桩基础是适用于具有特殊要求的建筑物的基础形式,在冻土区等土质特殊地区应用广泛。冻工作为一种不稳定土,易为基础工程带来一系列的工程病害,对桩基础及上部结构的长期服役性能提出了新的挑战。寒区桩基础的冻拔稳定性及承载力的研究不仅对基础结构的设计、施工和维护工作有一定的指导意义,也可为寒区其他工程实践中的受力与相互作用问题提供参考与借鉴。本文以室内试验、理论计算和数值模拟为研究手段,探究了冻结条件下螺旋桩与钻孔灌注桩的冻拔稳定性;基于混凝土-冻土接触面直剪试验及前人工作,总结了桩-土界面的剪切性质,并从接触面直剪试验及桩基加载试验两个角度出发总结寒区桩基础的承载力计算方法。本文所做的主要工作及相应成果如下:(1)针对季节性冻土区螺旋桩基的冻拔工况设计室内模型试验,在一维单向冻结条件下,比较不同螺旋桩型的冻拔规律,分析温度场与土压力分布。归纳了在自由约束条件下,螺旋桩因冻拔产生的竖向位移,五种桩型的抗冻拔能力排序如下:半螺旋宽叶片桩>半螺旋窄叶片桩>双螺旋桩>直线型桩>全螺旋桩。在完全约束竖向位移条件下,测量螺旋桩受冻拔产生的轴向上拔力。升温过程中,观测冻拔位移与上拔力在融沉土影响下的消散过程,其中半螺旋窄叶片桩的恢复程度最大;改进了传统的螺旋桩上拔承载力计算方法,提出了预估螺旋桩基上拔力的计算公式并与模型试验结果作对比,初步验证了其有效性。(2)基于室内螺旋桩模型试验,建立三维数值模型,模拟在相同条件下的螺旋桩冻拔响应,并验证了该模型的有效性;进而对螺旋桩的几何尺寸展开优化设计,得到了理论有效的抑制冻拔病害桩型。(3)以多年冻土区的钻孔灌注桩为工程背景,建立二维轴对称条件下的桩-土相互作用模型。以冻土的水热力顺序耦合理论为框架,构建了用于描述非饱和土冻胀规律的三阶段体变模型和冻土-桩接触面的应变软化模型,模拟并预测了典型气候条件下单桩10年内的冻拔发展。分析了不同季节桩基的受力机理,讨论了多种抑制冻拔、冻胀影响的防护措施。(4)开展正交试验设计,在冻土-混凝土接触面的直剪试验中考虑温度、法向应力、含水率和剪切速率4种影响因素,每种因素包含3个水平;采用直观分析法定性地分析不同因素对接触面力学性质的影响。每组试验结束后复位剪切盒,进行冻结强度恢复试验。结果显示在有利条件下,恢复的冻结强度能超过第一次直剪试验中的残余冻结强度。(5)系统总结了目前桩-冻土接触面直剪试验及冻土桩基加载试验的研究进展,试验同工程设计方法相联系,阐述了基于冻结强度和沉降速率等两个指标计算寒区桩基承载力的理论方法。