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在寒区，地表总有一定厚度的土体会随着温度的季节变化而经历反复的冻结和融化过程。土体的冻融过程不仅包含水热变化及其相互作用，也伴随着冻胀和融沉现象发生。土体的冻胀和融沉变形是导致寒区工程构筑物产生各类冻融病害的主要原因，是寒区工程建设和运营过程中所面临的重要问题。因此，充分地认识土体冻融过程中的水热变化特征以及冻融变形过程和机理是解决寒区工程冻融病害问题的核心和关键。本文通过试验测试、理论分析和数值模拟的方法，研究了土体在冻融过程中的水热变化特征及其冻融变形过程，进而分析了寒区工程冻融病害的主要成因，为寒区工程建设和运营过程中冻融病害的防治提出了相应的建议和措施。主要研究内容和得到的结论如下: (1)开展了不同类型土体在冻融过程中的水热变化特征试验研究。结果表明，在相同温度条件下，土体融化阶段的体积未冻水含量均小于其冻结阶段，即土体的体积未冻水含量随温度的变化均存在着冻融滞后效应。分析发现，冻融滞后效应与土体类别、孔隙分布以及由于成冰冻胀导致的土体孔隙结构的改变等多种因素相关。基于试验结果，考虑冻融滞后效应，采用绝对温标建立了体积未冻水含量随温度变化的动态计算模型;分析了土体在冻结过程中的基质吸力与体积未冻水含量及温度的动态变化关系。通过冻结与脱湿过程中的土水特征试验结果的对比，明确了冻结与脱湿过程中土水特征之间的相关性，并借助毛细理论和相界面能理论分析和讨论了土体冻结和脱湿过程的内在联系，从而实现了冻结特征曲线模型与土水特征曲线模型之间的关联性应用。 (2)开展了不同土体类型、温度梯度、外部荷载和水分补给条件下土体的单向冻结试验。结果表明，以上四种因素对土体单向冻结过程中的水分迁移和冻胀变形均有着显著的影响。主要体现在:不同类型的土体由于其粒径分布和含量的不同导致其在冻结过程中冻结速率和冻土基质势存在较大差异，影响了土体中的水分迁移;而土体冻结过程中较大的温度梯度有利于水分迁移的驱动，水分迁移量的增加也使得冻胀变形随之增大;外部荷载的增大抑制了土体对水分的吸入，也即较大的荷载不利于水分迁移的发生，最终导致了土体的冻胀变形随着荷载的增大而减小;封闭无补水条件下的单向冻结过程中孔隙水迁移成冰对土体冻胀变形的贡献量大于原位成冰冻胀，且水分迁移量受到土体初始含水量大小的控制。存在水分补给的条件下，累计补水量主导着土体的冻胀变形，孔隙水的原位和迁移成冰则对总冻胀变形的贡献量较小。通过对补水起始时间和冻结锋面下移速率的研究发现，只有在冻结锋面（0℃等温线）下移速率达到相对稳定时，水分才开始被吸入土体，当温度梯度越大且土体受到的外部荷载越小的时候，补水开始的时间越早，相应的累计补水量也越大。根据以上试验结果，总结提出了以土体孔隙率、体积未冻水含量、冰水相变体积膨胀率、水分迁移量、补水量以及土层厚度为主要变量的冻胀变形计算公式，与实测值对比发现，该公式能够较为准确地预测土体在单向冻结过程中由不同因素导致的冻胀变形，即原位冻胀、孔隙水迁移冻胀以及补水迁移冻胀。 (3)通过开放补水条件下的冻融循环试验，研究了多年冻土水热变化特征及变形过程。结果表明，温度的周期性变化导致表层土体的体积未冻水含量也出现了明显的周期性增大和减小过程，在整个冻融循环过程中多年冻土层内的温度和体积未冻水含量则保持着较为稳定的状态。土体的变形值也是随着温度的周期变化呈现出冻胀和融沉的周期变化过程。由于土体处于开放补水状态，在冻融循环过程中少量补水进入土体后聚集到多年冻土层下缘成冰并产生冻胀，因此变形值在周期性变化的过程中呈缓慢增大的趋势。 (4)结合试验测试和理论分析结果，基于多孔介质传热与传质及弹塑性理论，建立了土体在冻融过程中的热质传输方程、能量平衡方程和力学方程，从而构建了土体热质传输及变形相互作用数学模型。采用该模型对土体的冻结和融化过程进行了数值模拟，通过与试验结果的对比发现，数值模拟结果与实测结果吻合度较高，证明了该模型能够有效模拟土体冻结和融化过程中的水热变化和变形过程。 (5)结合以上的试验和数值分析结果对导致寒区工程发生冻融病害的潜在原因进行了分析和讨论，并提出了相应的防治建议和措施。