为了探究冲击加载下初始含水率和加载应变率对非饱和冻土抗压强度的影响，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）对不同初始含水率下的非饱和冻土进行不同加载应变率下的冲击压缩试验，发现非饱和冻土的抗压强度随加载应变率和初始含水率的增加而增大。为了分析非饱和冻土在冲击加载下的抗压强度和破坏情况，从能量的角度分析非饱和冻土在冲击过程中吸收能与加载应变率和含水率之间的关系。结果表明：能量吸收的多少可以直观地反映非饱和冻土的抗压强度，同时可以反映出加载应变率和初始含水率对非饱和冻土抗压强度影响的主次。通过分析非饱和冻土在冲击加载下的能量-时程关系，可以直观地了解非饱和冻土在不同加载时刻的破坏情况。

为预测非饱和冻土的导热性能，基于土体微观结构，提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法，并将该算法与传统有限单元法组合，建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像，采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率；改进传统的四参数随机增长法，提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法；基于生成的非饱和冻土模型，通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数，并与规范中冻土导热系数进行对比，验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。

为了探究哈尔滨季冻区高铁路基冻胀受气态水迁移驱动的影响,依据"锅盖效应"和土水势理论,分析不同含水率下路基在温度势和基质势驱动作用下的气态水迁移规律。实验结果表明:总含水率低于15%时,基质势驱动作用下的气态水迁移量可达0.13%,温度势驱动作用下的气态水迁移量为0.26%,基质势驱动与温度势驱动共同作用;总含水率高于15%时,基质势驱动作用下的气态水迁移量可达1.32%;温度势驱动作用下的气态水迁移量为4.88%,温度势驱动起主导作用。二者共同作用下,路基冻胀受温度势的驱动更为明显。

为了研究多年冻土表层的水热分布情况,在非饱和冻土的能量守恒方程和水分迁移的质量控制方程的基础上考虑冰水相变和水汽相变过程,并考虑水汽运移传热及温度势对水汽迁移的影响,建立了非饱和冻土的水-热-汽耦合模型。采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法可方便地计算它们的演化过程。为此,在计算中先求解能量守恒方程的含冰量及气态水含量,再对未冻水含量和温度场进行求解,从而实现了温度场与水汽场的耦合。在此基础上,模拟计算了第1类热边界条件下半无限空间介质内非稳态温度场、体积含水率及水汽通量的分布情况,并将计算结果与未考虑耦合的解析解进行比较,结果显示水汽耦合的作用不容忽略。最后,针对处于季节性周期温度边界下路基的水热场的分布情况进行计算。研究表明,相比于水-热耦合模型,所建立的水-热-汽耦合模型得到的计算结果更为接近实际监测结果,可很好地揭示非饱和冻土中的水热汽迁移特征及其相变过程。

冻土的有效孔隙度直接影响了土体的渗透性,寒区占我国国土面积比例较大,由于寒区特殊的低温环境,使得在寒区开展非饱和冻土有效孔隙度研究的过程中,比较倚重于试验基础。本文主要对有关冻土的水理性质进行研究,尤其是有关非饱和冻土有效孔隙度测定试验的研究进展进行整理。分析得出非饱和冻土有效孔隙度测定试验的试验装置有待改进,试验条件有待完善。

以东北季节性冻土区为参考区,探究非饱和冻土在不同条件下对孔隙度的影响。首先在-5、-10、-15、-20℃时测定出10%含水率下非饱和冻土的孔隙度,探究不同温度对孔隙度的影响;然后在-10℃时分别测定出5%、10%、15%、20%含水率下非饱和冻土的孔隙度,探究不同含水率对孔隙度的影响。得出不同温度下冻土孔隙度基本不发生变化,但是随着含水率的增大冻土孔隙度逐渐减小的规律。

寒区土壤水文循环过程因冻土层的存在而复杂,冻土层中冰的存在使其水理性质变化引发许多特殊水文现象,在冻土水理性质研究过程中冻土渗透性研究是其中的关键问题之一。为了研究非饱和冻土含冰率和干密度对于非闭合孔隙度及其渗透性的影响,选取不同含冰率（2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%）、试样干密度（1.4×10～3kg/m3、1.5×10～3kg/m3、1.6×10～3kg/m3）作为单因素变量,采用定水位达西试验方法分别进行冻土渗透系数测定试验,开展了非饱和冻土渗透系数测定试验研究。结果表明:非饱和冻土渗透系数及非闭合孔隙度随试样含冰率的增加而变小,随试样干密度增加而变小,变化范围为0.19-0.714及8.55-19.18 m/d。当含冰率为20%、试样干密度为1.6×10～3kg/m3时得到最小非饱和冻土渗透系数为8.55 m/d,最小非闭合孔隙度为0.19。

在低含水率非饱和土模型的基础上,从冻土物理特性出发,只考虑毛细吸力和附加压力的作用,建立了非饱和高温冻土细观结构模型,并结合相关实验数据资料改进了高温冻土未冻水含量的经验关系式,基此推导出孔隙水压力、有效应力以及抗剪强度随温度、含水量的变化关系.同时,通过理论计算与实验(实测)结果进行对比分析,发现本模型能够很好地反映非饱和高温冻土的相关物理力学特性,尤其在定性上能够与宏观实测结果相吻合.最后,基于非饱和高温冻土微观模型,对非饱和高温冻土的有效应力、抗剪强度进行了讨论分析,给出了合理的理论解释,并对高温冻土相关物理力学特性做出了定性的理论预测.

冻土的强度是由土颗粒与冰的结合强度所决定 ,冰含量 (或初始含水量 )和干容重是非饱和冻土强度的主要影响因素 .干容重越大 ,土骨架能够承受荷载的有效面积越大 ,冻土的强度也越大 .同样干容重下的非饱和冻土 ,冰含量越多 ,冰与土颗粒的结合面积越大 ,承受的荷载能力增强 ,冻土的强度越大 .为此 ,提出冰饱和度的概念 ,建立了非饱和冻土强度与饱和冻土强度关系 ,它涵盖了干容重和冰含量的影响作用 ,揭示了非饱和冻土强度的机理 .通过试验验证 ,该关系式与试验结果具良好吻合