寒区土体冻融循环会引起桩基冻拔病害,影响着桩基稳定性和服役性能。锥形桩具有削弱冻拔病害能力,但其受力行为及桩-土相互作用机制尚不明确,限制了其在实际工程中的广泛应用。为了研究冻融循环作用下寒区锥形桩的受力行为,开展了冻结作用下粉土-混凝土接触面抗剪强度、抗拉强度正交试验研究,基于试验结果,提出适用于锥形桩-土接触面的黏结-摩擦相互作用计算模型,将其应用于冻结作用下锥形桩抗冻拔数值模型,得到锥形桩-土接触面的力学特征及锥形桩抗冻拔机理。主要研究内容及结果如下:(1)针对冻结状态下粉土-混凝土接触面开展了多种含水率、温度及干密度条件下抗剪强度、抗拉强度试验研究,试验控制因素对强度影响主次顺序为:含水率>温度>干密度,其中含水率、温度影响显著,干密度影响不显著,低温、高含水率、低干密度条件下,接触面的抗剪强度和抗拉强度均达到最佳。(2)冻结状态下,粉土-混凝土接触面抗剪强度随含水率及温度绝对值的增大而增强,且其增长速度受法向压力影响。随法向压力增大,含水率对接触面抗剪强度的增强作用逐渐变小,而温度对接触面抗剪强度的增强作用仍能得到促进。含水率与温度对接触面抗剪强度的影响具有交互作用。基于试验结果,给出了土与结构物接触面冻结强度形成及破坏机制的一种解释。(3)在试验含水率区间内,接触面冻结抗拉强度与温度绝对值正相关,随含水率增长呈线性增长态势,且含水率、温度之间存在交互作用。随环境温度降低,存在一临界负温,接触面冻结抗拉强度由迅速增长转为缓慢增长。相同条件下,接触面抗剪强度显著小于抗拉强度,抗剪强度与抗拉强度间具有指数关系。(4)基于试验结果提出锥形桩-土接触面相互作用计算模型并进行了验证,利用ABAQUS计算平台建立了冻融循环作用下锥形桩抗冻拔数值模型,锥形桩具有良好的抗冻拔效果,桩体累积冻拔量与锥角呈负相关、与冻融循环次数呈正相关,当锥角增至9°后,可基本消除桩体在多次冻融循环后的累积冻拔量。(5)锥形桩抗冻拔力学机理为:锥形桩的结构特性使桩身受有拉应力分量,减小甚至消除了冻土作用于桩身的法向压应力,从而对桩身所受冻拔力起到抑制作用,最终实现桩体抗冻拔目的。在桩-土相互作用过程中,锥角与桩身所受法向压应力成反比,因此,锥角越大,锥形桩抗冻拔效果越好。