作用的影响。