当环境温度降低或人为提供冷源时土会发生冻结，土的冻结过程不仅意味着相态的转变，而且包含着热量和物质的传递。正冻土内部的温度梯度驱使着热量和孔隙水从高温区域向低温区域迁移，引起土体发生冻胀同时改变了土的结构和水分分布，严重影响了人类工程建设和生态坏境。本研究结合理论、实验和数值模拟多种研究方法，对冻土相平衡条件、热学性质、温度和水分变化规律、冻胀影响因素及冰透镜体分布特征进行了深入研究，提出了相应的水热迁移模型以及冻胀量和冰透镜体的计算方法，可为相关工程建设及生态环境保护工作提供理论依据。主要研究内容及结论如下:　　1)考虑土颗粒表面吸附、毛细和溶质对孔隙水能量状态的影响，推广了克拉佩龙方程的适用范围，将冻土土水势与温度和冰压力联系起来。在无压或常压下应用改进的克拉佩龙方程可得到不同含水量和含盐量土的冻结温度计算公式;考虑溶质势和基质势，可以导出未冻水含量与含盐量和温度的关系式;考虑冻土的压融作用，应用改进的克拉佩龙方程得到不同压力和温度条件下未冻水含量计算公式。通过导出的方程和公式对冻结温度和未冻水含量进行计算，并将计算值与前人试验结果进行对比。　　2)通过大量室内试验，分析了冻结过程中土样出现过冷的条件以及过冷对冻土物理性质的影响。采用逐级降温的方法对不同含水量的细砂和粉质粘土及不同NaCl浓度的粉质粘土进行了冻结试验，测得了土样的冻结温度和最低过冷温度。冻结过程中的稳定冻结阶段反应了土中自由水的冻结过程，结合稳定冻结时间、土样温度和环境温度或最低过冷温度提出了表征土中自由水相对含量的指标。试验表明:当土中含水量减小、含盐量增大、土粒径减小时冻结温度降低;最低过冷温度受含水量和含盐量影响较小，但随着土粒径减小而降低;随含水量增大，细粒土中自由水含量以及自由水占总含水量的比重也增大。　　3)分析了现有冻土热参数测试方法的缺点，指出了冻土热参数难以精确测量的根本原因是冻土未冻水含量随着温度发生变化，给出了有点热源的冻土相变温度场简化计算模型。采用线热源法对不同温度的土样进行热参数测试，将实测温度变化数据与经典解和数值解进行对比。当土冻结后，实测值与经典解之间出现差别，冻土温度越高这种差别越大且由线热源法计算的热参数越偏离正常值。考虑冻土相变的影响对温度变化进行数值计算，通过调整相变热容和重复试算并与实测值进行对比，最后反演得到不同温度条件下的冻土相变热容，并进一步计算得到不同温度冻土的未冻水含量。分析表明，当土样温度较高时，未冻水含量随温度剧烈变化，相变热容变化很大且远大于体积热容，线热源法测得的热参数值严重失真;当温度较低时，未冻水含量相对稳定，相变热容比体积热容小得多，线热源法测量结果可以满足一定的精度要求。　　4)人工冻结法是指通过循环冻结管里的冷冻液带走土中热量实现冻结土体的方法，在地下工程中得到广泛的应用。将冻结管视作线热汇，对隧道联络通道人工冻土降温过程进行三维数值模拟，得到了冻结区范围和冻结壁厚度以及人工冻土温度变化趋势。模拟结果表明:在冻结初期，冻结管外壁形成冻结圆柱体，随着时间的发展，相邻冻结柱体相交形成冻结壁，冻结壁向冻结管连线两侧的方向扩展形成具有特定几何结构的冻结区;在人工冻土降温过程中，离冻结管较近的位置温度变化率在0℃附近明显减缓，待大部分水冻结后温度变化率再次增大，而离冻结管较远的位置温度变化率变化较小。　　5)将冻吸力抽象成一台位于冻结锋面的水泵，水泵从未冻区抽吸水分并将水分储存在冻结锋面附近的狭窄区域，泵的位置随着温度变化而发生改变。提出冻土水热迁移的移动泵模型，该模型将水分扩散方程等效分解为两个水分迁移方程，其中一个方程通过引入汇项描述冻结过程中未冻区含水量的减少，另外一个方程引入源项描述冻土区含水量的增大，源项和汇项相互抵消因此满足质量守恒定律。移动泵模型避免了传统水热耦合模型处理移动冻融边界的困难，因此数值计算过程得到很大程度的简化。对非饱和土水热迁移过程进行了数值模拟，并与前人试验及模拟结果进行对比，结果表明移动泵模型能有效地模拟正冻土中温度和水分的变化趋势。　　6)开展了一系列室内冻胀试验，研究了冻结速率、温度梯度、土样高度和压力对冻胀过程的影响，详细分析了冻结后土样中水分重分布特征及冰透镜体形态。根据移动泵假设提出了冻土中体积含水量和含冰量的计算公式，提出依据含冰量判断冰透镜体形成的准则，对冻土中含水量和冰透镜体进行了计算。试验和计算结果表明:当冻土中温度接近于稳定时，冻胀速率与温度梯度成正比例关系，其比例系数随着压力增大而线性减小;当温度场变化较快时，土样高度对冻结速率有影响，定义冻结速率与土样高度之比为比冻结速率。瞬态冻胀速率与比冻结速率成幂函数增长关系，冻胀速率随着压力增大而衰减;冻结过程中，冻土区含水量增大，未冻区含水量减小，当温度接近于稳定后含水量持续向冻结锋面迁移并形成冰透镜体;高度较大的土样含水量增大的区域分布较宽，而高度较小的土样含水量增大区域相对集中;当土中含冰量达到1时，土中产生冰透镜体。含冰量受到冻胀速率和冻结速率的影响，通过改变冻结速率可以在土中形成一系列不连续分层的冰透镜体。土质和含水量对冰透镜体形态有显著的影响，在粉土中冰透镜体比较平整，而在含水量较低的粉质粘土中冰透镜体多出现交叉状分布，在含水量较高的粉质粘土中冰透镜体密集分布且出现比较规则的垂直于冰透镜体的裂隙。