随着冻土区工程建设等级的提高，以及更为严格的环境、生态保护要求，青藏铁路等大型工程采用了“以桥代路”设计，桩基础（尤其是灌注桩）被大量使用。灌注桩表面冻结强度是冻土区桩基础设计的关键参数之一，众多学者已对其进行研究。已有研究多集中于数值分析计算或预制混凝土块（样）与冻土接触面的剪切试验研究。对于冻结强度的形成机理，尤其是现浇混凝土-冻土接触的形态特性及其对冻结强度的影响，还未发现系统研究和报道。　　本文采用在不同冻结土样中或与冻土直接接触的模具中浇筑不同正温混凝土的制样方式，获得了与实际情况更为接近的灌注桩-冻土接触面。较为新颖的制样方式是本文研究的基础，后续研究均是基于该试验得到的接触面粗糙度和桩径变化展开。　　本研究基本可以分为现浇混凝土-冻土接触面形态特性、冻结强度力学性质以及灌注桩冻结强度和承载特性三个方面。下面对取得的成果予以分别论述。　　（一）粗糙度是冻土区灌注桩表面的重要特征。粗糙度反映了混凝土对冻土的“热侵入”程度。它由混凝土与冻土两方面因素决定。通过小型混凝土桩和直剪试验，获得了现浇混凝土与冻土接触面形态特性。采用室内试验和数值模拟计算结合的方法，研究了接触面形态特性随混凝土水胶比、冻土含水量和冻土温度的变化规律。取得以下主要结论:　　(1)混凝土浇筑温度和水胶比、冻土温度及含水量是影响接触面粗糙度的主要因素，导热系数和相变热的作用是内在原因。混凝土水胶比减小、导热系数增加;以及升高浇筑温度，均有利于混凝土对冻土“热侵入”。粒径在0.5～1.5cm之间骨料，存储热量较多，移动过程中所受阻力较小，“热侵入”最为明显。　　(2)混凝土侧压力产生的压融作用对“热侵入”具有促进作用。桩径随深度会发生变化，也是形态特性的重要方面。在试验条件下，直径15cm、高20cm小型桩底部直径增大至15.97cm（增大6.47％）。　　(3)混凝土初凝时间对接触面的生成具有控制作用。依据试验条件建立数值计算模型，计算结果表明:0～1h(尤其是0～0.5h)是混凝土与冻土发生热传导的主要时间。　　(4)混凝土模型具有尺寸效应。不同尺寸模型的差异主要在于水泥用量的不同。受混凝土体积的“聚能”效应及水化热影响，实际灌注桩接触面粗糙度与小型模型桩接近，但桩径变化可能会较大。　　（二）通过直剪试验对现浇混凝土与冻土接触面冻结强度进行研究。灌注桩表面冻结强度力学性质的不同根源于接触面粗糙度引起的应力集中，其余特征与以往研究相同。取得以下主要结论:　　(1)剪应力-位移曲线特征不同。在剪切破坏前，粗糙和光滑接触面剪应力-位移曲线特征基本相同;剪切破坏后，粗糙接触面应力集中明显，应力跳跃较大;光滑接触面应力集中和跳跃峰值均较小或基本无跳跃。在100kPa法向应力条件下，粗糙接触面较光滑接触面冻结强度增大71.9％;粗糙接触面最大剪应力为150.9kPa，剪切破坏后二次应力峰值为146.7kPa，减少2.9％;粗糙接触面具有较强的抵抗二次破坏能力。　　(2)冻结强度的构成不同。光滑接触面的冻结强度主要由冰胶力构成。粗糙接触面冻结强度由冰胶结力与咬合力构成。冰胶结力与黏聚力有关，咬合力则与内摩擦角相关。　　(3)冻结强度的影响因素主要包括接触面粗糙度、冻土含水量、冻土温度及接触面法向应力，其中接触面粗糙度和法向应力是主控因素。接触面粗糙度增大，冰胶结力变化较小，咬合力增大明显。接触面法向应力对冻结强度的增大具有直接增加的作用。法向应力由100kPa增大至400kPa，粗糙接触面比光滑接触面的剪应力增大160.1％。　　（三）根据室内试验结果，提出三种基础形式，即直桩、自然扩底灌注桩和人工扩底灌注桩。在计算得到融土回冻后水平冻胀力基础上，结合室内试验，推导出了灌注桩表面的冻结强度;依据相关规范，计算了三种基础的承载特性，提出了不同基础的适用性。取得以下主要结论:　　(1)融化范围影响回冻后水平冻胀力特征。融化范围由5cm增至140cm，水平冻胀力由63kPa增至382.5kPa。其中，在5～60cm范围内，增长率较快;在60～140cm范围内，增长速率减慢。在桩径增大的过程中，桩侧面积也相应增大，使得桩径对水平冻胀力的影响较小。　　(2)灌注桩表面冻结强度量值特征。在-1℃冻土温度，30％含水量，桩径800mm条件下;桩长由6m增至30m，水平冻胀力为302.5kPa，静止土压力在56.5～282.4kPa之间，灌注桩表面法向应力在359～584.9kPa之间。由直剪试验结果推出冻结强度在127.4～175.3kPa之间。比相关规范中冻结强度特征值增大49.9～106.2％。　　(3)不同类型桩基础的承载力存在差异。三种基础形式的竖向承载力和抗拔稳定性均随着桩长的加深、桩径的增大而增大。人工扩底和自然扩底灌注桩竖向承载力较直桩分别增大26.95％和18.15％，抗拔承载力较直桩分别增大19.16％和18.28％。定义人工扩底和自然扩底灌注桩抗拔承载力相等时的桩长与桩径之比为最优长径比。人工扩底桩最优长径比较小，则其适用于短而粗的灌注桩;自然扩底桩最优长径比较大，说明其更适用于深基础。　　本文从室内模拟试验和数值计算两方面对灌注桩表面冻结强度的形成机理及承载特性进行了系统研究，研究结果可为冻土区灌注桩基础的设计和施工提供借鉴。不足之处在于缺少现场原位试验对本研究结果的验证和支撑。下一阶段研究任务是寻找并提出一种能够显著提高降温效能、增大桩基长期热稳定性、缩短工程建设周期并具有环保优势的新型灌注桩基础及其施工工艺。