冻土是指温度低于0℃,含冰且与土颗粒及岩石呈胶结状态的各类土,即由固体矿物颗粒、水、冰和气体组成。冻土是一种具有多相体系的特殊土类,其性质受含冰量影响,而土体含冰量的多少与其温度密切相关,因此所以冻土是一种对温度变化敏感且性质不稳定的特殊土体。我国是世界上冻土分布最广泛的国家之一,季节性冻土和多年冻土面积约占全国陆地总面积的2/3。当温度下降到冻结温度以下时土体冻结,土体出现冻胀现象,并伴随出现冻胀力。寒冷地区的建筑物和构筑物受温度交替变化不可避免的会产生冻胀和融沉病害问题,导致建筑物和构筑物发生破坏。土体冻胀是寒区工程建设所要面对的重要挑战,也是基础设施破坏的重要因素之一,各种冻害问题每年都会造成极大的损失。因此对黄土的冻胀特性、水平冻胀力和温度场的变化规律进行深入研究具有重要的现实意义。本文针对黄土的冻胀发展规律和冻害问题,利用自行设计的一维冻结融化模型试验系统,以兰州黄土路基为研究对象,通过室内模型试验和数值计算相结合的方法,分析了一维冻结条件下兰州地区黄土的冻胀特性,建立了土体温度场的水热耦合计算模型,对土体温度场进行数值计算,并将数值计算结果与模型试验实测结果进行对比,验证所建水热耦合计算模型的正确性。研究成果可以为冻土地区工程的抗冻设计和冻害治理提供参考。主要研究内容和结论如下:(1)设计了一维冻结融化模型试验系统,主要包括:冻融循环环境箱、边界条件与温度控制系统、温度测量系统、冻胀力测量系统和冻胀量测量系统。设计并进行了一维冻结融化模型试验,得到不同条件下土体中温度场、冻胀量和水平冻胀力的分布及变化规律数据。(2)通过模型试验研究了土体温度场的变化规律,土体不同深度处的降温过程可分为三个阶段:第一阶段在降温冻结初期各深度土体的温度下降速率较快;之后土层各深度在-0.4℃附近降温曲线出现平行于横坐标的平稳段;第三阶段在-0.4℃末端土体温度继续降低,下降速率较第一阶段有所减缓,并且含水率越高这种现象越明显;冻结后期各深度土体的温度下降速率较慢。不同条件下土体温度的变化规律相似,土体含水率越高土体的降温速率就越快,冻结环境温度低土体的降温速率越快。土体的温度的平稳段随着深度的不同而存在较大差异,深度越浅其冻结过程中的恒定阶段时长越短,而平稳阶段时长随着含水率的变化较小。(3)研究了不同条件下土体冻胀量的发展规律,土体冻胀变形量变化曲线按照变化趋势分为三个阶段:微冻缩阶段,冻胀快速发展阶段和冻胀拟稳定阶段,不同含水率土体经历各阶段的时间差别较小,不同冻结环境温度下土体经历各阶段的时间有所不同。土体冻胀变形量随着其含水率的增加而增大。降温过程中土体冻胀量与环境冻结温度呈线性关系,温度越低冻胀量越小。(4)在不同环境冻结温度和土体含水率条件下冻胀力发展的起始温度相同,约为-0.6℃,不同环境冻结温度和土体含水率下,最大冻胀力温度存在较大差异。不同条件下土体的水平冻胀力的变化趋势有所不同。水平冻胀力最大值随含水率有很明显的变化,含水率越高水平冻胀力越大,而其他值的大小受含水率的影响较小,最大水平冻胀力沿着土体深度首先变化较为小,然后增大到最大值,最后减小。水平冻胀力最大值出现在相对深度0.6-0.8处。(5)建立水热耦合数值计算模型,对一维冻结条件下的土体的温度场变化规律进行数值计算,得到了不同含水率和冻结下环境温度下的变化规律。对比分析不同深度处各点温度的模型试验实测值与数值模拟值,发现数值模拟的各点温度变化曲线与实测温度曲线变化规律基本一致,冻结阶段数值模拟的降温速度稍大于实测降温速度,融化阶段则相反。研究结果可为冻土地区工程建设提供参考。