为研究季节性冻土在冻结过程中各物理场间的耦合作用机制，在封闭条件下开展了直径10 cm、高25 cm土柱单向冻结试验，并结合COMSOL Multiphysics数值模拟软件，模拟了温度场、水分场、位移场及应力场随冻结时间的变化规律。结果表明：在试验初期的前7 h,土柱温度下降速度较快，且距离冷源越近，温度下降得越快，降温的幅度也越大；冻结至30 h,距土柱顶层2～4 cm的范围内富含有大量冰晶体，该区域土体的冻胀量与应力最为集中，土柱最大冻胀量达到约2.62 mm,且冻胀变形量趋于一种稳定状态。
为研究多年冻土区铁路桥梁桥台冻胀倾斜病害的形成机理，并分析其变形规律，针对这一病害建立桥台-路基有限元模型，分析桥台后路基温度场特征及桥台冻胀倾斜规律。基于非饱和土渗流和热传导理论，联立冻土水热微分方程，并使用含冰量计算变形场从而实现水热力三场耦合。利用COMSOL软件建立三维桥台-路基水热力耦合模型，通过室内冻融试验验证该模型的有效性。最后以某多年冻土区铁路桥台为例，对桥台后路基未来30年间冻土上限、桥台冻胀倾斜展开研究分析。结果表明：在未来30年桥台后路基多年冻土上限呈现持续下降趋势，但桥台横截面冷空气的持续输入影响了路基不同位置处的冻土上限下降深度。在距离桥台4 m处路基多年冻土上限阳坡坡脚未来30年下降0.99 m、路基中心处下降0.92 m。在距桥台16 m处路基冻土上限阳坡坡脚未来30年下降1.6 m、路基中心下降1.81 m。在未来30年间，桥台后路基持续发生差异性水平冻胀，顶端累计水平位移155.6 mm、底端累计位移23.6 mm,桥台整体发生倾斜。
在青藏高原多年冻土区铁路建设中，由于高原山区地形地貌复杂，建设在斜坡中的桩基础不在少数，地基土经历冻融过程以后桩基常常发生倾斜，严重影响铁路运行安全。为揭示在地基冻胀影响下多年冻土区斜坡单桩的倾斜机理，基于传热学与弹性力学，建立桩体体系热力耦合计算模型并进行室内试验验证计算模型的合理性，考虑地基土原位冻胀、水分相变、大气变暖等因素，进行地基土冻胀影响下斜坡桩基力学特性模拟分析。研究表明：斜坡桩体在地基土冻胀过程受到不均匀水平冻胀力、产生水平位移以及桩体弯矩，且水平位移随着地基斜坡坡度增大而增大；因不均匀水平冻胀引起的桩体应力占总应力的46.3%,对桩体安全性以及工程寿命产生较大影响。进行受到斜坡地基土冻胀影响下单桩力学特性分析，揭示在地基冻胀影响下多年冻土区斜坡单桩的倾斜机理，对多年冻土区斜坡桩基设计及运营有一定的参考价值。
铁路路桥过渡段是整个线路中至关重要部分，也是相对薄弱部位，高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段填土冻胀引起墩台梁体变形变位，对线路平顺性造成了很大影响。针对高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀问题，基于热力耦合理论，采用ABAQUS软件建立铁路路桥过渡段数值模型，分析过渡段温度场与填土冻胀发展变化规律，探讨由桥台后填土冻胀引起的桥梁-桥台-填土相互作用。结果表明：材料热力学特性与桥台温度边界是影响温度场平衡过程与分布规律的主要因素，且距桥台距离增加，影响逐渐减弱；过渡段土体地温具有正弦分布、相位滞后与振幅衰减规律；随着填土水平冻胀变形发展，桥台会逐渐发生侧移和倾斜，进而导致桥梁与桥台顶紧，影响桥梁结构安全。
近年来青藏高原多年冻土地区降雨量呈增大趋势，导致活动层沿多年冻土层滑脱，诱发的冻土浅层滑坡灾害严重影响区域生态环境和人类活动。冻土浅层滑坡失稳是渗流、温度和应力复杂耦合的过程，明确降雨条件下多年冻土斜坡水热力响应机制，揭示降雨诱发冻土浅层滑坡失稳的机理十分关键。基于冻土水热力耦合数值模拟方法，建立了仅施加气温变化的模型一和在气温变化基础上施加强度为9 mm·d-1、持续降雨18 d的模型二，探讨了低强度、长时间降雨对多年冻土斜坡水热力演化的影响。结果表明：夏季雨水入渗对斜坡浅层温度场产生扰动，进而影响土体冻融过程，活动层以下有形成富水层的可能。雨水入渗导致融土饱和度大幅增加，水分渗流方向由竖直向下逐渐转变为顺坡方向。极限状态下斜坡位移分布在活动层，符合冻土浅层滑坡变形特征，降雨入渗数天后活动层位移有显著增大的趋势，最大位移所在位置向坡脚转移。降雨对斜坡稳定性影响显著，雨水入渗对活动层水热力产生持续影响，斜坡安全系数最小值出现明显滞后。研究结果为青藏地区冻土浅层滑坡灾害防治提供了科学指导。
冻胀融沉是多年冻土区的主要病害，其受水分场、温度场、应力场的复杂耦合作用影响。基于水膜理论提出了冻土未冻水膜压力作为冰透镜体生成的判据，并重新对水分迁移驱动作用进行描述，建立了以温度、土体孔隙比为变量的全耦合模型。通过考虑已冻区冰基质的影响，推导了涵盖原位冻胀与冰分凝两部分的冻胀量计算公式。基于Matlab和COMSOL Multiphysics的联立平台，提出了模型冰透镜体实时分布的数值求解方法，实现了冻土温度、水分、应力、冰透镜体分布的全耦合数值求解。通过与室内土柱冻结试验及现有水热力模型（Thermal-Hydraulic-Mechanical，又称THM模型）冻胀量结果进行对比分析，证明了温度、含水率与冻胀计算上的可靠稳定。最后通过探讨温度梯度、上覆压力、渗透系数与压缩模量对土柱冻结的影响发现，温度梯度能显著增加土体冻胀量，上覆压力会导致更多水分向冻结锋面迁移，但对冻胀量起着抑制作用，渗透系数与压缩模量均对冻胀量产生正影响。为冻胀理论研究与数值实现提供了新思路。
为了研究季节性冻土地区根-土复合体土质边坡稳定性，通过分析土体强度参数、融化层深度、融化层重度及坡度对根-土复合体土质边坡稳定性的影响，模拟了春融期土坡温度场及水分场的变化特征，运用强度折减法计算了春融期素土及根-土复合体边坡的安全系数。结果表明：春融期，素土及根-土复合体边坡在冻融界面处剪切塑性应变集中，呈条带状分布，沿着冻融界面发生平面状热融滑塌；相比素土边坡，根-土复合体边坡安全稳定系数明显增大。由此可得，植物根系穿过冻融界面处时，增加了根系周围土体强度，提高了边坡安全稳定，为季节性冻土边坡工程的设计、施工和维护提供有效的科学依据及必要的数据参考。
受气温变化影响，浅层冻土滑坡失稳涉及水分的固液相态转换，是一个复杂的水热力耦合过程。为揭示气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响，基于冻土水热力耦合数值模型，模拟了2020—2024年青海省多年冻土区斜坡水热力演化过程。研究结果表明：水分迁移速率呈周期性变化，每年5—10月活动层融化程度高，总体积含水率变化趋势显著；夏季多年冻土上限以下的高含冰量土层融化产生厚度约15 cm的富水层，孔隙水压难以消散；4年间多年冻土上限下移10.4 cm，导致活动层和富水层的厚度增大，上覆融土下滑力增大、抗滑力减小，土体抗剪强度进一步下降；活动层土体每年产生数厘米冻胀融沉变形，抗剪强度不断劣化，坡脚处最容易形成薄弱带。
针对西宁至成都高铁若尔盖湿地段路基工程，基于传热方程、水分迁移方程与力场平衡方程建立季节冻土区高铁路基冻胀的水热力耦合模型，对比分析普通路基和保温路基的温度、水分和位移特征差异。结果表明：保温层有效降低路基的冻胀量，同时减小左右路肩的冻胀量差；保温路基与普通路基的总含水量分布相似，由于保温层将冻结锋面完全阻止在保温层内，其冻深远小于普通路基。
在边坡滑塌、不均匀沉陷等路基病害极易发生的多年冻土区，片块石路基是一种常见的路基结构，而其在高纬度林区的应用研究还相对较少。针对高纬度林区多年冻土体积含冰率高、对温度变化敏感等特征，以高纬度林区某段公路多年冻土片块石路基工程为例，建立冻融循环热力耦合数值模型，分析了片块石路基温度场和应力-应变场的变化规律，研究了路基冻胀融沉的热力学机制。结果表明：高纬度林区多年冻土片块石路基的温度场，在地下2 m内受地表温度影响显著，而地下2 m以下受影响较小，温度稳定在-1.5℃。多年冻土片块石路基的变形以融沉为主，在11月达到最大值，为13.5 mm;而冻胀量在4月达到最大值，为7.5 mm。路基融沉主要归因于冻土的融化，而路基冻胀是由于路基结构本身的冻胀变形引起的。因此，在高纬度林区多年冻土路基采用片块石冲压层和填筑层的结构是可行的，对路基下冻土起到良好降温效果的同时，路基的变形量也控制在了规范要求范围内。