在膨胀土的基坑支护结构设计中,膨胀力是重要的设计参数。膨胀力的产生是由含有亲水性矿物的膨胀土吸水后产生体积膨胀量造成的。目前,膨胀力和膨胀量参数的获取建立在大量试验数据的基础上,对于同一类型的膨胀土,不同的试验方法和试验条件得到不同的试验结果,如何合理的选择膨胀力和膨胀量数值缺乏理论依据。本文试图从膨胀机理出发,基于化学热力学原理,建立从微观土粒的膨胀向土体膨胀转化,再向宏观膨胀力转换的理论模型,获得作用于支护结构上膨胀土压力的计算方法。基于现有膨胀机理,从弱结合水膜增厚的角度,根据化学热力学的原理,通过土粒吸水过程中表面自由能的变化,建立了土粒水膜增厚引起的土粒体积膨胀的理论模型,推导了土粒水膜厚度理论计算公式,建立了土粒吸水膨胀率的计算方法,为推导膨胀土体的膨胀变形提供基础。为减小粒径差异引起的结构效应对自由膨胀率的影响,提出了一种改进的自由膨胀试验方法。基于颗粒堆积原理,建立了由不同膨胀性土粒含量、不同土粒堆积形式的膨胀土样几何结构模型。由单个土粒的膨胀率理论公式,推导了三轴膨胀、侧限膨胀和改进的自由膨胀三种试验条件下的土样膨胀率理论公式。由于膨胀变形和膨胀应力均与土样的含水率变化相关,膨胀模量是一个与含水率相关的变量,定义膨胀模量为含水率的函数。通过改进试验装置和方法,可以获得满足工程精度的膨胀模量与含水率的关系式,结合理论推导的土体膨胀率,可得到膨胀应力。引起膨胀土膨胀的外因是土体含水率的提高,因此有必要对膨胀土体的湿度场变化进行研究。由于膨胀土具有裂隙性,裂隙的存在提高了土体的渗透性,进而加剧了湿度场的变化,因此需要对膨胀土体的裂隙发育程度进行研究。膨胀土裂隙网络用裂隙长度、裂隙平均宽度、裂隙节点深度、裂隙夹角、六边形零边数5个参数进行描述,本文通过表面裂隙摄影及图像处理、插丝法测深和CT扫描修正相结合,获取膨胀土裂隙的几何参数,建立了基于蒙特卡洛法原理、模拟并计算膨胀土裂隙率的实用方法,可为含裂隙膨胀土体湿度场的计算提供参数。作用于支护结构的膨胀土压力,是因膨胀土边坡湿度场变化,产生膨胀潜势后,边坡土体与支护结构协同变形后形成的附加荷载。本文基于水平层析法的原理,纳入理论计算的膨胀力,推导了膨胀土边坡主动和被动土压力的计算公式。通过以上工作,本文建立了一套从膨胀土的理论膨胀量到土坡膨胀土压力的理论计算方法。通过原状土室内模型试验,初步验证了本文提出的基于热力学的膨胀土理论膨胀量及在土坡工程中的应用方法是可行的。