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福建省闽北等地地处短时冻土区,区域内短时冻土在冬季具有形成冻融周期短、冻融次数频繁、冻土层深度较浅、冰雪融化后边坡浅层含水率升高等特点。现场调查表明,短时冻土区残积土边坡浅层冻融垮塌频发,给当地交通造成了较大困扰,但相关基础理论研究一直未得到重视,冻土水热力耦合机理有待研究。鉴于此,本文通过文献与工程调研、室内试验、现场试验、理论分析、数值模拟相结合的技术手段,获得了福建短时冻区气候特点及土壤边坡墒情特点,并分析了短时冻区残积土边坡水热力耦合机理。主要结论如下:(1)试验段冻期集中在2014年12月至2015年2月间,期间共存在11次气温冻融周期,最低气温可达-2.5℃。日最大风速为11.6m/s,平均风速约为3.4m/s,平均湿度为80%左右;降雨总天数为27天,最大降雨强度为41.6mm/h。冻融周期内,日最高气温出现在13:00～15:00,日最低气温出现在5:00～7:00,日气温变化幅度为10℃左右;日辐射峰值最高为772W/m2,最低为15W/m2,冻融周期内天气以多云及阴天为主。(2)降温对边坡温度的影响深度为25cm左右,边坡浅层土壤温度随时间变化呈现正余弦规律但滞后大气气温变化2～3h。外界环境对边坡浅层含水率的变化影响深度约为12cm。(3)通过室内小型土柱冻结试验、现场边坡墒情监测与数值模拟结果的对比分析,验证了采用多物理场耦合有限元软件COMSOL Multiphysics模拟短时冻土边坡水热力耦合机理的可靠性和有效性。(4)以12月17日气象条件进行数值模拟可得:边坡浅层冻结深度为4cm范围左右。在土壤日最低温度8:00和24:00两个时段,最低温度分别为-1.57℃和-1.62℃,边坡产生冻结;在土壤日最高温度14:00时段,土壤最低温度为2.9℃,边坡全为融土。由此可见,浅层边坡在一天之中实现从融土到冻土再到融土的冻融循环。边坡最大冻胀应力和最大冻胀位移出现在边坡坡顶表面,大小分别为0.52MPa 和 0.12mm。(5)增大土体的容积热容和减小土壤的导热系数都能提高土体的保温性能,减小边坡的冻胀破坏。初始含水率大的土体冻结温度高,冻结时间更长,冻胀位移和冻胀应力更大,对边坡的稳定更不利。(6)高温冻土能在一天之内实现冻融循环,而低温冻土全天都处于冻结状态。环境温度越低,冻结深度越深:环境低温为-2.5℃、-5.5℃、-8.5℃时,冻结深度分别为4cm、6cm、10cm左右。