为研究机器学习（Machine Learning,ML）方法在冻土力学参数预测中的性能及其应用，本文采用4种ML算法（DT、MLP、SVM以及GP），基于116组冻结黏土定向剪切试验数据，以中主应力系数b、主应力轴方向角α、平均主应力p和温度T为输入，以冻结黏土的力学参数(应力应变曲线（Stress-Strain Curve,SSC）模式和破坏强度qd)为输出，建立预测模型。通过交叉验证以及与补充试验数据的对比，评估了ML模型的预测性能。并基于最优ML模型分析在多输入参数空间下冻结黏土力学参数的分布，最后结合模型的可解释性（SHAP方法）进行参数敏感性分析。结果表明，基于ML方法可准确预测出冻结黏土的SSC模式和qd，其中MLP模型的预测表现最优；ML预测模型可以在多参数空间下模拟出冻结黏土SSC模式和qd与各输入参数之间的复杂非线性关系；通过SHAP方法有效量化了四种输入参数对于冻结黏土力学参数的影响程度：对于SSC模式的影响程度从大到小为α、p、T和b，对于qd的影响程度从大到小为T、b、α和p...

为深入了解水泥改良粉质黏土的冻胀融沉特性，以福州地区四号线地铁所穿典型土层粉质黏土为例，分析了水泥浆掺量、养护龄期、冻结温度和水灰比4个因素对水泥改良粉质黏土的影响，获得单因素作用下改良土的冻胀融沉规律，确定了改良土的最佳水泥浆掺量为20%,最佳水灰比为0.8,并通过温度监测得出冻胀融沉试验过程中温度场的发展规律。通过SPSS Statistics建立多元线性回归方程，预测水泥改良粉质黏土在多因素综合作用下的冻胀率，分析得出对冻胀率影响程度大小为水泥浆渗入量>养护龄期>冷端温度>水灰比。

分散性黏土冻融循环导致的破坏非常普遍，在我国东北地区水利工程中尤为严重。开放系统中分散性黏土冻融特性有别于非分散性黏土，土体导热系数是土体热分析最重要的参数之一。本文以分散性黏土为研究对象，阐明了影响分散性黏土导热系数的因素；基于Johansen法的改进，建立了适合分散性黏土特点的导热系数预测方法。研究表明，分散性黏土导热系数的影响因素主要为矿物成分、含水率、孔隙率(干密度)和温度。土体温度为负温时，温度越低，土的导热系数越大。初始含水率低于10%,土的导热系数不受温度的影响；初始含水率大于15%,土的导热系数受温度影响较大。饱和状态下的分散性黏土导热系数有别于非分散性黏土，采用串联/并联预测模型方法来计算。所提出的分散性黏土导热系数预测方法和公式，可反映土体温度、土体矿物成分、含水率、干密度的影响，与试验结果吻合，并可为分散性黏土研究和工程应用提供参考和指导。

为研究冻融循环下寒区粉质黏土力学性质变化，室内展开了粉质黏土(SC)、水泥改性粉质黏土(CSC)、纤维改性粉质黏土(PFSC)及水泥-纤维改良粉质黏土(CPFSC)四种土样的单轴压缩力学试验、冻融循环力学试验及微观电镜扫描。研究发现：单轴压缩下粉质SC与PFSC应力-应变曲线呈延性变形特征，而CSC和CPFSC则呈脆性破坏特征；随着聚丙烯纤维掺量的逐渐增大，纤维改良粉质黏土的单轴抗压强度和变形能力均增强；掺水泥纤维的粉质黏土，单轴抗压强度增大而变形能力减弱；冻融循环对水泥改良粉质黏土的抗压强度影响最大，其次为粉质黏土；冻融循环对纤维改良粉质黏土和水泥-纤维改良粉质黏土抗压强度的影响较小；冻融循环前后4种土体的抗压强度降低幅度分别为18.46%、35.96%、12.04%、13.57%;微观电镜扫描结果显示，聚丙烯纤维与水泥土之间紧密连接，且纤维未发生断裂，纤维与水泥胶结土之间起到了很好的相互作用。

本文依据东北多年冻土区冻土试验,以正规状态法测定冻土样的导热系数,稳态法测定融土样的导热系数,通过二元线性回归分析。试验结果表明:导热系数随着含水量和干密度的增加而增加,液限和塑限是粉质黏土的导热性能突变界限,小于塑限的土体导热性能不受含水量影响,大于液限土体的导热系数趋近一个定值,粉质黏土的导热系数小于粗颗粒的导热系数,粉质黏土的黏土掺量和细砾石掺量可明显提高其导热系数。

为了研究冻融作用对木质素改良粉质黏土微观结构的影响,采用计算机图像提取与处理技术,对冻融前后的素土和木质素改良粉质黏土进行微观结构单元体、孔隙分布定性与定量分析,结果表明,木质素的掺入提升了粉质黏土的抗冻性。

依托吉舒高速公路工程,通过重复加载动态回弹模量试验、承载比试验和导热性试验,研究分析了粉质黏土在不同木质素掺配比例、养生时间及冻融循环条件下的力学性质。试验结果表明:随着木质素掺量的增加,木质素改良粉质黏土的回弹模量减小;冻融循环作用下木质素改良粉质黏土的回弹模量及CBR减小幅度较小,导热系数随着木质素掺量增加而减小。木质素掺入路基土,提高了其抗冻性,降低了导热性,推荐季冻区粉质黏土路基最佳木质素掺量为4%。

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。

为了研究不同冻结时间及含水率对冻结粉质黏土无侧限抗压强度的影响,在负温条件下对不同含水率粉质黏土进行了不同冻结时间的无侧限抗压强度试验。结果表明随着冻结时间的增加,冻结粉质黏土无侧限抗压强度逐渐增大且增大趋势逐渐减小,应力-应变曲线的弹性段得到延长,应力达到峰值后下降段斜率逐渐增大,表现出依赖于冻结时间的冻脆性特征;在17%～29%范围内,随着含水率的增大,无侧限抗压强度逐渐降低,破坏应变逐渐增大,破坏形式由脆性破坏向塑性破坏转变。

粒子图像测速法(PIV)已经在流体力学和岩土工程中得到广泛应用,并取得了良好的试验结果。但是,由于黏性土缺乏表面纹理,PIV技术尚未在冻结黏性土颗粒迁移分析中得到成功应用。针对黏性土冻结过程中的土颗粒迁移问题,采用自制的PIV冻土模型试验箱,以非饱和粉质黏土作为试验土样,结合Canon EOS 1300D相机和GeoPIV软件,提出了PIV技术在非饱和冻土中的实现方法。结果表明:(1)试验过程中光线的变化会极大的影响试验结果,故需要在摄影棚中构建恒定光场;(2)为便于PIV分析,试验前需对冻土进行表面纹理构建,粒径0.3 mm石英砂是纹理构建的最佳示踪粒子;(3)非饱和粉质黏土在冻结过程中的冰水相变会导致图像灰度变化,根据统计结果,将种子区域灰度相关性及整体灰度相关性分别调整为0.85和0.69。