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随着人类对寒冷地区的开发和利用，在这些地区的冻土工程建设得到了迅速的发展，冻土作为冻土地区建筑物的地基基础，其强度和变形特征等力学性质是冻土工程设计、施工和运营维护的重要依据。已有的研究表明，冻土的力学性质受到含冰量、气泡、颗粒大小、含盐量、有机质含量等内部因素和温度、应变速率、应力应变历史以及围压等外部条件的影响。前人对冻土的力学性质从不同的角度开展了大量的试验与理论研究:在试验研究方面，主要考察了具体土质的冻土在单轴压缩和三轴压缩条件下的强度和变形行为;在理论研究方面，主要通过修正金属或融土中的弹塑性理论和蠕变理论，建立能够描述冻土力学行为的本构模型。然而，由于冻土自身组分的复杂性和实际工程中外部荷载的多样性，需要我们对冻土的力学性质开展进一步的研究，如通过力学试验了解冻土在各种荷载条件下的力学行为，为冻土引入较为普适的本构理论，建立能够模拟和预测冻土变形特性的本构模型。为此，本文以冻结青藏砂土和冻结兰州黄土为研究对象，进一步在冻土的力学试验方法、冻土的力学性质和冻土的本构模型三个方面开展了一些研究工作:对几种力学试验方法进行了探讨，分析了它们的可行性和适用范围;对冻结青藏砂土和冻结兰州黄土进行了力学试验，考察了它们的强度和变形特性;考察了超塑性理论中的基本原理，并应用超塑性理论建立了冻结兰州黄土的本构模型。本文的主要研究内容和结论如下:
(1)在MTS-810低温三轴仪上实现了两种三轴剪切加卸载试验—TSLUT1和TSLUT2。TSLUT1是加载到某个给定的应力值下开始加卸载循环，TSLUT1能测得冻土的弹性剪切模量，但不能考察冻土的弹塑性耦合现象。TSLUT2是在一定的应变间隔下进行加卸载循环，TSLUT2不但能测得冻土的弹性剪切模量，还能考察冻土的弹塑性耦合和损伤行为。
(2)在MTS-810低温三轴仪上对比了两种各向等压试验方法—ICT1和ICT2。ICT1在轴向采取力控制模式，该方法在较低的应力水平下能考察冻土在静水压力下的力学行为，但由于在试验过程中难以保证轴向加压柱塞始终与试样接触，可能会在体应变的测算中产生误差，同时对试验操作和试验系统的稳定性有较高的要求。ICT2在轴向上采取位移控制模式，由于限制轴向位移为零，使得在该方法下体应变的测算更为简便和精确，整个试验过程仅由围压加载系统控制，也使该方法在操作上更为简单。
(3)为开展冻土的等p试验，在MTS-810低温三轴仪上提出一种实现冻土等p试验的方案。该方案类似于迭代法，理论上可以实现任意精度的等p试验。根据该方案的第一步，初步证实了该方案的可行性。
(4)对冻结青藏砂土进行了常规三轴压缩试验。试验结果表明，冻结青藏砂土的强度和变形特性受到围压影响。强度和初始模量随围压的变化都可以分为三个阶段:低围压阶段，强度和初始模量随围压的增加而增大;中围压阶段，强度和初始模量随围压的增加而降低;高围压阶段，强度和初始模量不再明显受围压的影响。然而，围压对强度的影响与其对初始模量的影响不同，表现为强度在低围压阶段的围压范围远小于初始模量在低围压阶段的围压范围。
(5)对冻结兰州黄土进行了四类力学试验，分别是常规三轴压缩试验、三轴剪切加卸载试验、各向等压试验和等斜率应力路径试验。分析了常规三轴压缩试验下围压对冻结兰州黄土的强度与变形特性的影响，其分析方法和结果与冻结青藏砂土类似。根据三轴剪切加卸载试验结果，考察了冻结兰州黄土的损伤行为及在加卸载过程中冻结兰州黄土的体变特征，冻结兰州黄土的损伤随着塑性变形而演化，在变形的初始阶段损伤发展的比较快，而当变形发展到一定程度后，损伤的发展趋向于一个稳定状态，冻结兰州黄土在加卸载过程中的体变特征不同于融土，基本不出现卸载体缩现象。各向等压试验结果表明，冻结兰州黄土的体应变与静水压力的对数大致成线性关系。由等斜率应力路径试验发现，冻结兰州黄土的塑性应变增量方向受到应力路径的影响。
(6)为了应用超塑性理论来建立冻土的本构模型，研究了超塑性理论中Ziegler正交原理、材料率无关性与耗散函数一阶齐次性之间的关系等理论基础。理论上证明了耗散函数关于内变量率的一阶齐次性与材料的率无关性是等价的，发现Ziegler正交原理是率无关材料的耗散函数具有一阶齐次性的前提。根据齐次函数的性质，提出了由Ziegler正交原理和耗散函数的一阶齐次性来直接求解屈服准则和流动法则的系统方法。
(7)根据冻结兰州黄土在力学试验中表现出来的力学特性，应用超塑性理论，建立了冻结兰州黄土的增量型弹塑性本构模型，并给出了确定模型参数的方法。对模型的试验验证表明，该模型能较好的描述冻结兰州黄土的变形特性。