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冻融温度场的研究是人工地层冻结技术施工的主要依据。岩石是一种内部结构极其复杂的岩土工程材料，热学特性与其细观结构密不可分。本文利用数字图像处理技术建立冻结岩石的细观结构模型，精确地表述页岩内部的空间结构及细观介质分布的几何形态。利用几何矢量转换技术，将细观结构模型转换为有限元物理模型，分析了负温条件下非均质冻结岩石冻融循环过程中的温度场分布规律。数值模拟结果表明：岩石的细观结构决定了冻融岩石温度场的分布形态，对岩石冻融损伤破坏过程产生不可忽视的影响。本文所提出的方法可实现考虑冻融岩石细观结构的冻土热、力学特性的定量分析。