在我国,季节性冻土大约占我国国土面积的55%,多年冻土大约占国土面积的20%。随着交通事业的发展,我国在冻土地区修建了许多隧道。然而,这些隧道非常容易发生冻害,比如衬砌冻胀开裂、洞门开裂、排水系统冻结堵塞等等。隧道的冻害不仅影响隧道结构的稳定性,增加隧道的管理维护成本,其还对行车安全带来了严重的不利影响。在隧道工程中,端墙式洞门与翼墙式洞门占比较大,同时,隧道洞口段受外界环境的影响最大,容易发生冻害问题。本文以室内模型试验为基础,同时结合数值模拟方法,对寒区隧道洞口段的温度场、水分场和冻胀变形规律进行了研究,初步探讨了围岩温度、水分环境与冻胀变形之间的关系。本文的主要工作如下:(1)为试验研究及数值仿真提供可靠参数进行了围岩土力学基本特性试验,包括密度试验、含水率试验、直剪试验、液塑限试验和击实试验,从而得到填土的含水率、密度、抗剪强度指标、液限、塑限等物理参数,为模型试验和数值分析提供依据。(2)根据相似理论,考虑水-热-力耦合效应研究确定模型的试验相似比并制作模型、埋设传感器,对隧道洞口段模型的温度、衬砌变形、洞门墙受力及冻胀位移进行数据采集和分析。试验研究表明:随着温度的降低,模型内的水分冻结膨胀,对外产生了冻胀力。温度越低,冻胀力及冻胀变形越大,当模型完全冻结后冻胀力及冻胀变形逐渐趋于稳定。模型冻结后衬砌产生了水平方向的变形,越靠近洞门墙冻胀变形量越大;冻胀力对隧道洞门墙产生了水平推力;三次冻融循环下,第二次完全冻胀时洞门墙受到的冻胀力最大。(3)通过建立水-热-力耦合微分方程组,考虑了围岩冻结过程中的相变潜热及水分迁移过程的非线性因素,利用COMSOL Multiphysics软件实现了洞口段水-热-力三场耦合求解。探讨了隧道洞口段温度场及水分场分布规律及冻胀变形特点。(4)数值研究分析表明:在数值计算条件下,模型在冻结过程中水分向温度荷载面发生了迁移;模型中的水分冻结后使得土体发生了膨胀,当存在约束时产生了冻胀力。其中,隧道的拱顶处及洞门墙的墙角处所受冻胀力最大;洞门墙在水平冻胀力的作用下发生了冻胀变形,水平方向的最大冻胀变形位于端墙与翼墙的顶部。