在多年冻土地区修筑铁路和公路时,遇到的主要问题是冻胀和融沉破坏,青藏铁路沿线的桥梁工程同样也受到这两个问题的困扰。开展多年冻土区桥梁桩基础热学、力学研究,全面把握多年冻土区桩基础的冻拔及桩周冻土的冻胀特性、桩-土界面特性,为多年冻土区桥梁桩基础的运营维护提供参考和依据,有利于青藏铁路工程的安全及长期稳定发展。以青藏铁路实际工程——清水河多年冻土区湿润性地段桥梁工程为依托,采用以理论分析为主的研究方法,利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立桩土体系热-力耦合数值计算模型。对多年冻土区桥梁工程中的桩周冻土温度场在测量地温后三十年内的变化情况、冻土的冻胀变形、桩土间与冻结温度及时间相关的界面特性、桩基础的受力形式和抗冻拔机理等方面展开研究,主要得出以下结论:(1)在以弹性力学为依据研究原位水冻结的过程中,得出了不仅温度变量对冻胀系数有影响,土体的泊松比对其也有重要影响。结合不同土质在冻结状态下的冰水相变速率,推导出冻胀过程中土体冻胀率与冻胀系数之间的关系公式。(2)地面以下2m范围内,季节的变化对桩土界面温度影响较大。受全球气候变暖及太阳辐射等因素的影响,桩基础将吸收的热量传递到冻土层,使桩土界面的温度随着时间的推移呈升高的趋势,并导致桩周土体的温度要高于同一深度未受扰动的土体温度。大气温度对土体温度的影响会随着土层深度的增加而减小,在达到一定深度后,大气温度将不再干扰土体温度。深层土体的温度变化相对于地表土体呈现出一定滞后性。(3)桩周土体的冻胀量小于远离桩侧土体的冻胀量,两者的差值由11月的1.74cm增加到2月的5.47cm。2月的最大冻胀量出现在距离桩侧5.1m处,相比11月,与桩侧的距离增加了3.1m,说明随着冻结时间的推移,桩基础对桩周土的冻胀约束作用越来越大且影响范围越来越广。地表处桩土界面间的法向应力最大,随着冻结时间的推移,桩土界面间的法向应力分部形式没有改变,但是法向应力值在持续增大。接触法向应力主要集中在地面以下1.5m范围内。11月~1月为桩土间切向应力的增长阶段,其最大值出现在接近地表处。随着地温降低,冻胀程度加深,切向应力显著增大,并导致桩基础的竖向位移明显增加。1月~2月为桩土间切向应力的稳定阶段,切向应力随冻深发展而增长趋缓,逐渐达到最大值。冻胀过程中,桩土界面间切向应力值的正负临界点逐渐向下移动。(4)地表处桩土间的相对滑动位移值最大,并且主要在地面以下约2.5m范围内产生相对滑动位移。随着冻结时间的增加,桩基础的位移变化缓慢,但桩周土的冻胀量在不断增大,导致桩土间的相对滑动位移不断增大。(5)由于桩顶施加荷载,桩身轴力在冻结开始时为压力。随冻结时间的推移,桩身轴力变为拉力且拉力值不断增大。随着冻胀程度的加深,拉力最大值的位置逐渐向下移动。说明冻胀程度越深,土体的冻胀现象对桩基础产生的影响越大。