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全世界共有3576万km2的多年冻土，约占陆地面积的24%。一方面随着全球气候变暖，寒区山体中既有冰层的融化导致了越来越多的崩塌，地形地貌的变化加速；另一方面，由于人类对交通和资源的需求，寒区工程越来越多。无论从环境保护的角度，还是工程安全的角度，寒区基岩的稳定性都是值得深入研究的课题。寒区岩体的冻胀机理即为其中的核心问题之一，而裂隙中冰层的出现则是冻胀的重要原因，本研究即以岩体裂隙在温度梯度下的水分迁移及其中的成冰机理为主要目标，展开相应的试验及理论研究，主要取得以下的研究成果：
（1）明确了岩体裂隙中的水分迁移形态及主要迁移方式。用水泥砂浆预制带有垂直贯通裂隙的试样模拟寒区裂隙岩体，对此试样进行了底部有补水的单向冻结试验。试验结果表明：岩体裂隙是水分迁移的主要通道；水分迁移的形态有两种，分别为气态迁移和液态迁移，且气态迁移量远大于液态迁移量。
（2）研究了岩体裂隙中液态迁移的影响因素，并推导了平行板裂隙中静、动力毛细水上升公式。用有机玻璃板拼接形成不同隙宽的平行板裂隙试样，并对此试样进行常温下及单向冻结条件下（底部均有补水液面）的试验研究，同时基于试验结果进行了相应的理论分析。结果表明平行板裂隙中液态水迁移主要受到壁面润湿特性（接触角）及隙宽的影响，温度对毛细水上升的影响非常有限；对于岩体中的垂直平行板裂隙而言，岩石壁面的表观接触角均可视为0°，即为完全润湿表面，此种条件下，仅当隙宽＜0.1mm时，其中的毛细水上升高度才比较明显；推导了平行板裂隙中毛细水的静、动力上升公式。
（3）研究了岩体裂隙中气态迁移的影响因素，并建立了气体迁移公式。以水泥试块拼接试样模拟裂隙岩体，对此进行单向冻结试验。基于试验结果，结合传热传质相关原理，明确了气态迁移的主要影响因素为负温区结霜效应导致的浓度梯度。并以结霜模型中的水分通量计算公式来表征水蒸气的迁移，其结果与试验结果吻合良好。
（4）提出了岩体裂隙中气态迁移导致的两种成冰机理，并基于第一种成冰机理建立相应的模型。基于水泥试块拼接试样的单向冻结试验结果，结合相应的理论分析，分析气态迁移导致的两种裂隙中冰层的形成过程，并提出以下两种机理：
结霜机理：当裂隙中以对流传热为主时，水蒸气在裂隙负温区的壁面处遇冷凝华成霜，伴随着复杂的霜冰转化过程，最终表现为裂隙冰层的生成；基于传热传质学基本原理，建立了岩体裂隙壁面上的结霜模型，计算结果与试验结果吻合良好。基于结霜模型，研究了影响结霜量多少和气态迁移量的因素，发现裂隙壁面所在空间的对流传热条件、空气的相对湿度及负温区壁面面积是3个直接因素，当对流传热越强烈、空气的相对湿度及负温区壁面面积越大时，则一定时间内结霜量越多，气态迁移量越大，裂隙中的成冰作用越显著。裂隙沿程的温度梯度是更为本质的原因，它通过影响对流传热系数和负温区壁面面积而间接影响结霜和水分迁移过程。
水蒸气-预融水膜迁移机理：当裂隙中以导热为主时，水蒸气补给既有冰晶的液膜，液膜中的水在温度梯度作用下由高温向低温处迁移并凝结成冰，由此导致了裂隙中冰层的生长。基于传热学及物理学、化学的基本原理，对此过程进行了相应的分析。
（1）明确了岩体裂隙中的水分迁移形态及主要迁移方式。用水泥砂浆预制带有垂直贯通裂隙的试样模拟寒区裂隙岩体，对此试样进行了底部有补水的单向冻结试验。试验结果表明：岩体裂隙是水分迁移的主要通道；水分迁移的形态有两种，分别为气态迁移和液态迁移，且气态迁移量远大于液态迁移量。
（2）研究了岩体裂隙中液态迁移的影响因素，并推导了平行板裂隙中静、动力毛细水上升公式。用有机玻璃板拼接形成不同隙宽的平行板裂隙试样，并对此试样进行常温下及单向冻结条件下（底部均有补水液面）的试验研究，同时基于试验结果进行了相应的理论分析。结果表明平行板裂隙中液态水迁移主要受到壁面润湿特性（接触角）及隙宽的影响，温度对毛细水上升的影响非常有限；对于岩体中的垂直平行板裂隙而言，岩石壁面的表观接触角均可视为0°，即为完全润湿表面，此种条件下，仅当隙宽＜0.1mm时，其中的毛细水上升高度才比较明显；推导了平行板裂隙中毛细水的静、动力上升公式。
（3）研究了岩体裂隙中气态迁移的影响因素，并建立了气体迁移公式。以水泥试块拼接试样模拟裂隙岩体，对此进行单向冻结试验。基于试验结果，结合传热传质相关原理，明确了气态迁移的主要影响因素为负温区结霜效应导致的浓度梯度。并以结霜模型中的水分通量计算公式来表征水蒸气的迁移，其结果与试验结果吻合良好。
（4）提出了岩体裂隙中气态迁移导致的两种成冰机理，并基于第一种成冰机理建立相应的模型。基于水泥试块拼接试样的单向冻结试验结果，结合相应的理论分析，分析气态迁移导致的两种裂隙中冰层的形成过程，并提出以下两种机理：
结霜机理：当裂隙中以对流传热为主时，水蒸气在裂隙负温区的壁面处遇冷凝华成霜，伴随着复杂的霜冰转化过程，最终表现为裂隙冰层的生成；基于传热传质学基本原理，建立了岩体裂隙壁面上的结霜模型，计算结果与试验结果吻合良好。基于结霜模型，研究了影响结霜量多少和气态迁移量的因素，发现裂隙壁面所在空间的对流传热条件、空气的相对湿度及负温区壁面面积是3个直接因素，当对流传热越强烈、空气的相对湿度及负温区壁面面积越大时，则一定时间内结霜量越多，气态迁移量越大，裂隙中的成冰作用越显著。裂隙沿程的温度梯度是更为本质的原因，它通过影响对流传热系数和负温区壁面面积而间接影响结霜和水分迁移过程。
水蒸气-预融水膜迁移机理：当裂隙中以导热为主时，水蒸气补给既有冰晶的液膜，液膜中的水在温度梯度作用下由高温向低温处迁移并凝结成冰，由此导致了裂隙中冰层的生长。基于传热学及物理学、化学的基本原理，对此过程进行了相应的分析。