冻胀主要发生在寒区工程里供水充足的冻结细粒土壤中,土体往往会受到土体中细粒含量的影响而产生明显的冻胀,从而对季节性冰冻地区的公路、建筑基础、管道和其他基础设施造成伤害。了解饱和级配土壤冻融过程的变化规律,构建可用于模拟饱和级配土壤冻结过程的综合模型,开展开放系统下颗粒级配对饱和土壤冻胀特性影响的研究,对寒区工程建设具有重大意义。本文以两种确定粒径大小的石英砂粉做为试验材料,通过不同细粒含量的掺配,对级配土壤样品进行了基本物理性质实验。之后,通过搭建室内土壤冻结实验平台,控制土样级配、冷端边界温度以及补水方式,进行单侧饱和级配土壤冻胀实验研究。实验研究得出,随着小颗粒含量增多,冷端边界温度的降低,冻结区域加深,级配土冻胀速率显著增大,土样内部温度稳定时间延长,补水量和冻胀量也有着明显的增加,冻结前沿以及冰透镜的生成位置向土样下端推进;同时,水源的供给直接影响土样后期的持续冻胀以及冰透镜的厚度,水源供给产生的冻胀又是总冻胀的主要组成部分,并且水源的供给存在一定的滞后。此外,本研究基于饱和土渗流理论、热传导理论以及力平衡,建立了考虑颗粒级配对的饱和级配土壤冻结水-热-力耦合模型。通过使用COMSOL中的PDE模块对模型进行耦合求解,同时对比实验及参考文献结果验证了模型的正确性及可靠性。引入几何平均粒径的概念,根据颗粒级配方案得到相应的水力参数及热参数,研究了细粒含量、温度梯度以及初始含水量对饱和级配土壤冻胀特性的影响,并分析其影响机制,解释了冰透镜厚度与温度和应力之间的潜在关系。通过模拟研究得到,土样中细颗粒含量及初始含水量均会影响土壤的冻结深度,进而影响冻结前沿和冰透镜的位置,但温度梯度的影响最大;随着细粒含量的增加,细粒表面的结合水含量越大,在冻结过程中土样的空气进入量越多,补水量增多,冻胀越明显;初始含水量同样也会影响饱和级配土壤抗冻性能,随着试样初始含水率的增加,级配土的冻胀也随之增加;冰透镜体的形成受土壤渗透系数以及温度梯度的影响很大,细粒含量和温度梯度越大,冰透镜体的数量和厚度均有所增加;低温相变在冻结前沿附近存在负孔隙水压力梯度并随着霜层的扩展而增加,负孔隙水压力梯度是饱和土中水迁移的主要驱动力,直接影响着外部水源向冻结前沿上方的迁移。通过探讨影响级配土冻胀特性的影响机制,为寒区级配土壤填料的工程建设与应用提供参考。