为了分析寒区隧道端墙式洞门结构在考虑升温和洞口水分迁移、补给条件下的冻胀力学特征,本文在国家自然科学基金(项目批准号:41761015)的支持下,以青海某寒区隧道洞口段及端墙式洞门结构为工程依托进行针对性研究。结合寒区冻土的热力学相关特性,运用有限元计算软件,建立寒区隧道洞口段及端墙式洞门结构的有限元分析模型,考虑因洞口水分条件导致的围岩内部水冰相变及升温条件等因素,对寒区隧道进行分析。首先进行隧道洞口段及端墙式洞门结构附近温度场分布规律的研究,然后根据影响端墙式洞门结构冻胀力的温度场确定冻结深度大致变化范围,通过理论推导解析公式及数值模拟对端墙式洞门结构在考虑升温和洞口水分迁移、补给条件下的冻胀力进行计算,确定端墙式洞门结构所受冻胀力大致分布特征,并着手进行室内相似模型试验与解析计算、数值计算形成对比,验证所提方法的适用性。本文针对主要研究课题进行了下述工作:第一,在查阅大量隧址区的水文、地质资料获得土体随温度变化的物理力学及热力学参数资料的基础上,根据现场勘查结果确定热分析所需边界温度函数,继而对寒区隧道冻胀数值计算及解析计算在国内外的研究与发展作了详尽而系统的归纳阐述,提出满足本文所要研究的实际工程条件的初边条件,伴有相变温度场、水分场、应力场控制微分方程及其相应的三场耦合实现过程等。第二,建立伴相变的瞬态三维温度场数学模型,进行隧道洞口段围岩及衬砌、端墙式洞门附近围岩及主体衬砌结构的温度场分布规律研究,探知寒区隧道洞口段轴向和径向、洞门边墙结构和端墙结构附近的温度分布规律,得到近20年的洞门边墙结构冻融圈及端墙结构冻结深度的大致变化范围。第三,考虑隧址区升温及洞口水分迁移、补给条件下,采用相变温度场、水分场、应力场的耦合数学模型,进行端墙式洞门结构的水热力耦合数值计算,探明寒区隧道端墙式洞门边墙结构和端墙结构的冻胀力演化规律。第四,通过在总结已有冻胀模型的基础上,运用冻融圈整体冻胀模型和根据弹塑性力学方法推导出的冻胀力简明计算公式分别对端墙式洞门边墙和端墙结构进行解析计算分析。第五,根据相似理论开展寒区隧道洞口段的室内相似模型试验,研究寒区隧道洞口段冻胀力和温度的变化规律。第六,对室内相似模型试验、数值计算及解析计算结果进行对比分析,最终得出寒区隧道端墙式洞门结构的冻胀特征,为类似寒区工程冻胀特性分析提供一种参考及思路。