我国多年冻土地区与季节性冻土地区面积约占我国国土面积的75%,土壤的冻胀、融沉是冻土地区建设发生冻灾的主要原因。为防止冻土冻胀、融沉破坏交通道路、建筑物等设施,需对土壤冻融过程中病害机理进行研究。目前,有关土壤冻胀微观特性研究并不充分,相关的数学模型,多采用基于离散宏观连续方程的连续介质模型,难以处理非稳态微观结构对冻胀程度的影响。因此本文采用热固耦合方法,研究土壤颗粒级配对冻胀程度的影响,主要包括以下方向的工作:搭建室内冻土冻胀实验台,采集冻土冻结过程中温度、位移、含水量等参数数据。改变冻土上表面温度,研究分析在不同上表面温度条件下的各参数变化规律,进而得出上表面温度变化对冻土冻胀程度的影响。实验结果表明:在冻结过程中,冻结区含水率与水势发生了显著的下降,分别下降了68.9%和136.1k Pa。上表面温度越低,冻土含水率与水势变化越迅速。当上层土壤处于冻结状态时,未冻结区域土壤含水率发生了很微弱的降低现象,水分向冻结缘处发生了迁移。冻胀量主要来自于表层土壤孔隙水的相变膨胀,冻土上表面温度越低,冻结速率越快,冻胀量变化越明显,但当表层土壤完全冻结时,其最大冻胀量相同,为2.19mm,冻胀率为1.83%。耦合方法分析问题强调的是:完全的单场问题是不存在的,各种物理现象之间都存在着各种各样的相互关联作用。因此,基于实验研究结果,利用间接耦合方法,将土壤冻胀过程分为热传导以及孔隙水膨胀过程。建立了由非稳态导热微分方程、瞬态动力学基本运动方程控制的土壤冻胀数学模型。采用土壤结构重整的Matlab程序,建立土壤颗粒几何模型。模型验证结果表明,土壤模型冻结过程内部温度变化规律符合非稳态导热过程,最大冻胀量为1.74?10-2mm,冻胀率为2.12%。模拟冻胀率与实验结果的相对误差较小(约为15.8%),从而验证了数值模型的有效性。对冻结过程土壤内部温度、颗粒位移变化进行数值模拟研究,分析颗粒半径、颗粒级配大小及土壤上表面温度对冻土冻胀程度的影响。模拟结果表明:颗粒半径较大或颗粒级配较小的土壤,其体积分数较大。在冻结过程中,由于颗粒整体温度变化小,土壤颗粒体积分数的增加使得土壤降温速率减慢,内部温度梯度增大。体积分数减小时,土壤孔隙率增大,当孔隙水全部发生相变凝结时,土壤冻胀量增大,颗粒位移值增大。在冻结过程中,土壤上表面温度减小时,土壤冻结速率加快,温度梯度减小。因此,增大土壤颗粒半径、上表面温度或减小土壤颗粒级配大小,有利于延缓冻胀现象的发生,降低冻胀程度。