冻胀与融沉是寒区工程建设中必须考虑的两个关键因素。当外界温度变化时，会引起土体的冻结或融化。在寒区工程建设及人工冻结法应用过程中，土体产生的过量冻胀造成的危害屡见不鲜。土体的冻结过程是一个温度变化的过程，在这过程中会引起土中含水率的改变。含水率的改变导致冻土组分的改变，进而影响冻土的热力学性质。外界水分迁移成冰是导致冻胀最主要的因素，而且冻结过程会导致土体孔隙率改变，进而改变土体结构，影响土体强度。同时外荷载对土体冻结过程中孔隙率变化也有一定的抑制作用。因此，开展对土体冻结过程中冰透镜体的产生、发展的演化规律的研究，是认识和揭示土体冻胀机理的主要途径。本文通过理论和室内试验，根据土中水分在温度与应力作用下的迁移规律，对分凝冰的产生、发展过程进行研究，以便更好地揭示土体冻胀机理，从而为冻土学的理论基础和寒区建设提供科学依据和技术储备。本研究主要内容包括：　　⑴通过进行一系列单向冻结试验，分析了重塑粉质粘土中水分在不同条件下的冻结特征。试验结果表明:土样冻结区存在裂缝现象，未冻区不存在裂缝。裂缝的宽度、数量间接的反映了含冰量的高低。随着冷端温度的降低，冻深逐渐增大，冻结速率也增大，温度达到稳定的时间越短。冻胀速率与入流通量存在一个峰值。降低冷端温度，减小了冻胀速率，增大了入流通量。冻胀与补水过程是在冻结发生一段时间之后才开始，然后随着时间增加而增大。随着荷载的增大，水分迁移量有所减小。外荷载对温度分布的影响较小。原位冻结所引起的冻胀量在总冻胀量中所占比例较低，外界水分迁移是导致土体冻胀的主要原因。　　⑵从Clapyron方程出发，忽略次要因素，得到了水分迁移驱动力表达式，进而推导了温度与压力作用下的水分迁移速率的经验公式。利用单向冻结试验数据，得到了考虑荷载作用的水分迁移速率的表达式。根据达西定律，利用求得的水分迁移速率表达式，得到了温度与压力影响下的孔隙水压力。基于试验数据，提出了以冻结速率为变量的广义分凝势，对分凝势模型进行了补充完善。广义分凝势存在一个峰值，不同边界条件出现峰值的时间不同。第一种水分迁移速率表达式只适用于类稳定和稳定状态下的水分迁移，第二种表达式则可计算任意时刻、任意条件下的水分迁移速率。　　⑶在冻结过程中，土体孔隙会产生变化，因此本文建立了以孔隙率为变量、考虑荷载影响的一维冻胀模型。本模型考虑了冰透镜体的产生、发展，也考虑了冻土的蠕变特性。通过定义以外荷载和土体抗拉强度之和为临界压力，建立了冰分凝的准则。利用室内试验验证了所建立模型的合理性。结果表明，冻土内由于外界水分迁移成冰和孔隙水原位冻结导致体积增大，融土的负孔压导致有效应力的增大进而使得土体被压缩。土体冻胀存在着一个临界温度梯度。低于该临界值增大温度梯度将增大冻胀量。超过该临界值，增大温度梯度将减小冻胀量。适当增大渗透系数，冻胀量有明显增大。入流通量峰值的出现是有一定条件的，即需要产生冰透镜体。在较小的渗透系数下，土样中只会形成冰晶，不会出现冰透镜体，渗透系数对冰分凝量影响明显。　　⑷对冻结前后的土样进行CT扫描，分析冻结前后土体结构的变化。通过对CT图像进行二值化，利用盒维数法计算得到了表征孔隙结构的分维数，得出如下结论:CT图像灰度分布图呈现出良好的单一分布规律。冻结后未冻区的CT数增大，冻土区的CT数减小。土样冻结后，灰度几何图形逐渐变宽，整体向左移动。冻结过程中，土样内水分迁移并冻结导致孔隙增大，表现为CT数的平均值在不断减小。通过图像处理技术，得到土样孔隙结构的二值化图像，利用盒维数算法得到了相应的分维数。孔隙结构的分形维数随着孔隙率的增大而变大。