寒区土体的冻胀融沉特性对结构物稳定带来极大挑战，冻土冻融作用机理的研究对寒区冻融灾害预防具有极其重大的意义。文中通过质量守恒定律以及能量守恒定律建立寒区一维土柱水分场、温度场数值模型，考虑冰水相变引起土体内部应力变化以建立应力场。构建一维非饱和土柱水热力耦合模型，通过与已有研究比对以验证三场耦合数值模型的准确性。研究表明：冻结锋面随冻结时间不断下移。在冻结初期，冻结锋面下移速度较快，在冻结后期冻结速度变缓，且土柱内温度成近似线性分布趋势。土柱内水分场在冻结锋面处出现明显的S形曲线。在冻结条件下，土柱发生竖向的冻胀变形，模拟结果与已有试验数据吻合良好，验证了该模型的合理性以及准确性。
为研究季节冻土区含砂低液限黏土在不同埋深地下水补给时的单向冻融过程,采用由箱体、制冷/热系统和地下水补给系统等构成的冻融系统装置,对大尺寸土体模型进行单向冻融试验。试验结果表明:在冻融过程中,各土层平面的温度、含水率与冻融量均分布不均匀,且三者之间相互影响;在地下水补给下,土体的冻胀量大于融沉量,且融沉时长小于冻胀时长;不同埋深地下水对冻融的影响主要表现在对土体冻前初始含水率的影响,进而影响温度梯度和冻结锋面的变化,进一步影响未冻水的迁移、冻胀量和融沉量等发展,因此,冻融作用为温度场、水分场和位移场等复杂的多场耦合作用的结果。
冻结中的固液相变过程是冻土冻胀研究的一个基础.根据热传导理论,对半无限土体的热传导模型进行分析,将冻土分为已冻土和未冻土两个区,对固液相变以及冻结锋面的移动进行研究,探索影响冻土温度分布的因素,研究含水量、干密度和土的类型对温度场及冻结锋面移动速率的作用.同时根据冻结锋面的移动规律,建立了冻胀量随时间的关系式.最后,通过算例,结果表明含水量和干密度对冻土温度分布产生不小的影响,尤其是含水量,含水量越大,冻结锋面移动越快.含水量对冻土温度分布的影响最大,其次是干密度,土类型的影响最小.分析显示冻胀过程中温度与冻胀的影响作用明显,含水量是一重要因素,对冻胀量的影响是非常显著的.
