冻土是一种对温度十分敏感而且性质不稳定的土体。冻土区域面积占到全球陆地面积的70%,我国冻土面积位列世界第三。冻土的特性对冻土地区的工农业生产、环境变化、交通基础设施建设及维护等造成了不同程度的负面影响。近年来,随着我国国民经济建设的发展,对新的冻土研究工工具的需求,变得日益迫切。本文以冻土冻融过程水热迁移特性为突破口,提出了冻土冻融过程中含水率预测模型及控制策略。对更深入研究冻土冻融过程中水热迁移现象,减小冻土地区建设面对的困难具有重要意义。基于格子Boltzmann方法的基本理论,将冻土冻融过程拆分为两相流驱替、对流传热及固液相变相界面演化3个简单物理过程与复杂土壤微观结构的相互作用。利用模块化格子Boltzmann模型,构建了冻土冻融过程水热迁移孔隙尺度数值模型。通过求解Neumann-Stefan问题,验证了模型的准确性、有效性和稳定性。误差分析表明,计算时首先需确定总无量纲时间tmxα/l2,然后根据计算精度的需求合理选择模型中的热扩散系数。Stefan数对于模型的准确性影响较大,尤其在计算的初始阶段。对于冻土冻融问题的模拟,通常总无量纲时间tmaxα/l2>1,虽然该模型在模拟的最初几个时间步长内有明显的误差,但考虑到总演化时间,该模型仍有较高的准确性。基于逾渗理论,建立了冻土冻融过程渗透系数计算及渗透阈值判断模型。模拟了平均分布、正态分布、指数分布下,不同最小颗粒直径dmin、最大颗粒直径dmax及直径变化范围dvar的土壤在冻融过程中孔隙率n_f及有效孔隙率nef的变化过程。土壤在冻结过程中,由于孔隙冰的隔离作用,n_f与n_eff之间会发生偏离现象,n_eff的下降速率比n_f快。当n_f=ncritical时,n_eff=0且不再随温度降低发生变化。在计算冻土的热物性参数时,需要采用孔隙率作为修正系数;计算渗透系数时,需要采用有效孔隙率作为修正系数。土壤在冻结过程中,临界孔隙率ncritical随dmin及dvari的变化幅度不大,而与颗粒的分布类型关系密切。当土壤处于非饱和状态时,相同n_f下非饱土的水膜厚度明显低于饱和土,非饱和土的Mcritical随含水率升高逐渐降低,直至达到饱和状态时,与饱和土的ncritical相等。运用宏观尺度格子Boltzmann 方法的基本理论,建立冻土冻融过程水热迁移宏观尺度格子Boltzmann模型。通过与试验结果对比验证了宏观尺度模型的准确性与稳定性。与孔隙尺度模型相比,宏观尺度模型不仅充分考虑了冻结锋面处水分迁移及结冰过程导致渗透系数降低的现象,而且大幅提升了计算效率。在采用本文提出的宏观尺度格子Boltzmann模型进行数值模拟计算时,首先需要确定计算对象的傅里叶数、Stefan数、达西数及雷诺数。宏观尺度格子Boltzmann模型的计算效率与准确性均高于孔隙尺度模型。理论分析表明,恒定的低温抽吸力与变化的渗透系数以及相变温度的共同作用产生了土壤冻结过程水分迁移存在最大迁移速度的现象。足尺冻土冻融试验台在在线式冻土冻融过程监测研究中具有良好的稳定性。土壤受到外部载荷或存在内部形变的情况下,当采用电磁式土壤温湿度传感器时,应首先考虑传感器探针的强度,否则会导致传感器失效。在冻土冻融状态转变的过程中,存在土壤含水率突变的现象,该现象的强度与温度变化速率呈正比。通过与试验结果对比表明,宏观尺度格子Boltzmann模型在模拟复杂温度边界条件下长周期冻土冻融过程中的水热迁移过程有较高的准确性。介绍了“特殊地域足尺道路加速加载设施”的主要技术指标以及该项目设计工作中的核心难点问题。时域反射式（TDR）与频域反射式（FDR）传感器均适用于测量冻土冻融过程中含水率的变化,但在大规模采用TDR传感器时成本会大幅增加。在采用TDR传感器时,在土壤存在形变的情况下需要对首先对传感器电极探针的强度进行评估,必要时需要调整埋设方式或加固传感器探针。冻结速率对土壤冻结后含水率的影响较大,上表面温度高于-10℃时,冻结速率、土壤孔隙率以及土壤初始含水率均对土壤冻结后含水率影响较大,其中上表面温度影响最为显著。上表面温度低于-20℃时,上述3种影响因素对土壤冻结后含水率影响较小。土壤孔隙率对于土壤冻结后含水率的影响高于土壤初始含水率。对于指定的土壤冻结后含水率,可通过调节冻结速率、土壤孔隙率以及土壤初始含水率的方式实现,在加速加载试验中,可由数值模拟的方法建立土壤冻结后含水率响应曲面,而后通过平面相交求曲线的方法获得相应的控制策略曲线。