随着北京地铁网络的扩张,越来越多地铁线路向郊区、山区延伸,对于地铁车站基坑施工周期一般要跨越2～3个冬季,基坑支护工程面临着冬季低温的严峻考验。近年来北京地区冬季异常寒冷,不断出现极端低温天气,山区降温剧烈(如2015年最低温度在-27℃～-29℃),并且低温持续时间较长,导致基坑冻害事故频发。由于冻土中温度、水分和应力之间的相互耦合是一个涉及热传质学、热力学、流体力学和物理化学的极其复杂的综合问题,要有效的预防和抑制土体冻胀对越冬基坑围护结构的影响,就必须充分考虑温度、水分和应力的耦合作用。因此,本文以地铁十三陵景区站基坑围护结构为研究对象,基于冻土水、热、力耦合理论,主要采用数值手段对越冬基坑围护结构冻胀变形进行分析。主要工作如下:(1)基于Harlan水热耦合模型,考虑水分迁移及水冰相变对应力场的影响,建立水、热、力耦合模型。通过引入Heaviside函数,消除冻土区与未冻土区水、热、力特性参数之间的跳跃性,同时将冻土区和未冻土区模型统一起来;利用多场耦合分析软件COMSOL Multiphysics中数学模块的PDE模式进行二次开发,建立水、热、力耦合控制方程,并将它们之间的耦合关系定义为变量的形式。(2)利用COMSOLMultiphysics所建立的水、热、力耦合模型,对土柱试验进行数值模拟,并与室内试验的实测数据做对比,分析结果证明了冻土水、热、力耦合模型及其数值方法的可靠性。(3)最后,采用本文在COMSOL中建立的耦合模型,对地铁十三陵景区站基坑工程进行水、热、力耦合数值模拟及分析。揭示了越冬基坑在水、热、力相互作用下,温度场、水分场及应力场中变量及参数的分布及变化规律;模拟出了冻结期内围护结构墙后水平冻深及地表垂直冻深的发展规律,最大垂直冻深为1.2m,并拟合得出冻深随空气冻结指数的平方根呈线性增长;有无支撑情况下围护结构的最大位移分别为3.6cm、7.4cm,说明横支撑能够有效减小围护结构冻胀变形;有无横支撑情况下的沿围护结构深度的冻胀力均出现2个峰值,第一个峰值的位置分别在距离坑顶2.5m、4.5m的位置,第二个峰值均出现基坑底部位置;昼夜温差变化以及极端温度对围护结构变形的影响较大。