黑龙江省作为我国典型的深季节冻土区,地处中国最北、最东部,气候严寒多变,导致土壤水分、温度等变化过程复杂频繁,农业渠道、道桥及路基等基础工程受冻害作用,从而对农业、水利等诸多方面发展带来不利影响。为了研究土体在寒季的冻胀特性,本文以黑龙江省水利科技试验研究中心为试验区,于2018年冬至2019年夏对试验土体冻结-融化动态变化过程进行原位监测,得到区域气温变化、热通量传导、土壤水、热变化过程及土温响应气温的滞后效应等土体重要影响参数的自然变化特征。取现场土样于室内重塑试样进行封闭系统冻结试验,研究分析土体冻结特征和物理特性变化等规律,探讨土体冻胀破坏机理、水分迁移变化及不同影响因素对土体物理特性的影响程度。主要研究成果如下:(1)基于原位测量结果,揭示了土壤天然冻融循环过程中水、热动态平衡变化过程、土温响应气温的时滞性变化,以及土、温、水等重要参数的变化规律:试验区气温整体呈正弦变化趋势;土体温度垂向轮廓线变化符合“单向冻结,双向融化”典型过程,由11月初至次年4月完成冻融循环过程,最大冻深至135 cm;土层温度响应气温变化出现时滞性,垂直深度增加(0～200 cm),最大滞后相关性R值随之增大,对应相关系数不断减小,逐渐趋近线性变化,春融期相较于冻结期,滞后时间相对延长;水分场变化过程划分为快速降温、恒负温、升温融化、持续升温四个阶段,表层土壤未冻水含量变化趋势相对最明显,土深增加变化趋势逐渐减弱,存在滞后效应;地表热通量周期内正、负值交替出现,即热量传输方向相反,热通量振幅消失阶段,土体逐渐进入冻结状态。(2)封闭系统下,对粉质黏土重塑试样进行在含水率、干密度和冻结温度等不同因素影响下冻胀响应特征的试验研究,通过土工冻胀试验仪对冻结过程进行控制模拟,对不同边界条件下土体冻胀性变化进行单因素分析,变化特征如下:土体温度场变化可分为快速下降、缓慢下降和平稳变化三个阶段,距离顶端越远,温度进入平稳阶段耗时越长;冷端温度降低,土体内部温度场进入平稳阶段耗时依次缩短;冻结锋面发展变化分为急速、缓慢、稳定冻结三个区间,土体冻结深度随冷端温度降低而增大,进入稳定阶段时间缩短;不同冻结温度、含水率和干密度条件下,温度梯度均呈现增长、下降和趋于稳定三个变化过程,冻结温度越低,到达峰值所需时间越短,且温度梯度峰值越大,水分、密度因素对其影响不大;土体冷端温度越低,水分积聚现象越不显著,冻结缘区含水率同初始相比变化最大;土体的冻结温度越低、初始干密度越小、初始含水率越大、冻胀现象出现越早;土体最大冻胀率与冻结温度成负相关,与含水率、干密度均成正相关。(3)制备试样所需重塑土样,选定试验控制边界条件:含水率、干密度和温度三种因素。综合实际采用瞬态测试法测定土体热物性指标,通过便携式热特性分析仪直接测试获取导热系数、热扩散系数等试验指标,进行不同影响因素下土体导热特性变化单因素试验分析,热物性参数变化特征如下:常温状态下导热系数无特殊变化,控制温度降至0℃后,出现突增现象,而后变化趋于平缓;土体的导热系数与干密度和含水率变化均成正相关;土体的热扩散系数与干密度和含水率变化成正相关,但土体含水率较高趋近饱和状态时,热扩散系数增加趋于稳定甚至减小。(4)针对土体的两种不同物理特性变化进行正交试验分析,通过分析结果得到试验指标最优组合(试验范围内),确定选取的边界条件对冻胀及导热特性影响的主次程度。封闭体系下,冻胀正交分析中各因素影响程度:含水率>干密度>冻结温度;导热系数正交分析中各因素影响程度:含水率>干密度>温度。(5)理论分析与试验数据相结合,应用数理统计分析软件进行多元线性回归分析,构建综合影响因素(温度、含水率、干密度)的冻胀、导热预测模型,并进行方差分析和模型验证。冻胀预测模型标准化回归系数表明,各因素贡献水平:含水率>干密度>冻结温度,与正交分析结果相互验证;导热系数预测模型标准化回归系数表明,各因素贡献水平:含水率>干密度>温度,验证正交分析结果。试验值与模型预测值拟合度均较高,模型实用性较强,可针对实际工程及时做出基础预测。