我国是一个冻土大国,有一半以上的国土面积位于对工程有冻害影响的冻土区,随着改革开放的进一步深化,更多的重大项目开始向东北、西北等较偏远的冻土地区实施,但是因为这些地区环境恶劣,冻害严重,粗粒土填料作为工程建设的必备材料也深受其影响。研究粗粒土填料在冻结过程中的发展规律,了解细粒含量对粗粒土填料物理特征和冻胀性能的影响,对寒区工程建设具有重大意义。本文以松花江江砂为试样材料,对其颗粒分析完并筛分后与1250目细磨高岭土重组成细粒含量分别为0%、5%、10%和15%的四种级配砂土。对四种级配砂土进行了基本物理性质试验和冻结试验,得到了不同细粒含量级配砂土的基本特征和级配砂土冻胀特性,并以此建立了不同细粒含量的级配粗粒土水-热耦合模型和水-热-力耦合的数值计算模型并验证了模型的有效性,同时对不同细粒含量的级配粗粒土进行计算,研究了细粒含量对级配粗粒土温度场和水分场分布以及冻胀性的影响,为寒区级配粗粒土填料的工程设计与应用提供参考。本文主要研究内容和重要成果如下:首先,对哈尔滨松花江江砂进行筛分后与细磨高岭土重新配置了细粒含量分别为0%、5%、10%和15%的四种级配细砂,然后对其进行击实试验、比重试验和热物性试验,得到了细粒含量对砂土的基本物理性质的影响规律,接着对细粒含量为0的级配砂土进行了单向冻结试验,并得到了其冻结规律。试验结果表明:随着细粒含量的增多,砂土的最大干密度和比热容逐渐增大,导热系数和扩散系数逐渐减小,颗粒比重先增大后减少(10%含量为变化点);温度和冻融循环次数对级配砂土的冻胀特性有显著影响,即温度梯度越大,冻融循环次数越多,冻胀量越大,并且级配砂土冻结过程中有明显的冻缩和融沉现象出现,其冻胀的变化趋势大致符合四个发展阶段,但总体来看级配砂土的冻胀量很小,冻胀率很低,其冻害不在于冻胀变形,而在于水热耦合作用下,土体结构发生损伤,承载能力下降很多。接着,基于饱和土的渗流理论以及热传导理论,依照质量守恒定律和能量守恒定律,并从微分的层面上实施推导,得到了温度场和水分场的微分控制方程组,通过引入“固液比”的概念,建立考虑细粒含量的级配粗粒土水-热耦合模型,并与级配砂土冻结试验和前人试验结果进行对比,验证了模型的有效性。模拟分析了细粒含量对级配粗颗粒土水-热耦合过程的影响,计算结果得出:细粒含量不超过15%时,对级配粗粒土冻结过程中的温降速率和最终稳定值有一定影响,但总的来说,影响不大;随着细粒含量的增多,冷端土体吸水能力增强,暖端土体吸水能力先增强而后略有减弱。最后,基于刚性冰模型理论,在Visual Studio编程软件上建立了考虑细粒含量的级配粗粒土水-热-力耦合数值模型,实现了其冻胀力和冻胀速率快速数值计算的功能,并与级配砂土冻结试验和前人试验结果进行对比,验证了模型的正确性。并对模型进行了参数敏感性分析,找出关键参数,然后模拟分析了细粒含量对级配粗粒土冻结过程中冻胀力和冻胀速率的影响规律,结果表明:随着细粒含量的增多,级配粗粒土的冻胀力和冻胀速率逐步增加,而当级配粗粒土中细粒含量一定时,随着其高岭土含量的增多,级配粗粒土的冻胀力和冻胀速率基本成线性增加。最终,确定了考虑细粒含量的冻胀力计算公式。通过以上研究成果,可以更加深入了解细粒含量对级配粗粒土物性特征和冻胀性能的影响规律,为冻土地区级配粗粒土填料工程的设计和施工提供参考。