作为我国重要农业生产基地的东北地区,普遍存在着渠道衬砌由于底部基土冻胀而产生的破坏现象,这种破坏严重影响了渠道的使用功能,造成经济损失的同时还造成了严重的水资源浪费。对于地下水位较高的地区,在冻胀过程中渠道底部往往存在着地下水补给,这种混凝土衬砌渠道称为开放系统下的混凝土衬砌渠道。在北方的初冬时节,昼夜温差较大,土体一直处于冻融循环阶段。本文根据冻土力学等基础理论,取粉质粘土作为冻胀试验研究对象,将冻胀过程简化为一维冻胀,对渠道基土进行了开放系统下一维循环冻胀试验研究,利用控制冻结深度的方法模拟冻胀循环的过程,采用有限元软件对渠道底部土体进行了冻胀模拟。主要开展了如下研究工作:（1）设计并制作了开放系统下粉质粘土一维循环冻胀试验装置,将粉质粘土依照试验规范进行重塑,分别进行了以初始含水率、最低冻结温度、冻胀时长为影响因素的的粉质粘土冻胀单因素试验。单因素试验结果表明:粉质粘土冻胀量与初始含水率呈二次相关,当含水率为40%时冻胀量最大值为2.49mm;粉质粘土冻胀量与最低冻结温度呈二次相关,当温度为-25℃时出现冻胀量最大值为2.33mm;粉质粘土冻胀量与冻胀时长呈线性相关。通过试验前后含水率的对比得到冻结锋面的位置以及冻结锋面上下土体的水分迁移规律。（2）在单因素试验的基础上,设计并完成了以初始含水率、最低冻结温度、冻胀时长为影响因素的粉质粘土冻胀三因素三水平正交试验。得到了开放系统下粉质粘土一维循环冻胀试验冻胀量的最不利因素组合,即:当初始含水率为40%、最低冻结温度为-25℃、冻胀时长为56h时,冻胀量最大值为2.82mm。得到了各影响因素对粉质粘土冻胀量的显著性分析结果,初始含水率影响最显著,最低冻结温度影响比较显著,冻胀时长影响不显著。（3）采用ANSYS有限元软件建立了梯形渠道及土体有限元模型,利用有限元模型对粉质粘土一维循环冻胀进行了数值模拟,通过与粉质粘土冻胀单因素试验结果和正交试验结果比较验证了模型的准确性。对模拟得到的粉质粘土冻胀温度场、位移场以及应力场进行了分析,得到了土体内部的温度梯度的分布状态及位移与应力集中的位置,为渠道防冻胀破坏提供了理论依据。利用有限元模型进行了开放系统渠道粉质粘土一维循环冻胀有限元模型扩展分析,进行了三因素四水平模拟正交试验,得到了延长冻胀时长的粉质粘土一维冻胀量规律。