随着经济科技的发展以及西部大开发的深入开展,很多工程项目须在冻土上进行建设。桩基础自身众多的良好特性,例如,对冻土的良好适应性及施工的方便性等,使其成为寒区建筑物的首选基础。寒区桩基础设计中的重点和难点问题是如何合理地考虑冻土与桩基础的相互作用。对此,国内外众多学者采用理论方法及试验方法对冻土与桩的相互作用问题进行了研究,得出了十分有价值的结论。本文首先着重介绍冻土与桩基础相互作用问题的相关理论与试验研究,然后介绍了冻土相关物理力学性质,分析了冻土冻胀融沉的相关机理以及有效的防治措施。本文分别从模型试验与数值计算分析两个方面对冻土与单桩的相互作用问题进行研究。本文的研究内容包括:(1)基于自行设计的正冻土-单桩模型试验装置,对单向冻结情形下,正冻土与模型单桩的相互作用进行了室内模型试验,研究了在人工冻结条件下模型单桩的受力变形特性。首先对土样进行土工试验,测定其含水率、液塑限及渗透系数等基本物理参数,然后进行本文的冻结试验。试验中对相同含水率的土体,在三种不同冻结温度,即:-5℃,-10℃及-15℃下,土体中桩周土体温度场、桩顶上拔位移和桩侧摩阻力的进行了测定。研究发现在单向冻结过程中,温度在冻土中呈阶梯状分布,上部温度低下部温度高,期间存在着温度梯度,同时土体冻结导致土体发生冻胀变形,进而导致桩基础的上拔。桩基础的上拔过程经历三个阶段,即:桩基础无明显上拔位移阶段、上拔位移快速增长阶段和逐渐稳定阶段,其中第二阶段发生的上拔位移最大。同时,桩基在上拔过程中,土体对桩基础施加摩阻力,总体规律是先增大后不变或者稍有减小,并且在整个桩长范围摩阻力大致保持平衡。(2)对各向同性层状饱和土地基的上层施加初始冻胀应变,可得饱和冻土的简化模型。基于上述简化冻土模型,根据虚拟桩法并利用各向同性层状饱和土的圆形载荷基本解,建立了层状冻土与单桩相互作用问题的第二类Fredholm积分方程。数值求解所建立的积分方程,可得冻土中单桩的桩身轴力,切向冻胀力和桩身位移等。类似地,在层状饱和土的模型上施加融沉应变,可模拟上部融化的永久冻土或者季节性冻土。利用该上部融化的永久冻土或者季节性冻土模型,以及各向同性层状饱和土的圆形载荷基本解,建立了融化冻土和单桩相互作用的第二类Fredholm积分方程。基于该积分方程,对融化冻土中桩身轴力、负摩阻力和位移进行了数值计算。数值结果表明,桩基切向冻胀力主要分布在冻深范围内并且与冻深和冻胀应变存在正相关关系,同时他们会导致桩基础发生拉伸变形。类似地,融化冻土中桩基础所受的负摩阻力与融深与融沉应变也存在正相关关系,他们会导致桩基础发生压缩变形。对数值结果的对比发现,土体冻胀效应比融沉效应对桩基础损害更为严重。