为了解决青藏铁路运营过程中，由于多年冻土地基的升温退化，部分多年冻土区桥梁桩基础承载性能下降，产生有害沉降变形，进而造成桥梁上部结构移位破坏，甚至部分桥梁桩基础在短时间内产生较大的沉降变形这一严重问题。基于当前多年冻土区桥梁桩基础沉降病害快速抢修技术空缺，提出人工冻结技术处置多年冻土区桥梁桩基础沉降病害的新设想，利用数值软件建立冻结管-桩基础三维模型分析该技术的可行性与调控效果，分析冻结参数、场地冻土条件等对冻结效果的影响。研究结果表明：人工冻结法可以快速降低桩周多年冻土温度；同时，冻结96 h可以对桩基地温场起到较好的冷却效果；冻结管至桩的距离对冻结效果的影响最为显著，冻土的含冰量越大，则降温速率越慢。

为了研究动载对冻土桩基传递函数的影响,制作了室内冻土-混凝土单桩模型,在静载的基础上对模型桩施加不同频率和不同大小的正弦波动荷载,分析冻土桩基的桩土相对位移、桩身轴力以及桩侧冻结应力沿桩体埋深的变化规律,并根据试验结果进行理论推导,得出考虑动荷载作用的冻土桩基传递函数及反映动载影响的动荷载系数。结果表明:桩土相对位移与桩身轴力沿桩体埋深逐渐减小,桩土相对位移沿埋深近似呈1/4正弦波长变化,桩侧冻结应力沿桩体埋深先增大后减小,在桩体埋深1/2处达到最大值;随着动载频率的增大,桩顶位移、桩土相对位移及轴力减小而桩侧冻结应力增大;桩侧冻结应力沿桩体埋深的传递函数可表示为桩土相对位移与动载频率的函数,据此得到动载影响系数沿埋深的变化,其大小随着动载频率及动载占比的增大而增大。

在地震荷载作用下,桩基在土层界面处易出现变形和应力集中,该现象在冻土与其他土层的界面处尤为明显,是导致冻土覆盖场地桩基失效重要原因。EPS材料(发泡聚苯乙烯)具有改善应力集中和减压的作用,在工程中被广泛用作路基填料。为评价EPS材料的减振性能,本文将EPS材料用作桩身和冻土层间的保护层,进行了振动台模型试验及数值计算。并进一步地在数值计算中探讨塑性材料的减振效果。结果表明,EPS材料能降低冻土覆盖场地中桩的应变、剪力、压力的峰值,具有良好的减振性能。塑性材料降低剪力、压力的性能更强,且效果随材料横截面积增大而变得更好。

大气温度变暖情况下,研究冻土桩基承载力变化规律,可为设计年限内预测工程结构物的工作状况提供科学依据。根据桩端入土深度及桩土相互作用原理分别对季节性冻土地区桩基和多年冻土地区桩基进行分类,并建立相应的桩土相互作用模型。以实际桩基工程为例,首先,建立大气温度与地温之间的关系,得出冻结期和融化期地面平均温度;然后,建立冻土区季节冻结及季节融化深度和地面平均温度与多年冻土厚度的关系,得出冻土区季节冻结及季节融化深度变化和多年冻土厚度变化;进一步综合季节冻土及多年冻土桩基工作状况的不同,结合已建立的考虑温度变化的桩土相互作用模型,基于现行规范的单桩承载计算公式并考虑不同的土性物理参数的基础上,最终建立大气温度变化与桩基承载力相关方程,预测桩基承载力变化状况。以上研究方法可运用于冻土区桩基承载力初步预测。

以传热学理论为基础建立冻土区单桩地温场的热分析模型,采用有限单元法在考虑裸露桩基表面吸收太阳辐射同时与大气自然对流换热、冻土相变、气候变暖条件下,计算了青藏高原典型的湿润性永久冻土区桩周冻土未来40 a的升温过程及桩基承载力变化,分析裸露桩长和初始年平均气温对地温及桩基承载力的影响。结果表明:太阳辐射和气候变暖使桩土界面温度升高导致单桩承载力降低;裸露桩长越长吸收的太阳辐射越多,主要体现在冬季,温度升高承载力下降,夏季升温不明显;初始年平均气温对桩基础承载力影响显著,初始年平均气温升高1℃,冬季桩基础承载力下降800～1 000 kN,夏季承载力下降400～700 kN。

根据桩土结构的有限元基本理论,基于ANSYS有限元软件平台,采用三维接触单元建立单桩桩-冻土空间体系的接触模型进行静力分析。提出了模型中关键参数的确定方法,并将模型计算的P-S曲线与试验实测曲线进行比较分析,结果表明曲线吻合较好,证明了模型建立的正确性和参数取值的可行性,为考虑桩-冻土相互作用问题提供一种适合工程应用的分析方法。

依据弹性地基梁的基本理论,提出了冻土弹簧刚度的计算方法,依托格尔木多年冻土桩基试验场试验桩,采用ANSYS中的实体单元和弹簧单元模拟桩与冻土的相互作用,基于“m”法建立了单桩桩土空间体系的有限元模型,进行轴向静载分析,有限元计算结果与实测值吻合较好,并与RANDOLPH法进行了比较。结果表明:文中提出的土弹簧刚度的计算公式能更好地反映多年冻土区桩土的相互作用效应,证明了该文方法的可行性。最后通过参数分析,给出了格尔木多年冻土区试验桩地质条件下单桩影响半径系数的取值范围,讨论了“m”值及配筋率对单桩Q-S曲线的影响。

基于ANSYS有限元软件平台,建立了多年冻土地区单桩桩土空间体系的有限元模型,结合工程实例系统地分析了桩长、桩径以及桩的长径比变化时对钻孔灌注桩承载性能的影响。研究结果表明:对于多年冻土地区的钻孔灌注桩,桩径的增加不仅能提高桩的极限承载力、而且能有效地控制桩顶的沉降,因此应选取合理的长径比才能充分发挥桩基的作用。

介绍了有限元分析软件中混凝土和冻土的本构关系,说明在ANSYS中分析桩和冻土的建模、求解及后处理的过程。对ANSYS模型中的网格划分的密度进行初步探讨,最后以实例说明ANSYS中后处理模块的应用,为以后做桩与冻土的有限元分析提供参考。