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中国有近一半的国土面积属于冻土地质和膨胀土地质，这两种土质工程性质复杂，给结构物带来极大的安全隐患。传统设计过程中只针对工程土体的单一场或者弱耦合场进行研究，很少考虑土体各物理量之间的强耦合作用。本文以高透水性生态挡土墙为研究对象，考虑膨胀土的湿胀干缩、吸湿软化特性以及冻融循环对土体的影响，研究了膨胀土的水分场、温度场、应力场之间的耦合效应，主要内容如下：
1.针对膨胀土与一般土体不同的工程特点，基于湿度应力场理论，考虑膨胀土的吸湿膨胀软化的特性，建立起模拟膨胀土无荷膨胀试验的数值模型。通过数值模拟结果和试验结果的对比分析，构建吸湿膨胀的数学模型，并反演出膨胀土的线膨胀系数。
2.考虑冰水相变潜热，建立含有相变的非稳态温度场控制方程；同时在非饱和土理论的基础上，结合达西定律和质量守恒定律建立膨胀土水分迁移的控制方程，并使用含冰量实现与温度场的强耦合。此外，假设吸湿膨胀和土体冻胀为土体内产生的附加应力-应变，结合弹性理论建立了膨胀土应力场及变形场的计算公式。
3.基于膨胀土水热力三场耦合模型，借助COMSOLMultiphysics平台的PDE模块进行二次开发，模拟生态挡土墙十年期的冻融循环过程，研究温度场、水分场、应力场相互耦合的规律及演变机制，分析生态挡土墙的安全性能。
通过分析数值模拟结果，得出如下结论：挡墙的蜂巢结构形式导致墙后填土出现应力土拱，土压力呈“倒S”分布，但是合力及作用点位置与朗肯主动土压力一致。此外，生态挡土墙具有高透水性，能够为吸湿膨胀和土体冻结提供充分的水分补给。在考虑冰水相变影响的情况下，使用生态挡墙护坡的膨胀土边坡全年冻胀和吸湿膨胀作用明显。冬季表层土体出现冻结区，土体内产生较大的附加应力。冻结深度随冻融循环的进程逐年增加，导致冬季挡土墙滑移位移和倾覆位移随冻结深度发展而增大，其中倾覆位移的增长最为明显。而夏季膨胀土边坡内仍保留了部分冻结区域，导致挡墙位移受吸湿膨胀和冻胀共同影响，滑移位移增长明显。冻融循环条件下生态挡土墙在膨胀土边坡的长期服役期内性能较差，因此不建议在冻融活动层深度较大的季节冻土区使用。
1.针对膨胀土与一般土体不同的工程特点，基于湿度应力场理论，考虑膨胀土的吸湿膨胀软化的特性，建立起模拟膨胀土无荷膨胀试验的数值模型。通过数值模拟结果和试验结果的对比分析，构建吸湿膨胀的数学模型，并反演出膨胀土的线膨胀系数。
2.考虑冰水相变潜热，建立含有相变的非稳态温度场控制方程；同时在非饱和土理论的基础上，结合达西定律和质量守恒定律建立膨胀土水分迁移的控制方程，并使用含冰量实现与温度场的强耦合。此外，假设吸湿膨胀和土体冻胀为土体内产生的附加应力-应变，结合弹性理论建立了膨胀土应力场及变形场的计算公式。
3.基于膨胀土水热力三场耦合模型，借助COMSOLMultiphysics平台的PDE模块进行二次开发，模拟生态挡土墙十年期的冻融循环过程，研究温度场、水分场、应力场相互耦合的规律及演变机制，分析生态挡土墙的安全性能。
通过分析数值模拟结果，得出如下结论：挡墙的蜂巢结构形式导致墙后填土出现应力土拱，土压力呈“倒S”分布，但是合力及作用点位置与朗肯主动土压力一致。此外，生态挡土墙具有高透水性，能够为吸湿膨胀和土体冻结提供充分的水分补给。在考虑冰水相变影响的情况下，使用生态挡墙护坡的膨胀土边坡全年冻胀和吸湿膨胀作用明显。冬季表层土体出现冻结区，土体内产生较大的附加应力。冻结深度随冻融循环的进程逐年增加，导致冬季挡土墙滑移位移和倾覆位移随冻结深度发展而增大，其中倾覆位移的增长最为明显。而夏季膨胀土边坡内仍保留了部分冻结区域，导致挡墙位移受吸湿膨胀和冻胀共同影响，滑移位移增长明显。冻融循环条件下生态挡土墙在膨胀土边坡的长期服役期内性能较差，因此不建议在冻融活动层深度较大的季节冻土区使用。