冻土作为一种不稳定特殊土,其性质随着温度变化和冻融过程的发展而动态变化,由此导致了很多工程问题。影响最严重的问题在于土的冻胀和融沉导致的建筑结构变形和失稳。冻土地区支挡结构的变形和稳定性研究,不仅对于支挡结构的设计、施工和维护工作具有指导意义,也值得在冻土地区其它各种工程的受力和相互作用问题研究中进行参考和借鉴。本文以国家重点基础研究发展计划(973计划)“青藏高原重大冻土工程的基础研究”为依托,以重力式挡土墙为研究对象,通过室内试验、理论分析和数值计算的方法,以冻土和结构相互作用机理、冻土冻融过程中的多场耦合模型为两个基本切入点,对冻土的冻胀和融沉问题、冻土和支挡结构的相互作用问题、以及支挡结构的变形和稳定性问题进行了深入研究,以期建立一种能够指导冻土地区支挡结构工程设计的有效理论和方法。本文取得的主要研究成果有：(1)开发和改装了适合进行负温接触面剪切试验的动力直剪和静力直剪设备。其中冻土动荷载直剪仪的自主开发比例较大,创新程度较高。两套试验仪器均经过了实际应用的检验,表现出很高的适用性和可靠性。(2)进行了一系列多因素控制的冻土与混凝土接触面直剪试验,分别从动力和静力条件下测试了接触面强度和应力应变关系受各种环境因素的影响规律。基于多元线性回归方法,对接触面的强度和应力应变关系的参数进行了多因素回归分析,得到了各力学参数与多种影响因素之间的显式关系。以实测数据为依据,建立了冻土与混凝土接触面的力学模型。(3)建立了基于水热迁移的冻土冻融过程的水热耦合模型。该模型在传热过程中考虑了孔隙中的冰水相变潜热,以及随冰水组分转换而变化的热力学参数,在水分迁移过程中借鉴了多孔介质渗流理论,考虑了基质吸力、扩散率和比水容量随冰水组分变化而变化的情况,并加入了冰对于水分迁移的阻滞作用。模型还考虑了未冻水含量随温度的变化规律。建立了基于温度和体积含冰量的冻胀模型,该模型体现了孔隙冰和冻胀率之间的分段线性关系,将冻胀过程分为无冻胀、非饱和冻胀和饱和冻胀三个阶段。(4)对多场耦合软件COMSOL Multiphysics进行开发,建立了一套计算冻融循环过程和土与结构相互作用的方法。建立了15个不同措施和工况的挡土墙模型,得到了五年的冻融过程中关于不同换填措施、不同保温措施和不同地下水位的温度场、总含水量场、含冰量场、应力场、位移场分布状态的数据。分别从随时间变化和随不同工况变化两个方面比较了各物理场的分布规律和变化情况,分析了挡土墙冻胀变形的发展规律及处理措施的影响作用。引入效费比概念,通过方案比选确定了抑制冻胀导向的挡土墙最优设计参数。(5)将挡土墙的冻胀效应分解为四项位移指标描述,基于结构的正常使用要求和稳定性要求,建立了关于挡土墙服役性能的分项评分和总评分方法。通过具体算例,预测了挡土墙在设计使用寿命内的长期变形效应,并应用评价体系,对其服役性能的发展和变化进行了评价和分析,提出了改善服役性能的方法。