能源枯竭、环境污染及温室效应是当今世界面临的三大危机,为了解决此问题,人们越来越重视或寻求清洁的、可再生能源的开发与利用。山区风电是解决这些问题的有效途径。山区风电场具有风力资源好、不占用耕地、投资成本低等优点,从而受到越来越多的关注。重力式基础是山区风电场使用率最高的基础形式,但存在基础的钢筋混凝土用量大,大体积混凝土施工工艺要求高,基础造价高等缺点,同时基坑开挖产生大量的废渣土造成植被破坏。为提高山区风电塔架基础承载力、降低基础造价,同时吸收基坑开挖产生的废渣土以减少植被的破坏,我们创造性地提出了一种新型基础形式—山区风电钢筋混凝土空心锥形柔性基础,简称空心锥形基础,并获得国家发明专利。基础的顶板、底板及侧壁为薄壁钢筋混凝土结构,空腔内回填基坑开挖出的废渣土,这样既减少钢筋和混凝土用量又能降低废渣土对植被的破坏。基础侧壁外侧铺设橡胶柔性隔离层,使基础与地基为柔性接触,从而提高基础的循环承载性能。论文采用模型试验、数值模拟与理论相结合的方法,重点研究了砂土和强风化岩中空心锥形基础水平单调和循环承载机理及水平荷载-竖向荷载-弯矩共同作用下的承载特性,取得了如下成果:1.水平单调荷载作用下空心锥形基础的承载特性通过水平单调加载模型试验,研究了空心锥形基础荷载-位移关系、基础破坏模式及土压力的分布规律。结果表明:不同加载高度下空心锥形基础的归一化荷载-位移曲线可用对数函数表示。空心锥形基础的破坏模式为转动破坏,基础转动点位于0.45～0.66倍基础高度,且沿加载方向偏离基础中心线0.28～0.45倍基础顶板直径。基础重量相同条件下,空心锥形基础的水平承载力较传统圆形重力式基础(圆形基础)提高了 25%,而基础水平位移减小了 60%。基础侧壁设置橡胶柔性隔离层使得基础侧壁土压力减小22%。根据极限平衡方法,提出了空心锥形基础水平承载力解析表达式。2.水平循环荷载作用下空心锥形基础承载特性基于水平循环加载模型试验,模拟了不同循环风荷载条件、循环次数、橡胶柔性隔离层硬度及竖向荷载等因素对空心锥形基础累积变形、割线刚度及基础周围土压力分布的影响。得出以下结论:相同循环荷载作用下,空心锥形基础的累积水平位移较圆形基础减小28%;空心锥形基础的累积水平位移和竖向位移随荷载幅值、荷载偏移量及加载频率增加逐渐增大,循环加载过程中空心锥形基础呈上拔趋势;在空心锥形基础顶板施加竖向荷载可有效减少基础循环累积变形。空心锥形基础侧壁铺设的橡胶柔性隔离层能有效减小基础累积位移、割线刚度及侧壁土压力,从而提高了循环风荷载作用下基础的稳定性。3.复合加载模式下空心锥形基础的承载特性开展三维数值仿真模拟,得到了复合加载下空心锥形基础的破坏模式、破坏包络线及其数学表达式。结果显示:水平荷载-竖向荷载复合加载时,空心锥形基础破坏包络线可用椭圆函数表示,弯矩-竖向荷载复合加载时,可用二次函数表示,而弯矩-水平荷载复合加载时破坏包络线具有非轴对称性。循环复合加载时,空心锥形基础的极限承载力较复合加载情况降低了 35%。橡胶柔性隔离层使得空心锥形基础的水平承载力降低了 7%,但对复合加载模式下的破坏包络线形状和大小影响不明显。4.橡胶柔性隔离层对空心锥形基础承载特性的影响通过大比尺数值模拟,研究了土体强度参数及橡胶柔性隔离层硬度与厚度对空心锥形基础水平承载力的影响。结果表明:土体黏聚力、变形模量等参数对空心锥形基础水平承载力影响显著;橡胶柔性隔离层硬度为43～60且厚度为0.008～0.016倍基础直径时,水平荷载作用下橡胶柔性隔离层的耗能百分比最高达180%;土体变形模量与橡胶柔性隔离层弹性模量比值越大,橡胶柔性隔离层的耗能百分比越高,即缓冲外荷载的作用越好。5.空心锥形基础承载力、沉降理论分析针对陆地风电塔架基础在服役期间可能遇到的极端荷载状况,结合空心锥形基础地基承载力理论公式提出了空心锥形基础所需尺寸的确定方法,以及提出了空心锥形基础基底脱空面积的计算公式;讨论了空心锥形基础的不均匀沉降量与倾斜率。本文所取得的研究成果为这种新型山区风电塔架基础的设计与施工提供了重要的理论依据,具有重要的工程应用价值,期待着空心锥形柔性基础尽快应用于工程实践,产生显著的经济与社会效益。