冻土水热耦合问题因其控制方程的强耦合特性，使得相应的数值计算存在一定挑战，进而影响其在工程实践中的应用。根据能量守恒、质量守恒原理及土体冻结曲线，给出了考虑相变效应的冻土水热耦合理论模型，而后数学推导得到解耦的理论模型方程以便优化数值求解。基于COMSOL平台二次开发实现了冻土水热耦合过程的数值建模。使用兰新客运专线路基的实测数据进行数值计算的验证，并在拟合的地表边界条件下开展了该冻土路基水热耦合的数值分析。分析表明：（1）不同深度观测点对应的温度和含水率数值解与实测值具有较好的一致性，从而验证了所解耦的冻土水热耦合理论模型的可靠性。（2）土层对温度和含水率周期性变化时的幅值均有“削峰”作用，且不同深度观测点的温度和含水率正弦变化曲线均有一定的相位滞后现象。其中，温度幅值削峰和相位滞后是热传导过程的能量耗散引起，而含水率曲线的类似现象则可能是冰水相变改变土层渗透性的缘故。（3）近地表附近温度等值线较密，而远地表土层中温度等值线较疏，表明路基表层更易受外界温度波动影响。夏季时温度自上而下逐渐降低，而冬季时温度自上而下逐渐升高。（4）路基断面中含水率随着深度的增加而增大，约在含水泥粗粒土材...

针对冻土的各向异性特性，基于线性黏结接触模型，建立了能够反映冻土各向异性特性的修正线性黏结接触模型，并通过C++语言生成供颗粒流程序PFC3D调用的离散元本构子程序DLL。首先对单一接触进行了拉伸、直接剪切测试，通过对比数值与理论结果，验证了考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型的正确性。此外，模拟了不同温度条件下的冻土三轴压缩试验，并与试验得到的应力-应变曲线进行对比，结果表明，所提出的修正线性黏结接触模型对冻土具有较好的适用性。基于标定后的模型细观参数，开展了一系列的三轴压缩离散元数值模拟，利用模拟结果探讨了虚拟弱面法向倾角对冻土的应力-应变曲线特征、强度及抗剪强度指标的影响，并分析了有效配位数、细观组构量的演化规律。研究结果可为冻土各向异性宏-细观力学特性提供数值基础。

针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。