冻土冻胀是冰透镜体生长的宏观表象,人工冻土及天然冻土在冻结后均会引发一定范围内的冻胀变形,过量的冻胀变形将导致矿山井筒工程、隧道工程、民用工程等基础设施的破坏。冻胀过程中冰透镜体生长及其背后潜在物理化学机制所涵盖的界面接触处分子间相互作用是理解成核、结晶、相变和矿物置换等物理过程的基础。掌握冻结土体基本物理特性,揭示冰透镜体生长过程中冻土水热力耦合物理行为,完善冻结土体物理力学理论体系,对资源高效开发及人工地层冻结工程与寒区冻土工程的高效构建具有十分重要的科学意义。本文围绕特定环境影响下的冰透镜体生长机制及冻土水热力耦合行为与机理为关键科学问题,综合采用室内试验、理论分析与建模、数值模拟等技术手段,对冻结过程中冻胀敏感性、水热力耦合作用下的冻胀机理及理论、冻胀稳定控制等科学问题进行研究。主要获得以下创新性成果:(1)采用微观结构扫描与分子结构分析的方法揭示了蒙脱土及高岭土的水物理特性,指出蒙脱土矿物相较高岭土具有更好的亲水能力进而使得冻胀较小。此外,研究了颗粒介质粒径影响下的冰透镜体生长机制,综合考虑自然界不同含量砂-粉-粘颗粒组成土体粒径的差异,对给定土体的冻胀敏感性进行了评价。研究指出介于细粒及粗粒间的中等颗粒土体(如粉土)其冻胀敏感性更强,当粗颗粒土中细粒含量显著增多时也可出现明显冻胀现象。(2)为了研究冻胀敏感性土体的冻胀-冻胀力现象,研制出模拟环境约束状态的冻胀试验系统,开展了温度梯度诱导-力学约束影响下的冻胀试验。研究揭示了冰透镜体生长演化过程中土体的宏细观水热力耦合行为,获取了温度梯度-力学约束-冻胀变形-冻胀力之间的动态耦合关系。此外,研究探讨了冰颗粒对孔隙结构及水分流动特性的影响,分析了力学约束作用下冻胀-冻胀力演化特征,给出了冻胀力随约束增大的机理解释及最大冻胀力的数学描述。(3)以结晶动力学过程及冰-水相界面热力学理论为基础,综合考虑等效水压力对相变过程及冻土体渗透性的影响,以基于水活性的化学势梯度作为水分迁移驱动力建立了描述冰透镜体生长演化的理论模型,并提出了经验参数分凝势的数学描述。研究探讨了冻结缘内水活性对冰-水相变物理过程及水分流动特性的影响,描述与分析了冰透镜体的生长演变规律。(4)通过类比非饱和土体的有效应力原理,明确了冻土体有效应力的物理意义,在水、热、力耦合作用机制下以冰透镜体的分凝及生长为关键建立了离散冰透镜体冻胀模型。在此基础上,考虑冰透镜体生长机制对上覆荷载的强烈依赖性,在水、热及固结耦合作用下将约束冻胀力等效为力学约束、冻胀量、冻结时间等因素的非线性函数,综合考虑原位冻胀、分凝冻胀、骨架变形等要素,建立了约束环境中的冻胀力演化模型。以模型数值结果为基础探讨了冻结缘内冰水相变速率的主要控制因素,分析了水分相变结晶过程对负孔隙水压力的影响,并从冻结缘低温几何结构、冻吸力及渗透性对冰透镜体生长影响入手,揭示了力学约束作用下冻胀呈非线性衰减规律的内在物理机制。(5)对冰-颗粒介质之间的力学平衡状态进行分析,获取了冻结缘几何结构对冰透镜体生长机制的影响,揭示了冻结缘结构退化是直接导致冰透镜体生长速率降低的根源。创新了冻胀控制的试验方法与系统,提出了一种通过自动控制冻结深度以抑制冰透镜体生长的人工地层冻结技术思路。研究发现,减小控制的冻结深度或升高循环冷浴温度均能有效的抑制冻胀。该论文有图99幅,表15个,参考文献198篇。