冻土在世界范围内广泛存在,我国西北和东北地区亦有相当多的季节性冻土和多年冻土,其在外界环境影响下水-热状态反复变化引起的力学响应会对基础设施等造成极大的危害。事实上,冻害的致灾机理是土体的冻胀和融沉,与其密切相关的水热耦合理论研究一直是冻土领域的热点问题之一。因此,研究冻土的水热耦合问题有助于理解和认识含水土体的冻结和融化状态下的水热迁移动态重分布过程,可为其相关的力学响应分析奠定理论基础,为寒区工程的设计、施工和安全运营提供技术支撑。本研究以非饱和土体中质量守恒和能量守恒定律为基础,推导出水热两场问题的耦合数学模型并在分形理论视角下提出合理确定冻土物理参量的方法;通过与经典室内试验的对比分析,验证新构建的冻土水热耦合模型的可行性和有效性;并在此基础上,进行小尺度二维模型模拟和工程案例分析,研究分析不同外在环境因素和不同黏粒含量对土体冻结过程中的温度场和水分场的动态演化重分布所产生的影响。主要研究内容包括:（1）针对非饱和土体中水力参数的经验模型依赖工程实际、参数无明确物理含义的劣势,引入分形理论表征的非饱和冻土水力系数,构建相对饱和度概念并定义固液比,对传统冻土水热耦合理论模型（包含三个方程三个未知量）进行数学变换推导,构建以相对饱和度和温度为场函数的冻土水热耦合理论模型,较大程度降低了数值求解难度和计算工作量。（2）以经典室内试验为基础,二次开发Comsol Multiphysics软件,对比土体冻融过程中温度场和水分场的分布特征,与VG模型数值解对比后发现新模型具有较好的模拟精度,验证了所提出的新冻土水热耦合理论模型的可行性和有效性;采用平均相对误差（AVRE）、相对均方根误差（RRMSE）、纳什效率系数（NSE）三个评价指标对新构建的数学模型进行了评价;并分析讨论了土体在冻结或融化过程中含水率和温度的动态演化规律。（3）以一维非饱和黄土室内单向冻结试验为研究对象,采用数值试验手段,研究分析外在环境因素对多孔土体的冻结时水-热耦合迁移过程的影响;结果显示初始温度、初始含水率、重力效应、温差和开放系统对土体冻结过程中水分迁移和温度变化均有着不同程度地影响,并采用扰动分析法来研究各外在环境因素对土体中含水率分布特征曲线的贡献大小。（4）通过分形维数来表示土体中黏粒含量的变化,在典型黄土的基础上仅改变土体中黏粒含量所占比例得到4组不同级配的土样,计算各相应土样的质量分形维数,根据水力和热力参数的计算公式确定相应物理参数,开展数值试验计算不同黏粒含量土样在相同工况下的含水率和温度的时空演变规律,分析总结出黏粒含量对冻土冻结过程中水热状态的影响规律。（5）依据水热耦合理论模型,对实际工程中的路基断面进行模拟计算,以曲线拟合的手段对气象资料分析获得双正弦函数形式的温度边界和含水率边界,根据路基各层材料的物理参数值和边界条件代入水热耦合理论模型中,计算获得的不同深度的温度模拟值和含水率模拟值与实测数据吻合度较好;同时根据不同时刻路基断面的温度云图和含水率云图在竖直及横向方向上的差异,研究分析路基断面温度和含水率的分布特征及演变规律。