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正冻土（指正在冻结的土体）中水分迁移和冰透镜体萌生发育是导致冻胀的最主要原因。前人已在正冻土水分迁移理论及模型方面展开过大量研究，但由于水分迁移以及冰透镜体萌生发育过程的复杂性，现有成果并不能完全解释相关机制以及所涉及到的问题。其中，受技术因素限制，正冻土水分迁移驱动力的研究并不深入，此外，土冻结过程中水分运移以及冰透镜体分凝机理研究也不够深入，正冻土水分迁移及冰透镜体生长的微观过程和机制仍不清晰。鉴于此，本文采用室内试验的方法，利用适用于负温条件下的pF meter基质势传感器来获得不同冻结条件下的基质势变化情况，建立可视化冰透镜体生长追踪系统，结合扫描电镜(SEM)方法，整合冻胀发生的宏观层面和水分运移的微观层面，对土体冻结过程中土中液态水的能量状态以及所涉及到的水分迁移、冰透镜体萌生发育过程及冻结缘的特征参数进行了相关研究。取得的主要成果如下: (1)基于pF meter基质势传感器，研究了冻土基质势与融土基质势间的机制差异。针对三种不同粒径土体，得到其各自的冻结特征曲线;验证了Clapyron方程转换法在冻土水热研究中的适用性;从机理上解释了饱和正冻土中土-水-冰三相体与融土脱湿过程中土-水-气三相体因各相界面力差异所导致的土体冻结过程与土体脱湿过程本质上的不同，明确了土体冻结过程中冰晶变化引起的土体液态水势能变化规律;此外，针对以往冻土冻胀研究中将饱和正冻土中的冰晶等划为非饱和融土中气体的方法进行了验证，结果表明这种被冻土研究中广泛使用的简化冻结过程中冰晶-液态水-土颗粒关系的方法并不合理。 (2)研究了土冻结过程中孔隙冰萌生导致的冰-水-土体系相平衡状态变化。冰的萌生一方面导致冰水比改变而引起基质势变化，另一方面由于其生长对周围土体的挤压作用，导致土体结构发生变化，造成土体孔隙率减小而个别大孔隙增多的现象，从另一个层面再次影响基质势。冻结后由于孔隙率的减小，导致融化过程基质势绝对值大于冻结过程，若将冻结过程看成土体脱湿过程，融化过程看成土体吸湿过程，则冻融过程中基质势的滞回环与融土脱湿-吸湿过程的滞回环相反。 (3)通过饱和青藏红黏土单向冻结试验，对冻土水热迁移耦合过程进行了研究，得到基质势-液态水-温度-含冰量-水分迁移量-冻胀变形之间在时间、空间上的耦合变化关系。结果表明:土中液态水的变化对基质势具有响应机制，基质势梯度决定了液态水运动的方向和大小。冻胀速率和冻胀量与水分迁移的速率和迁移量具有线性关系;温度场对水分场变化具有诱导作用但二者并不同步，当冻结速率低于某临界值后水分才开始迁移，温度场稳定后水分迁移并未停止，而是在冻结锋面附近基质势差的作用下继续向冻结锋面后方迁移。 (4)采用可视化冰透镜体萌生发育追踪系统，对细粒土单向冻结过程中冰透镜体的发育、生长和成层演化过程规律进行了追踪分析。结果显示，在快速冻结期、冻结发展期以及冻结稳定期，每一时期分凝冰的发育模式与规模均不相同。研究表明，冰透镜体的体积变化量与冻结区温度梯度的变化以及土体的冻结速率成反比关系。此外，温度梯度稳定之后，冰透镜体的生长并未停止，而是继续增长，直到水分场达到稳定后，冰透镜体才停止生长。冰透镜体的发育与水分迁移的剧烈程度有关，冰透镜体的体积增长率与水分迁移速率同步。 (5)对冻结缘特征参数进行了研究。冻结缘的厚度发展呈三个阶段:增大期、减小期、稳定期。这是由于冻结锋面的位置由土体温度场决定，而最暖端分凝冰的位置由水分场（水分迁移状况）决定。由于在土体单向冻结过程中水分场的变化滞后于温度场的变化，导致冻结缘的厚度并非持续增大，而是先增大、再减小，最后达到稳定不变。 (6)对单个冰透镜体发育生长规律及其萌生条件进行了研究。决定单个冰透镜体厚度的因素为温度梯度大小与冻结速率大小，其厚度大小取决于水分迁移量，而满足大量水分发生迁移必要条件为相邻土体之间存在基质势差以及充足时间;单个冰透镜体厚度的增速与土体冻结速度成正比。此外，冰透镜体的分凝温度随冻深的发展而降低，冰透镜体初始分凝位置基质势也随深度降低，而未冻水含量却增大。这是由于随冻深发展，土孔隙中的冰晶使得土体被分离拉裂所需应力增大，此外，上部土体冻结造成的冻结锋面下方未冻区土体固结也是另外一个原因。