近年来,随着冻结地层深度和冻结壁厚度的急剧增加,冻结壁融沉对结构稳定性的影响日益引起关注,深入了解深部冻融土的力学特性对于融沉灾害防治有重要意义。本论文以深部冻融黏土为研究对象,采用室内试验和数值模拟相结合的研究方法,对冻融作用下深土微观结构演变及蠕变变形规律进行了研究。本文主要研究工作包括:(1)采用扫描电镜、压汞仪和氮气吸附仪开展了深土微观结构和孔隙特征试验研究,系统分析了冻融作用下土的结构演变规律。(2)在固结不排水三轴剪切试验基础上,采用“分级加载法”开展深部冻融黏土蠕变试验,分析冻融作用对深土蠕变变形的影响规律。(3)基于深土微观结构定量信息,建立不同冻融状态下的深土颗粒流模型,标定深土微观参数,从微观尺度上分析冻融作用对蠕变变形的影响机制。论文得到的主要成果如下:(1)冻融作用使深土颗粒的角度分区在第5区(颗粒长轴与竖直方向夹角介于80~100°之间)的占比增大,其中原状土增加了0.8%、重塑土增加了1.4%;冻融作用使深土颗粒长短轴比值在第1区(长短轴比值介于1~2之间)的占比增大,其中原状土增加了2.4%、重塑土增加了1.0%。(2)冻融作用使重塑土中孔孔隙(2~50nm)增多,但对于原状土,不同热流方向下的冻融作用影响不一:热流方向水平使中孔孔隙增多,而热流方向竖直条件下减少;冻融作用下,原状土内部孔隙形态由L3型(细颈瓶型孔隙)向L2型(孔隙系统较复杂、微孔主要为一端封闭型、大孔则既有封闭型又有开放型)转变,而重塑土内部孔隙形态由L2型向L3型转变。(3)冻融作用使深部重塑黏土偏应力-应变曲线由软化型转变为硬化型;重塑土经过冻融作用后,其抗剪强度下降了36.5%、割线模量下降了30.2%;各试验因素对抗剪强度的影响显著性依次是:干密度、围压、冻结温度、融化温度,对割线模量的影响显著性依次是:围压、融化温度、冻结温度、干密度。(4)冻融作用使各等级蠕变的最大应变增大;不同试验条件下,轴向应变-时间曲线变化规律大致相同,主要包含三个阶段;冻融作用使深土的长期强度减小了48.2%,各试验因素对长期强度的影响显著性依次是:围压、冻结温度、干密度、融化温度。(5)由颗粒流PFC模型计算所得力链结构图可知:冻融作用下,力链结构由“柱状定向型”向“网状型”的演化速度加快,产生的裂隙也更发达。由位移场可知:冻融作用使试样表现出更明显的剪缩特性,加剧了颗粒在破坏带处的移动与转动。冻融作用下,试样最大配位数增大了6.3%。