近年来,多年冻土地区基础设施建设大规模开展,青藏铁路、青藏公路、青藏输电工程、管道工程的建成使用,标志着我国寒区工程建设技术水平的进步与发展。桩基作为多年冻土区重要的基础型式之一,广泛应用于多年冻土区的基础设施建设。然而,由于冻土特殊的物理及热力学性质,考虑不同温度、不同冻土类型及冻土蠕变特性,研究多年冻土桩基长期承载和变形问题成为桩基设计和服役的关键技术问题。考虑桩土作用关系的蠕变特性,将桩与冻土的力学关系简化为冻土与结构接触面问题,是解决该类问题的关键。本文在研制大型蠕变试验仪的基础上,开展了冻土-混凝土接触面直剪试验,着重研究接触面抗剪强度、抗剪强度参数及其随各试验因素的变化规律。并基于接触面直剪试验,在考虑接触面直剪试验影响因素、剪应力水平及加载时间对接触面蠕变特性影响的条件下,开展了接触面蠕变试验,揭示接触面剪切蠕变规律。根据接触面蠕变变形特征,定义接触面状态破坏的特征值,建立接触面的长期强度准则,研究接触面的长期强度及长期强度参数。基于接触面蠕变应力-应变等时曲线和现象学理论,建立冻土-混凝土接触面的现象学蠕变方程。并基于维亚洛夫蠕变模型理论,考虑蠕变过程中接触面物质的强化和弱化效应,建立接触面剪切蠕变本构模型。将接触面蠕变本构模型植入ABAQUS有限元中,实现接触面理论研究的数值化。本文的主要研究内容和创新点如下:(1)研究不同试验温度、试样含水率、法向应力条件下冻结粉土-混凝土接触面的直剪试验,探讨接触面的剪切受力机理,提出接触面直剪试验应力-应变本构方程,建立考虑温度和含水率对黏聚力和内摩擦角影响的抗剪强度准则。研究结果表明:接触面直剪试验的剪应力-位移曲线先后出现弹性变形阶段、塑性变形阶段、滑动破坏阶段,宏观地反映了冻土-混凝土接触面的剪切破坏机理。接触面的抗剪强度受试验温度、试样含水率、法向应力的影响,可归结为各因素对接触面抗剪强度各组分的影响。试验温度越低,接触面抗剪强度越大;随着法向应力的增大,接触面抗剪强度增大;随着含水率的增大,接触面抗剪强度先增大后减小,最终趋于冰-混凝土接触面的抗剪强度。存在接触面抗剪强度最大的临界含水率,该临界含水率为试验粉土饱和含水率的80%~93%。采用双曲线函数及直线函数的分段结合形式,能较好地模拟冻结粉土-混凝土接触面直剪应力-位移关系。(2)基于蠕变剪切试验结果,对比分析冻结粉土-混凝土接触面、冰-混凝土接触面及冻结粉土三者剪切蠕变特性的异同,并考虑剪应力水平、土样初始含水率、试验温度、法向应力对蠕变特性的影响。试验结果表明:从蠕变曲线的阶段类型分析,土样含水率大于w_p+35±5%时,接触面剪切蠕变类似于冰-混凝土的接触面蠕变曲线,表现为非衰减蠕变型;土样含水率小于w_p+35±5%时,冻土-混凝土接触面蠕变和冻土的剪切蠕变包含衰减蠕变和非衰减蠕变两种类型。从蠕变变形量及破坏类型分析,冻土-混凝土接触面及冰-混凝土接触面蠕变变形量较小,蠕变时间短,而冻土蠕变变形量较大。剪应力以指数形式影响接触面的蠕变变形速率和蠕变时间,冻结粉土-混凝土接触面蠕变长期强度随含水率的增大呈线性降低趋势,接触面蠕变长期强度随温度的降低呈线性增大趋势。如-2℃条件下,含水率为22%的冻结粉土-混凝土接触面蠕变黏聚力仅为直剪试验抗剪强度的50%。因此,考虑蠕变特性的接触面强度的降低是不可忽视的。(3)基于接触面蠕变试验的变形状态特征分析,得到了接触面衰减蠕变应力,可表示为应变幂函数与时间幂函数的乘积,其中,稳定阶段的应变速率为剪应力的幂函数,渐进流阶段的应变速率为时间的指数函数。结合时效理论,建立不同蠕变状态下应变与应力函数及时间函数的关系式,并引入时间硬化参数,建立接触面的统一现象学蠕变模型。(4)结合接触面蠕变的应力应变关系,探讨蠕变变形机理,引入硬化因子和损伤因子来描述蠕变变形的强化和弱化效应。采用接触面蠕变模型辨识,建立可用于表述接触面全过程的蠕变本构模型。基于接触有限元理论,采用接触有限元的罚函数法来模拟冻土-混凝土接触问题,并选用法向软接触形式,编写接触蠕变本构模型的UINTER子程序,用于计算冻土-混凝土接触面蠕变。研究结论对认识多年冻土区桩基长期承载和变形问题更加趋于理性,可为多年冻土桩基础的设计、运营提供理论依据。