黑龙江省位于祖国边陲东北部，是以农业生产为主的灌溉大省，地处典型深季节冻土区，受地理位置及气候条件影响，黑龙江省冬季漫长且干燥寒冷，冻胀灾害和冻融侵蚀频繁发生，对当地输配水渠道和各类水工建筑造成严重破坏，这不仅严重制约我省经济发展，而且威胁大型建筑物安全运行。为更好分析土体冻结规律，揭示冻胀变形机理，在实验室内以低液限黏土为研究对象进行开敞系统下各单因素冻胀试验，分析各试样冻结过程中温度场、温度梯度、冻胀率和补水量等变化过程，并采用“瞬态法”测定各工况下热物性参数。根据野外原型与室内模型相似准则合理确定物理边坡模型尺寸，按照黑龙江漠河市多年日平均气温变化过程设计温度控制模式，在实验室内完成数次冻融循环试验，测定冻融循环过程中边坡土体物理力学特性变化规律，补充冻融循环作用对岸滩破坏过程的理论研究。主要成果如下:(1)在实验室内按照试验规范测定土体基本物理参数指标，根据野外实际物理参数与基本物理指标确定试验方案，合理设计各边界条件，探究在开敝系统下冷端温度、含水率和干密度对土体冻胀特性的影响，利用土工冻胀试验箱对试样进行温度控制，利用温度和位移传感器对冻结过程中土层温度和位移变化进行实时监测，试验结果显示:在测定试样起始冻结温度试验中，试样温度变化过程曲线可分为四个阶段:过冷阶段、温度突增阶段、孔隙水结晶阶段和稳定冻结阶段。由于各工况下试样初始参数有所不同，所以起始冻结温度也不尽相同。冷端温度差异导致试样内部温度场及温度梯度存在一定差异，温度场发展过程可分为快速降温阶段、稳定降温阶段和恒温冻结阶段，试样顶端受顶板冷量影响最大，底端受其影响最小，峰值温度梯度随冷端温度降低而增大，温度梯度随试验历时增加呈现先增大后降低并逐渐稳定趋势。冷端温度越低，冻结锋面推移速度越快，冻结深度越大，试样最终冻胀率随冷端温度降低而增大。在试验范围内，试样冻胀率与含水率和干密度呈现正相关关系。在冻结过程中，受冷端温度和水分驱动力影响，试样内部原驻水发生重分布并从底板抽取水分积聚在冻结锋面后方，冻结缘区含水率最大。 (2)制备重塑土样以探究温度、含水率及干密度对土体热物性参数影响，根据“瞬态法”试验原理，采用便携式热特性分析仪对不同工况下各试样导热系数，容积热容量和热扩散系数进行测定。试验结果表明:当温度为5～20℃时，试样导热系数、容积热容量和热扩散系数随温度几乎不发生变化，当温度为-5～5℃时，试样导热系数和热扩散系数发生突增，容积热容量降低，当温度为-20～-5℃时，土体热物性受未冻水含量和冻胀裂纹综合影响，呈现波动性变化。受水分物态变化影响，冻土导热系数和热扩散系数明显大于融土，容积热容量与之相反。试样导热系数、容积热容量和热扩散系数与含水率和干密度呈现正相关关系。 (3)根据实际野外原型与实验室内模型之间的相似准则，并结合低温环境模拟试验室规格，合理设计室内边坡模型尺寸，收集整理黑龙江省漠河市十年日平均温度并简化温度控制过程，结合相似准则及实验室修正系数设计实验室内温度控制模式，以此来控制完整冻融循环温度变化过程。根据野外实际土体参数，在实验室水槽内修筑物理边坡模型，并按照所设计的温度控制模式对该边坡模型进行数次冻融循环试验，可得到如下结论:边坡土层温度呈现正弦式变化，距离顶板冷源越近，土层温度变化越明显，波动范围越大，土层0～18 cm深度以内温度变化较为明显，深层土受顶板温度影响变化很小。从冻结深度变化过程线可看出，该试验设计可模拟野外“单向冻结，双向融化”过程，边坡模型冻结深度发展过程可分为六个阶段:未冻结阶段、快速冻结阶段、稳定冻结阶段、缓慢冻结阶段、正向融化阶段和反向融化阶段，正反向融化阶段相继进行，并非同时发生，正向融化会早于反向融化，并且正向融化速度更快，在缓慢冻结阶段会出现最大冻结深度，且冻结深度随着冻融循环次数增多逐渐增大。 (4)在冻融循环过程中，土体会经历冻胀和融沉现象，试样高度并不能回归初始状态，而是存在一定量残余变形，残余变形会随着冻融次数的增多而逐渐增大，但增大幅度逐渐减小。在试验过程中，边坡表层土体干密度随着冻融循环次数增加而降低，孔隙度逐渐增大，当冻融循环达到七次时，残余变形量趋于稳定。通过直剪试验测定各次冻融后土体抗剪强度及其指标，结果表明:抗剪强度、黏聚力及内摩擦角均随冻融循环次数的增加逐渐降低。最后，结合试验结果及规律对岸滩破坏过程机制进行理论分析，冻融循环使颗粒间距增大，孔隙增多，分散性增强，冻融循环可加剧岸滩侵蚀过程，同时依据相对暴露度理论和粘性细颗粒泥沙物理特性，指出岸滩侵蚀破坏过程主要受冻融侵蚀和水流侵蚀共同影响。
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