冻胀作为土冻结过程中最为重要的物理力学现象与过程，是冷生构造发育过程、水分迁移过程和冰分凝过程的综合体现。冻胀的发育不仅会形成冻胀丘、冰锥、分选多边形、石环、斑土等复杂的冷生地貌，而且会造成房屋倾斜、基础不均匀隆起、路面冻裂、管道翘曲、冻结壁破裂等工程问题与事故，因此对冻胀发展实时过程进行研究，对冻胀机理进行探讨，建立合理的冻胀预报模型对于冻土区冷生地貌的成因分析和工程构建筑物的安全运营具有重要的意义。　　本文将具有实时性、直观性、客观性和定量性的数字图像技术引入到土冻胀过程研究中来，通过对现有土冻融常规试验系统进行改造创新，设计并加工了半圆筒形的持土罐，并建立了集试样冻融过程图像采集、图像预处理和图像数字化于一体的试验系统。基于建立的试验系统，对试样冻结过程图像、分层温度数据、整体冻胀位移数据、水分补给量数据、试验前后分层含水率和CT扫描数据进行了采集分析。通过数据的综合分析，对土冻胀过程中包含冷生构造发育、水分迁移和冰分凝等实时过程和机理进行了研究，并最终实现了对土冻胀过程和机理的认识，建立了土冻胀概念模型。主要结论如下:　　(1)基于不同顶板温度和不同初始含水率条件下青藏粉土的单向冻结试验，对土冻胀过程进行了深入研究，发现:不同顶板温度和初始含水率条件下试样单向冻结时冻结锋面前移过程大体相似，均经历先快速移动，再趋于稳定的过程;试样冻结稳定后，试样已冻区纵剖面冷生构造自冷端到冻结锋面可依次划分为微薄层状构造区、薄层状构造区和最暖端厚层状构造区三个部分，其中薄层状构造区中冰透镜体的生长是试样冻胀变形的主要原因，最暖端厚层状构造区中冰透镜体的生长造成了试样未冻区的固结;试样横截面冷生构造呈现构造多边形形态，并伴随有较大的纵向裂隙，共同成为水分迁移的通道;试样整体冻胀过程经历三个阶段:快速冻胀阶段、稳定冻胀阶段和线性冻胀阶段，其中线性冻胀阶段是试样冻胀的主要贡献部分;试样冻结过程中未冻区的固结程度随着顶板温度的降低而增大，随着初始含水率的增大而增大;试样冻结过程中最暖端冰透镜体形成后，水分仍可透过最暖端冰透镜体向已冻区中的冷生裂隙中迁移，并分凝成冰，填充并扩展冷生裂隙，造成试样的冻胀。造成试样冻胀的冰透镜体的生长处于一定的温度范围内，上限为试样的冻结温度。　　(2)对土冻胀过程中液态水的迁移过程和机理进行了分析，得到:水分迁移的形式为未冻结合水膜的迁移;水分迁移的驱动力为已冻区中负温低压冷生裂隙中的“真空抽吸力”和未冻水膜在温度梯度作用下形成的压力梯度;水分迁移的通道是构造多边形边缘的纵向裂隙。　　(3)开展了青藏粉土夹砂冻结试验，对试样冻结过程中气态水的迁移过程进行了验证。得到土冻结过程中气态水迁移是由于未冻区中水分的饱和蒸汽压大于已冻区冷生裂隙中水分的饱和蒸汽压，驱动水分在较大的纵向裂隙中进行迁移，并发生凝华，形成粒雪状冰晶体的过程。　　(4)开展了青藏粉土阶梯冻结试验和青藏粉土冻融循环试验，对冰透镜体的生长过程和形成条件进行了分析，得到:冰透镜体可以持续在低于试样冻结温度的已冻区中的冷生裂隙中进行分凝，直至冷生裂隙被充填到一定程度或者水分迁移的通道被堵塞为止;冰透镜体充填裂隙的同时，当温度处于一定的范围内时，裂隙可以被扩展，造成试样的冻胀，当低于这个范围时，裂隙只能被充填，不能被扩展;试样中冷生裂隙和冰透镜体不一定在上次冻融过程中发育的位置形成，而是将冻融后的试样作为新的初始样，下次冻融时，冷生裂隙和冰透镜体的形成对上次的位置不具有继承性;冰分凝的机理是未冻区的水分迁移至横向裂隙中时，速度减小，能量降低，发生相变分凝成冰的过程。　　(5)结合土冻结过程和干燥过程的相似性，得到试样冻结过程中冷生构造形成是不均匀温度梯度和水分梯度共同作用下产生的冻缩应力和干缩应力大于试样的张裂强度所导致的结果。　　(6)基于以上试验结果和机理分析，本文从温度场计算、水分场计算、冷生裂隙形成准则、水分迁移速率计算、冰分凝准则、冻胀量的计算6个方面出发，建立了饱和青藏粉土一维无压冻结冻胀概念模型。模型可以对试验观测到的土冻胀过程进行准确描述，但模型的简化、数值化、输入参数的确定以及验证仍需后续的工作进行支持。