环境对土体的物理状态会造成一定影响,显著影响着土体的力学性质。寒区因温度变化引起土体冻结是土体存在形态改变的典型实例。当温度降低到冻结温度以下时,土体发生冻结。事实上,冻结作用使土体的存在状态发生了改变,并伴随着土的力学性质发生变化。然而,室内试验和现场监测已表明:冻结不会影响着土体的强度与稳定性,但是极易引发土体冻胀变形问题。冻结作用土体将发生冻胀,造成土体内部和其上建（构）筑物抬高。若建（构）筑物的抬高量不均匀,将致使建（构）筑物承受较大的附加内力作用,导致建（构）筑物发生显著破坏。因此,寒区土体冻胀是各类基础设施破坏的重要因素。本文针对寒区土体冻胀发展规律和冻胀预估两大工程问题,借助室内试验、理论分析与数值模拟相结合的方法,分析了饱和粘土冻胀发展的基本规律及其影响因素,建立了土体冻胀变形的预估模型。取得如下主要研究内容和基本认识。首先,考虑上覆应力影响效应,开展冷端逐级降温条件下开放系统的饱和粉质粘土单向冻胀试验。基于试验结果,分析了冻胀过程中土体温度分布规律、冻胀变形发展规律及影响因素。结合冻结缘理论,提出粘土冻胀分层法,揭示了冻结速率与温度梯度的相关性。引入温度梯度参数替代传统的冻结速率参数,修正建立了冻胀率经验预估的Takashi模型。研究表明:上覆应力对冻胀发展及土体水分迁移起抑制作用,对温度分布影响很小;冻结过程中土体表面冻胀量由自上而下各土层分别产生的冻胀量依次累加得到。冻胀率经验预估模型预测结果与试验结果较为吻合。接着,基于土水特征曲线试验,考虑水分迁移和热传导耦合作用,建立冻土的水-热耦合控制方程组（即:能量守恒方程、质量守恒方程和联系方程）,并通过有限元数值实现,通过试验验证了水-热耦合模型的正确性。同时,提出了土体内部最大冻胀力的基本概念,采用增量非线弹性理论,建立了k₀状态下土体冻胀力学模型,将模型推广至一般应力状态,并给出了参数的确定方法。然后,为了工程应用,采用土体冻胀力学模型,提出了稳态条件下水平场地土冻胀变形的一维解析方法,预测不同压载和位移边界条件下土体上抬位移及应力场、应变场的变化规律,分析了土体表面冻胀力的影响因素。研究表明:土体表面冻胀抬高量随上部初始荷载的增大而减小,随表面温度的降低而增大。最后,采用土体冻胀力学模型,通过耦合含相变的非稳态温度控制方程、水分迁移方程和土体的应力-应变关系式,引入冻胀系数的方法,建立土体冻结过程水-热-力间接耦合数值模型,并通过试验验证了模型的可靠性。基于此,进行了典型哈尔滨地区公路路基冻胀变形预测的数值模拟,研究了不同上覆应力下路基土的冻胀变形发展规律。