近二十年来,我国多年冻土地区基础设施建设方兴未艾,建筑(构)物基础工程遇到诸多理论与技术问题。多年冻土地基进行桩基施工时,开挖成孔、混凝土灌注、水泥混凝土水化放热等都会将热量带入到冻结土层,产生热扰动,破坏土层的原始冻结状态,形成融化圈,冻土强度减小,桩基承载力大幅降低。随时间的推移,在桩周冻土初始地温及大气环境的作用下,桩及桩周土逐渐回冻,土体强度增加、桩基承载能力逐渐提高。多年冻土的温度敏感性和独特的工程性质,给桩基工程设计、施工带来了诸多难题。为保证各类建筑(构)物桩基础的正常使用,多年冻土地基中桩土界面关系研究以及与之相关的桩基础长期承载力、变形问题更是影响桩基础安全和长期稳定性的关键。本论文以青藏高原多年冻土桩基工程为研究对象,考虑桩基施工时桩周土体的热扰动效应,通过现场实测、模型试验和数值分析,研究旋挖钻成孔及混凝土灌注后对桩周冻土热扰动效应,桩-土体系回冻过程及桩土界面特征。基于桩周土热扰动效应分析,通过水分迁移和冰膜形成模型试验,研究多年冻土桩土界面-冰膜形成机理。通过一系列低温剪切试验和蠕变试验,研究多年冻土桩土界面-冰膜力学特性。考虑桩土界面-冰膜特性,开展不同冰膜厚度、不同成桩方式下基桩静载模型试验,进行多年冻土桩基承载力计算,研究多年冻土桩基承载机理与荷载传递特征。以青藏铁路多年冻土地基某场地桩基下沉病害为工程背景,提出辅助桩加固技术,考虑温升对桩基承载力的影响,研究不同温升条件下桩基承载力的变化规律。主要研究内容和创新如下:(1)针对高温冻土和低温冻土场地旋挖钻成孔混凝土灌注桩,选取试验桩基,埋设测温元件,在桩基混凝土浇筑后即开始进行地温观测,获得地温测试现场资料。考虑不同地温和水化热条件,通过模型试验,分析不同深度处桩周土温度随时间的变化规律。通过热扰动数值计算,得出混凝土灌注后,桩中心、桩壁及距桩壁不同距离处地温随时间变化曲线。综合现场试验、模型试验和数值分析结果,研究旋挖钻成孔及混凝土灌注后对桩周冻土热扰动效应,分析地温变化和不同水化热条件下多年冻土地基桩-土体系回冻过程。研究结果表明:对于高温不稳定多年冻土地基,试验场地由于冻土初始地温及入模温度的影响,在桩底断面及天然冻土上限处地温变化率分别为0.122℃/天、0.12℃/天,高温不稳定多年冻土地基回冻速率较慢;对于低温多年冻土地基,50天后,沿桩身各点地温均降至降至负温,桩底断面及天然冻土上限处地温变化率分别为0.33℃/天、0.28℃/天。(2)从水分迁移的角度,进行粉质粘土冻结过程水分迁移试验,分析单向冻结条件下,土体初始含水率、干密度、温度梯度、冻结时间对正冻粉质粘土中的温度变化及水分迁移规律的影响,研究桩体表面冰膜的形成机制。以桩-土界面为研究对象,在不同冰膜厚度、桩体材料、温度及法向应力条件下开展低温剪切试验,获得应力-应变曲线,分析界面抗剪强度参数随温度变化规律,研究冰膜厚度和桩体材料对桩土界面剪切特性的影响。以粉土-混凝土界面为研究对象,在不同温度和法向应力条件下进行分级加载的蠕变剪切试验,获得桩土界面剪切位移随时间的变化曲线,分析蠕变变形曲线,确定界面蠕变变形破坏模式,研究接触界面的蠕变特性。研究结果表明:冻结粉土-混凝土界面的蠕变破坏形式表现为脆性特征,剪切蠕变曲线分为衰减蠕变和非衰减蠕变两类,非衰减蠕变又分为瞬时蠕变阶段、非稳定蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段四个阶段。冻结粉土-混凝土界面蠕变特性受到剪应力水平、试验温度、法向应力影响。剪应力以指数形式影响界面的蠕变变形速率和蠕变时间,界面的长期强度与法向应力服从摩尔库伦准则。(3)针对青藏高原腹地高温多年冻土、低温多年冻土地基钻孔灌注桩,对现场基桩开展回冻过程研究。根据工作需要开展未回冻状态下基桩承载性能研究。在基桩灌注60天后,进行桩基静载试验,分析基桩极限承载力。根据钢筋应变计测试结果,获得桩身轴力、桩侧冻结力(摩阻力)分布规律,分析桩侧冻结力分布规律及发挥机理、桩端阻力发挥特点。进行单桩承载力计算,分析桩端阻力、冻结强度随温度的变化规律,将规范法计算结果与实测单桩承载力进行验证,研究多年冻土桩基承载机理与荷载传递特征。研究结果表明:高温多年冻土地基钻孔灌注桩试验加载至4800k N时,平均冻结力为64.8k Pa,桩端阻为735.7k Pa,产生了较大的塑性沉降。低温多年冻土地基钻孔灌注桩加载至7600k N时,基桩桩顶位移为4.93mm,卸载后的残余沉降量为1.01mm,回弹率为79.51%,主要是弹性变形。(4)考虑桩土界面-冰膜特性,开展不同冰膜厚度下基桩承载性状室内模型试验,获得不同冰膜厚度下桩身轴力、桩侧冻结力沿桩身分布曲线。分别选取钻孔灌注桩、预钻孔灌注桩、预钻孔插入桩和预钻孔打入桩4种成桩方式,开展不同成桩方式下多年冻土地基桩基承载性状模型试验,获得不同成桩方式下桩顶位移、桩身轴力、桩侧冻结力和桩端阻力的分布曲线,研究成桩方式对基桩承载特性的影响。研究结果表明:预钻孔打入桩桩端阻力发挥程度较钻孔灌注桩大,体现了打入桩的挤密效应和灌注桩这两种不同成桩方式在桩基荷载传递特性上所造成的差异。钻孔灌注桩和预钻孔灌注桩长期承载力相近。(5)针对多年冻土地基桩基承载力退化,得到气候变暖下多年冻土桩基承载力退化预测公式。针对辅助桩加固措施,借助有限元方法,获得了辅助灌注桩和插入桩在不同时间的地温分布规律,进行桩基础承载力计算,分析了不同温升条件下桩基承载力的变化规律。研究结果表明:由于钻孔灌注辅助桩带给桩土体系大量的水化热,使得原有桩周土地温升高致使其承载力降低,在灌注辅助桩初期,整体桩基础出现了明显的承载力退化,在辅助桩施工后2个月才恢复至未设置辅助桩的承载力,随着辅助桩的回冻整体承载力逐渐提高,在辅助桩施工后6个月达到稳定状态。