我国冻土主要分布于中北部地区及青藏高原地区。近年来,冻土区高速公路和铁路的修建步伐很快,其中由于冻土易受温度影响的工程特性,冻土区路基的冻胀融沉等病害问题非常突出。水热耦合数值分析是预估和研究冻土路基稳定性的重要手段。在寒区路基温度场和水分场的长期模拟中,地表热边界常基于“附面层原理”确定,即假设一定深度(附面层厚度)的土体温度函数等于大气日平均温度函数加上一个温度增量,以该温度函数作为地表热边界条件。目前,附面层厚度和温度增量一般通过实际观测值回归分析得到,缺乏相应的理论研究和参数确定方法。另外冻土水热耦合模拟是一个复杂的问题,尚没有成熟公认的模型。本研究针对冻土路基上部热边界问题和水热耦合模型开展研究,主要完成了以下内容：(1)通过解析分析,提出了附面层厚度选取标准,通过理论分析建立附面层厚度的确定方法；通过数值模拟,分析了太阳辐射、路面结构和环境等因素对附面层底部温度增量的影响,建立了温度增量的计算公式和设计图表；(2)针对寒区典型道路结构,给出了附面层厚度取值范围和温度增量的计算方法；(3)建立了路基水热耦合计算控制方程,并通过COMSOL软件二次开发实现了路基冻胀融沉问题的水热耦合计算；(4)将附面层理论及水热耦合方法应用于哈大高铁路基冻胀问题,分析了寒区级配碎石高铁路基的冻胀病害机理。本文的研究能够为冻土路基长期行为模拟给出更精确的附面层参数,为冻胀融沉模拟提供了一个可行的方法,这些成果能够为冻土路基冻胀融沉的精确数值模拟计算夯实基础,有望应用于工程实践。