相对于一般的隧道工程,寒区隧道容易出现一系列病害,如衬砌冻胀开裂、酥碎、剥落、挂冰、道床冒水、底部冻胀积冰和拱顶漏水挂冰等,冻害是影响寒区隧道稳定性的主要因素之一,准确评价冻胀对隧道安全性的影响对施工过程中预防隧道冻害的发生具有重要意义。寒区隧道易发生冻胀的围岩多为自稳能力差的冲积层土或碎石土,为此,本文以冲积层土为研究对象,开展室内冻土力学特性试验,结合数值模拟和理论分析研究寒区隧道围岩的冻胀特性以及变形规律。(1)寒区隧道围岩的冻结是沿隧道径向的单向冻结,通过自行研制的带气囊柔性加载的试验装置,在稳定应力状态下开展隧道围岩受单向冻结时的冻胀变形规律研究,把温度梯度方向冻胀应变与垂直于温度梯度方向冻胀应变的比值定义为不均匀冻胀系数,测试试样在不同条件下的不均匀冻胀系数,为准确建立冻结围岩的本构关系和考虑围岩不均匀冻胀的解析计算中不均匀系数的取值提供试验依据。试验结果表明,土样表现出不均匀冻胀特性,各个方向的冻胀应变可分为降温冷缩阶段、冻胀增长阶段、趋于平稳阶段,试样温度变化可以分为快速降温过程、缓慢降温过程、恒温稳定过程。随着温度的降低和应力差的减小,不均匀冻胀系数逐渐增大,阐明了不均匀冻胀系数与温度和应力差之间的量化关系。(2)开展不同温度下(-4℃,-8℃,-12℃,-16℃)的单轴声发射和三轴剪切试验,由试验结果可知,随着温度的降低冻土的强度呈线性增长,弹性模量也随着温度的降低而增长。在三轴试验中,在-4℃和-8℃温度下随着围压的增大三轴剪切强度呈减小趋势,其平均减小速率分别为0.138和0.056;在-12℃和-16℃温度下随着围压的增大三轴剪切强度逐渐增大,其平均增长速率分别为0.233和0.417。给出温度与内摩擦角和粘聚力之间的指数函数关系,建立了考虑不同负温影响的Mohr-Coulomb屈服准则。(3)考虑不均匀冻胀,修正冻结围岩本构方程,建立温度对冻结围岩影响的衬砌-冻结围岩-未冻结围岩寒区隧道计算模型,并给出求解不均冻胀系数的方法。结合FLAC3D进行寒区隧道温度场模拟分析,以便确定冻结围岩划分的温度圈半径,根据冻结围岩塑性区的位置分三种情形进行求解围岩应力场和位移场;对比分析了围岩在均匀冻胀和不均匀冻胀条件下的塑性半径发展规律和各界面处应力变化情况。