众所周知,中国是世界上寒冷地区面积最大的国家之一,多年冻土区和季节性冻土区面积约占陆地总面积的75%。冻胀现象是冻土区经常遇到的问题,由于冻胀而引起工程的失事也数见不鲜。目前对冻胀现象的描述主要是基于连续介质力学框架下的多物理场耦合方法,该方法作为近年来的研究热点和学术前沿,备受国际各个国家学者和政府的关注。然而,由于计算能力和水平的限制及对冻胀机理的认识不足,仍有大量问题困扰着学者和各行工作者。考虑到目前存在的问题,有必要发展更一般、更全面的非饱和冻土多场耦合模型,这是非饱和冻土的新发展和新领域,也必将促进多场耦合理论在寒区实际工程中的应用。因此,本文面向寒区工程的建设与防护这一实际问题,以基础理论研究为主,综合数学、力学以及实际物理背景,改进传统的多物理场耦合方法,建立更精确的多场耦合模型,从而为寒区各类工程建设与防护等问题提供相应的理论基础。通过基础研究与试验验证,取得了如下研究成果:（1）以连续介质力学理论框架为基础,结合混合物理论与平均化方法推导得到了冻结状态下宏观尺度的多孔多相介质守恒方程,基于扩展熵不等式、平衡态限制、热力学定律、近平衡态条件推导得到了宏观尺度的多孔多相介质本构方程,综合守恒方程与本构方程,建立了基于复合混合物理论的多孔多相介质多物理场耦合理论框架。（2）对理论框架进行简化建立了非饱和冻土水-热-气-力四场耦合模型,所提出的耦合模型与传统耦合模型不同之处在于考虑了干空气迁移、水汽的运移、对流和压力诱导的液/汽通量、冰分凝准则、冰压力和弹塑性损伤本构方程,并以加权余量法对耦合方程进行离散,通过三角形单元型函数获得了有限单元法离散矩阵。（3）通过冻土三轴试验研究了不同试验条件土体的抗剪强度、弹性模量、粘聚力、内摩擦角等力学参数的变化规律,推导得到了弹塑性损伤本构方程并拟合了耦合模型中力学本构方程参数;通过核磁共振试验研究了不同试验条件土体的冻融特征曲线变化规律,基于毛管理论和和Gibbs-Thomson方程推导了具有物理意义的冻结特征曲线,并反演出融化特征曲线。（4）通过与单向冻结开放体系与封闭体系粘土试验、Mizoguchi砂土试验、两类“锅盖效应”试验、饱和冻土数值模拟的对比结果,对模型的有效性进行验证,着重研究了冻结过程中土体的温度场、水分场、应力场和位移场中场变量的变化规律。（5）对理论框架简化建立了考虑渗流的饱和冻土水热耦合模型,用以预测当存在地下水渗流情况下冻结法工程冻结帷幕的形成,通过Pimentel等人的大型模型试验对耦合模型的有效性进行了验证,并将耦合模型应用至哈尔滨二号线端头井冻结加固工程和哈尔滨地铁三号线联络通道冻结法工程中,计算了冻结帷幕交圈时间,为冻结法的施工提供了参考依据和理论基础。