季节冻土在循环冻融条件下发生冻胀和融沉现象,产生的危害不容忽视。为更好地解决冻土区经济开发中的实际问题,满足人类生存和发展的需要,研究不同因素对土壤冻胀过程的影响,并掌握其影响规律,对防范和整治冻土带来的冻胀和融沉危害具有重大意义。本文针对土壤冻胀过程的相关特性进行了实验和模拟研究,分析了不同因素对土壤冻胀的影响规律。通过搭建室内土壤冻胀实验平台,对不同颗粒大小、不同温度工况进行了实验研究,在实验过程中,样本的冻胀量随冷端温度的降低先增大后减小,随土壤颗粒的增大而增大;样本的冻胀速率变化规律与冻胀量保持一致;样本内部温度稳定分布所需时间随冷端温度的降低而增大,随土壤颗粒的增大而减少。融化过程融化量与融化速率与冻结过程冻胀量和冻胀速率保持一致,融化过程冰融化过程持续时间随冻结温度的降低、颗粒大小的增大而增长。基于课题组自建的堆积法生成不同类型的土壤结构模型,采用BoltzmannMRT方程和基于焓的相变模型对土壤结构进行渗透特性模拟,渗透率和曲折度的模拟值与理论值的相对误差分别为20%和5%,验证了土壤结构生成方法和用于渗透特性的模拟方法的可靠性。样本冻结过程中的平均最大几何过冷度随着土壤颗粒半径分布范围的增大先增大后减小,随着土壤颗粒半径的增大而增大。由于几何过冷度的存在,冻结过程中,大孔隙尺寸结构中的孔隙水完全冻结成为冰,小孔隙尺寸中的孔隙水处于过冷态水或冰水平衡状态。在实验的基础上,使用COMSOL Multiphysics软件建立了用于饱和土壤冻胀特性模拟研究的计算模型,并结合所生成的土壤结构模型及其渗透特性,探究了热端温度、冷端温度、温度梯度、颗粒分布范围、颗粒大小对样本冻胀量、温度分布、冰相对体积、冻胀前沿四个冻胀特性的影响规律。验证了即使在相同的温度梯度下,冷热端温度会对土壤冻胀特性产生影响,冻胀量和冻胀速率随热端温度升高而降低,随冷端温度降低而增加,随土壤颗粒半径的增大而增加。冻结过程中,样本内部存在完全冻结区域、未完全冻结区域和未冻结区域三个区域,完全冻结区域随热端温度的降低而增加,随冷端温度的降低而增大,未完全冻结区域和未冻结区域变化与完全冻结区域相反。