我国是世界第三冻土大国,冻深超过0.5 m且对工程有重要影响的季节冻土面积达4.46×106 km2,主要分布在东北、内蒙大部分地区与西部部分地区。同时,我国也是膨胀土分布最广泛的国家之一,涵盖20多个省、市、自治区。当今,我国已进入加快发展高速轨道交通的崭新时期,工程实践和病害调查表明,在我国季节冻土区发育大面积的深厚残坡积膨胀土,该膨胀土区域多地下水丰富、浅表。季节冻土区膨胀土因其复杂的湿胀-干缩特性、冻胀特性,可引起显著的工程病害。目前,针对复杂环境下膨胀土冻胀机理和模型方面的研究尚不多见。基于此,本文以吉林-图们-珲春高铁、哈尔滨-佳木斯高铁工程沿线季节冻土区深厚残坡积膨胀土为研究对象,主要研究内容、方法与认识如下:针对膨胀土冻胀试验特点,研制了开放系统膨胀土冻融-胀缩试验系统,对冻结室、温控系统、水分给排系统、单向加载系统、数据监测与分析系统进行优化设计及可靠性评价。提出了一种可伸缩环形冻结室,研制了一种基于静水压力监测的高灵敏度Mariotte瓶。提出了膨胀土冻结-胀缩试验方法和标准化流程建议。针对季节冻土区膨胀土基本特征与南北膨胀土差异问题,开展了膨胀土物质组成、基本物性、持水特性、热物性、胀缩性等一系列试验,研究表明不同于南方膨胀土,季节冻土区膨胀土以结晶度较差的蒙脱石为主,小于2μm的粘粒含量不足20%,液塑限指标普遍较低,残余含水率较高。同时,推导了延吉膨胀土孔隙水含量、渗透系数与吸力的关系,提出了冻融状态延吉膨胀土导热系数计算模型,验证了Briaud模型在延吉膨胀土变形预测中的适用性。比较分析了南北膨胀土工程地质差异,研究表明季节冻土区延吉盆地膨胀土以坡积中弱膨胀土为主,形成年代较南方膨胀土更早,历史上经历了复杂风化、冲蚀和沉积作用,极端冻融和干湿循环作用进一步加剧了其原岩的风化、分解。针对冻结膨胀土孔隙水温度效应特征问题,开展了膨胀土冻结温度试验,研究表明膨胀土孔隙水冻结点随初始含水率变化较大,且在较高饱和度下具有较低的冻结点,据此提出了基于水活度概念的膨胀土孔隙水冻结点预测方法。同时,开展了低温差示量热扫描试验,研究表明膨胀土孔隙水结晶时在冰水相界面处发生异相成核作用,孔隙冰的生长类型为球状晶体三维生长,据此提出了描述膨胀土孔隙水冻结过程的结晶动力学模型。针对膨胀土冻胀特性问题,开展了复杂边界条件膨胀土单向冻胀试验,分析了冻结状态下膨胀土的温度场时程、冻胀变形与冻结锋面变化规律、水分迁移与冷生构造、冻结状态路径等。研究表明,冻结膨胀土的温度时程可分为快速冻结、过冷状态、缓慢冻结、稳定冻结四个阶段。冻结锋面迁移受孔隙含水率影响显著,水分重分布区域大。湿胀干缩特性对冻胀变形特性具有一些重要影响,冻结效应引起的变形主要包括粘土矿物膨胀和较大区域的迁移冻胀,原位冻胀和层状冰透镜体生长引起的变形并不显著。由状态路径可知,土体融化时孔隙水含量变化幅度较冻结时更大,将引发短时且较大的粘土矿物吸水膨胀作用。提出了考虑相变动力区的膨胀土冻结-胀缩耦合牵连机制。基于冻土水―热―变形耦合分析方法,考虑孔隙水状态对膨胀土冻结的影响和膨胀土膨胀变形预测方法,建立了膨胀土水―热―变形耦合冻胀模型FH＿ex＿Model。其中,相变项的计算采用非耦合算法,空间离散采用Crank-Nicolson格式,时间离散采用向前差分格式。进而可以描述膨胀土的“湿胀干缩”特性对其冻胀特性的影响,并解耦出冻胀过程中非饱和膨胀土的冻胀变形分量和胀缩变形分量。研究成果加深了对膨胀土冻胀水-热-变形耦合机制的认知,对季节冻土区多因素耦合作用下膨胀土场地工程病害分析具有指导意义。