多年冻土的稳定性预测,季节性冻土的冻融灾害,以及人工冻土的强度与开挖效率平衡问题,是影响寒区和地下空间工程建设的重要方面。该类冻土的稳定、冻融变形和强度等力学问题与其温度场密切相关。受土中水的非线性冻结影响,冻土的导热系数、比热和相变潜热等热学参数呈现随负温的非线性变化规律。受加热-测温方法引起的冻土中冰体融化影响,常规物质的比热和导热系数测试技术并不能直接用于冻土测试。同时,将非线性的热参数用于现有的数值计算程序也存在参数输入和预测精度上的困难。因此,研究冻土的热参数测定方法,并对非线性热参数在温度场预测中的适用性及应用方法进行研究,对于提升寒圈工程温度场的预测精度,服务工程建设和资源开采中的冻土强度、变形及稳定性预测具有重要的工程价值。本研究考虑冻土相变过程对热参数测试结果的影响,基于系统量热和反演分析等方法,对冻土比热、导热系数和土中固相物质导热系数的测定方法进行了研究。在此基础上,提出了非线性相变潜热转化为比热的精细化方法,并通过将非线性热参数预测的温度场与实测温度场比较的方式,分析了热参数和边界条件因素对温度场形成的敏感性。进一步,推导了考虑热参数非线性和边界条件同时影响的冻土热传导过程相似准则,并给出了跨尺度量化预测冻土温度场的方法。具体研究内容如下:1)对土的起始冻结温度和冻土导电率、未冻水含量随负温的非线性演变规律进行了研究,分析了导热系数瞬态法测试中的加热功率对测试结果的影响。从物质模型的角度解读了热参数随冻土物态组成的变化规律。基于混合量热原理和递推计算方法,提出了一种考虑相变潜热影响的冻土系统量热法,从而实现了冻土未冻水含量、冻土表观比热和真比热的系统化测试。研究表明:物性参数与冻土的物相组成具有一定的转换关系,基于物性参数反演冻土物态组成具有可行性;考虑相变潜热影响的冻土比热能够反映土体物态组成,更符合热方程中比热的物理意义,且反演的未冻水含量也能够与核磁共振测试结果相对应。2)采用有限元分析和复合单元热学行为统计分析的方法,研究了土中固相物质导热系数与土水二相复合体导热系数之间的关系,实现了土中固相物质导热系数的间接测试。通过原土和模型土试验结果分别验证了建立的统计反演模型,以及推导的几何平均反演法、Maxwell-Eucken反演方法存在的相对误差和绝对误差。研究表明:当能够确定固相物质导热系数大致范围时,可以采用填充相近导热系数的流体结合几何平均法来预测,提出的统计反演模型适用于土水体积比例为1:1时的土中固相物质导热系数预测。3)考虑相变潜热随负温的非线性变化规律,提出了一种将冻土相变潜热等效为比热的精细化方法,并给出了分阶段处理冻土相变潜热的方法,实现了将完整的非线性热参数应用于通用有限元程序中的温度场计算。在此基础上,采用正交数值模拟和物理模型试验相结合的方式,定量分析了 13个边界条件和热参数因素对冻土温度场形成的敏感性,对热参数和边界条件因素随冻结过程的演化规律进行了分类。研究表明:提出的相变潜热处理方法减少了平均等效比热法和区间等效比热法的误差,能够提升温度场预测精度并降低各测点温度预测的离散度;边界条件和热参数对温度场的影响可排序为:第一类边界条件>第三类边界条件>热参数（冻土潜热>冻土导热系数>冻土比热）。冻结法施工中宜保持冻结管温度（冷源）的稳定,提升外部散热量的可量化程度,准确确定土的初始温度和热参数,以保障施工稳定性和温度场预测精度。4)为实现物理模型试验对跨尺度冻土温度场的量化预测,考虑热参数非线性和边界条件的双重影响,基于相似转换法推导了冻土热传导过程的相似准则。在此基础上,通过对物理模型试验和工程实际之间的相似关系进行分析,构建了一种基于数值模拟和物理模型试验相结合的跨尺度模型试验分析方法,将跨尺度冻土温度场“趋势到趋势”的宏观规律预测,转换为“数值到数值”的量化预测。研究表明:考虑热参数非线性和边界条件双重影响的热传导相似准则,更能反映工程实际;非绝热封闭系统的冻土温度场跨尺度模型试验,需要采用与原型土呈现一定热相似关系的模型土来完成。