浅层地热能属于可再生能源,地源热泵可以将建筑物与土壤中的热量进行转移达到制冷或取暖的目的,是一种环境友好的清洁可再生能源技术。能量桩可以将建筑桩基与地源热泵有机结合,既达到承载建筑物的目的,又能够有效利用浅层地热能存储丰富的地热资源,为建筑物提供暖气、热水和空调,同时也节省了地源热泵的附加投资成本。但能量桩的应用过程中,还有一些问题亟待解决,如温度循环会导致桩-土截面和周围土体温度改变,由此引起的沉降或承载力变化是否会对建筑物的安全性造成影响,是能量桩技术应用的关键问题。因此,需要研究土体物理力学性质的非等温效应及其机理,从而为相关工程结构的设计提供理论依据。本文首先利用自制结合水渗透系数联合测试装置,进行了饱和土非等温结合水含量测试以及非等温渗透试验,结合水含量测试主要对象为不同温度下的砂颗粒混合粘土颗粒成型土,通过控制砂颗粒粒径和粘土颗粒含量来研究它们对结合水含量的影响。验结果表明,温度升高将导致结合水含量的显著降低,而成型土结合水含量高于分散颗粒。在结合水含量相近的细砂至粗砂粒径范围,粒径不会明显改变含粘砂成型土的结合水含量;在粘粒含量5%-20%范围内,粘粒含量与土体结合水含量近似呈线性关系。通过渗透试验发现,在变温条件下,当仅考虑自由水参与渗透时,渗透系数理论值将高估砂土的渗透性,而低估粘土的渗透性。在循环温度下干砂与饱和含粘砂压缩/固结试验中,发现温度循环会导致干砂与饱和含粘砂的体积收缩,低密实度干砂更易产生显著的热体缩,随着压力或温度循环幅值的增大,热体变的积累也将增大。砂土热塑性主要由颗粒体系结构性的随机性和非均质性引起,而饱和含粘砂热塑性则更多地与结合水状态的改变以及砂粒和粘粒热胀性的差异有关。在理论方面,本文建立了考虑结合水温度效应的渗透系数模型,利用模型对试验结果进行了预测,预测结果表明土体结合水含量较高时由该模型得到的渗透系数预测值将更为准确。同时,本文基于对饱和土的基本热力学原理,给出基于此的饱和土温度-应力（TM）耦合本构模型。利用该模型研究了应力状态、含水率、温度循环幅值以循环次数对饱和粉质粘土TM耦合行为的影响。对现有试验的模拟结果表明,该模型可以很好的反映粘土非等温条件下的固结现象,其中围压、初始密实度以及热荷载幅值和循环次数对土体的热变形以及孔隙压力有较大影响。