寒区隧道冻害的发生,对行车安全、隧道维护等带来许多挑战,但冻害形成的成因、作用机理及影响因素复杂,这为寒区隧道冻害研究工作带来诸多挑战。近年来,随着我国一批重大寒区交通基础设施的建设,众多学者针对寒区冻土水热力耦合机理进行了大量的研究,但对水热力耦合作用下的寒区隧道洞口段纵向冻胀力研究尚少。本文采用理论研究、模型试验及数值仿真相结合的方式,针对寒区隧道洞口段纵向冻胀力进行了深入的研究,主要内容及成果如下:（1）选取了流体动力学-固体力学水热力耦合模型,探究寒区隧道洞口段温度场、纵向冻胀力和水分场的分布特点。该模型将土水势作为冻土中水分迁移的驱动力,考虑了水分迁移中携带的热量,利用土体体积变化计算纵向冻胀力。（2）根据相似理论,开展了隧道洞口段冻融室内模型试验,采集并分析了隧道衬砌轴向应变和模型土体温度。试验结果表明:在冻融过程中,模型土体温度随时间呈放缓的“V”型变化,大致分为五个阶段:未冻结阶段、相变阶段、已冻结阶段、相变阶段、融化阶段;在冻融过程中,隧道衬砌轴向应变变化明显,说明衬砌存在轴向冻胀力。温度越低,轴向冻胀力越大,呈先增大后减小的特点。此外,洞口处衬砌纵向冻胀力明显大于洞内部分,洞内部分衬砌纵向应力为负值,处于压缩状态。（3）采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件建立了基于流体动力学水热耦合模型和固体力学顺序耦合的三维仿真模型,实现了水热力三场耦合求解,分析了水热力三场的分布特点。模拟结果表明:该模型能够很好地反映模型温度场的变化规律,与试验结果相吻合;隧道洞口段纵向冻胀力的变化规律与试验结果相似,但在部分应力数值上存在较大的差异,这主要是因为局部出现非均匀冻胀所致。同时,在靠近洞口处,隧道衬砌纵向冻胀力增加明显且与桩基切向冻胀力有类似的分布。此外,洞口处出现了较为明显的应力集中现象;未冻水含量在相变之后会急剧减小,含冰量迅速增加,两者速度均呈垂直线性变化。随着温度的进一步降低或升高,未冻水含量和冰含量变化速度逐渐趋缓。（4）针对不同工况的研究发现,初始含水率大的工况能够延缓热量的传递,表现为环境温度最低时,模型内远离隧道洞口部位的最高温度明显高于较小初始含水率的工况下模型内最高温度。此外,水分在温度梯度的作用下,不断地向冻结锋面迁移,造成冰含量不断增加,土体体积膨胀愈加剧烈,这直接导致了在靠近隧道洞口处出现最大的纵向冻胀力,故需加强隧道口处的强度和防护。本文采用模型试验和数值仿真相结合的方式,对寒区隧道洞口段温度场、纵向冻胀力和水分场结果进行了对比分析,验证了模型试验的可靠性,可为寒区隧道相关课题研究提供理论依据。