我国地处环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅山地震带,是世界上地震活动最强烈和地震灾害最严重的国家之一,已建和拟建的风电场主要分布在“三北”区域及东部沿海。风机采用基于水平变形控制的设计原则,目前对于地震作用下风机基础动力响应方面的认识还不够全面,随着风机从陆地向近海的发展,复杂多变的极端海洋环境使得风机的抗震设计在以下几个方面面临一定的挑战:风机长期不间断受到风、浪、流等水平荷载,当受到地震作用时已存在的初始水平环境荷载对整个风机系统和基础周边土体的地震响应是否会产生影响;海上风机基础周围土体长期受到波流冲刷侵蚀,基础周围容易形成局部冲刷坑。当风机受到地震作用时,这种已经形成的局部冲刷坑对风机基础动力特征及地震响应会产生多大影响;地震由前震、主震、余震这一地震序列组成,传统的研究主要侧重在基础主震方面的响应,对于在整个地震序列中风机单桩基础动力响应演变过程并不清楚,其动力特性在整个地震序列中是否存在与设计值偏离的现象亟需进行界定。本文采用ZJU-400超重力振动台开展了风机单桩基础的物理模拟研究,基于超重力相似性准则制备了与现场风机一阶自振频率相似的离心模型,浇筑了干砂地基、水平饱和砂地基以及具有局部冲刷坑的饱和砂地基,研发了超重力环境下的柔性水平荷载施加装置,开展了一系列超重力试验。主要研究成果如下:(1)对比分析了干砂地基和饱和砂地基中风机单桩基础及其桩周土体动力响应的差异,揭示了超静孔隙水压力发展对单桩基础及桩周土体动力响应的影响。针对地震作用下风机单桩基础动力响应演变问题,分析了一地震序列中单桩基础及其土体动力特性的地震响应演化规律,揭示了地震历史对桩周土体超静孔隙水压力发展、应力-应变、剪切模量演变的影响,阐释了桩周土体动力特性演化是单桩基础自振频率、水平位移、内力以及桩-土相互作用变化的重要因素;(2)针对初始水平荷载下单桩基础响应问题,对比分析了有初始水平荷载和无初始水平荷载工况下动力响应的差异,揭示了初始水平荷载效应影响桩顶水平位移发展模式的内在作用机理。发现了初始水平荷载下桩前土体超孔压发展在地震过程中存在着抑制现象,结合数值模拟分析了桩前土单元应力状态与这种抑制现象的内在联系。通过编写了加速度反演应力-应变曲线程序,获取了单桩基础在静-动连续加载过程中的p-y曲线,揭示了初始水平荷载效应对桩-土相互作用的影响规律;(3)针对单桩基础局部冲刷问题,对比分析了有局部冲刷坑和无局部冲刷坑下单桩基础地震响应的差异性,探讨了局部冲刷效应对桩身内力及变形、桩周土体动力特性产生影响的内在机理。通过计算推导了动力p-y曲线,揭示了局部冲刷效应对桩-土相互作用影响的规律;(4)编写了三轴循环剪切单元体试验Tcl运行代码,评估了多重屈服面模型在模拟初始静剪应力效应方面的适用性。通过OpenSees数值软件编写了相关运行代码,模拟了初始水平荷载下单桩基础在LEAP下的地震响应,并与试验结果进行了对比分析。结合试验和数值计算结果,将超静孔隙水压力对p-y曲线的弱化效应引入到双曲线p-y模型中,构建了极限土反力、地基反力初始模量与超孔压比的关系,建立了能反映超孔压弱化效应的大直径单桩基础p-y曲线。通过非线性Winkler地基梁模型建立了初始环境荷载下单桩基础震后水平位移预测模型和简化模型,并验证了该模型的有效性。