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在寒区高铁隧道建设、寒区岩质边坡防治、液化气地下低温贮存以及冻结法施工过程中都涉及到低温热-水-力耦合下的岩体冻融问题，岩体冻融损伤与破坏严重威胁着寒区岩体工程的安全与稳定。本文紧密围绕“低温裂隙岩体冻融损伤机理及多场耦合过程”这一关键主题，从孔裂隙中的水冰相变过程入手，将裂隙岩体分为裂隙和完整岩石两个部分，通过利用理论分析与模型研究、数值模拟计算以及室内试验等方法，对裂隙岩体冻胀扩展机理、低温岩石冻融损伤机制与表征模型以及低温岩体多场耦合作用过程三个主要问题进行了系统的深入研究。主要取得了以下研究成果: (1)通过室内试验对低温饱和裂隙中的冻胀力时空演化过程进行了实时监测，得到了冻胀力的一般变化规律。 由于影响冻胀力量值的因素众多，不仅涉及到低温热-水-力耦合作用过程，还与裂隙的几何形态有关，所以要准确的监测到裂隙中冻胀力的萌生和变化过程是一个非常具有挑战性的难题。本文通过在类岩石材料中预制饱和裂隙，利用薄膜压力传感器对裂隙中的冻胀力随冻结温度和冻结时间变化的全过程进行了实时监测。试验结果表明:随着冻结温度降低，冻胀力的演化过程可分为孕育阶段，爆发阶段，跌落阶段以及平衡阶段;试验中裂隙内的最大冻胀力与裂隙宽度成正比，而与裂隙长度没有表现出明显的相关性。 (2)建立了裂隙岩体冻胀水压力演化过程模型，提出了裂隙岩体冻融损伤机理。 鉴于目前对驱动裂隙扩展的冻胀力类型缺乏一个统一的认识，本文从裂隙中水冰相变过程入手，采用理论分析与模型研究方法，建立了封闭饱和柱状裂隙中冻胀力的数学计算模型。研究结果表明:冻胀力随裂隙饱和度和岩石弹性模量增加而迅速增大，随着岩石渗透率和冻结温度升高而降低;不同岩石裂隙冻胀开裂存在一个对应的临界饱和度，低渗透性岩石中裂隙水冻结会产生较大的冻胀水压力，容易引起裂隙冻胀扩展;而在高渗透性岩石中，饱和裂隙水冻结难以形成有害的冻胀水压，裂隙冻胀开裂主要是冻结后期微观未冻水膜中产生的分离压力引起的。 (3)考虑水分迁移，得到了椭圆裂隙冻胀力解析解并开发了相应的数值分析方法。 充分考虑冰与裂隙的膨胀耦合关系，基于弹性力学、渗流力学、热力学以及断裂力学理论建立了考虑水分迁移下的冻胀力解析模型;由于水的冻结过程、水分迁移通量和裂隙面的约束都会对冻胀荷载产生直接影响，导致以往数值模拟中冻胀荷载的施加缺乏有效方法，而且往往会因为冻胀的突然发生引起计算结果收敛困难，因此笔者采用等效热膨胀系数方法对考虑水分迁移条件下低温裂隙中的冻胀力以及裂隙尖端的冻胀应力场进行了数值模拟分析。结果表明:裂隙中冻胀力解析解与数值解吻合很好，裂隙冻胀扩展的Ⅰ型应力强度因子KⅠ随着水分迁移通量增大而减小。在此基础之上，进一步考察了裂隙与巷道走向的夹角β对低温饱和裂隙冻胀开裂的影响:由于β曾大裂隙尖端的温度应力增加较大，所以裂隙尖端应力强度因子KⅠ随着夹角β的增大而增大;因为β=45°时温差引起的剪应力最大，所以应力强度因子KⅡ在β=45°时最大，此时裂纹容易发生剪切开裂扩展。 (4)基于动弹性模量的定义和岩石冻融损伤过程中的受力状态，建立了以纵波波速为评价指标的岩体冻融损伤表征模型，利用该模型还可以准确预测岩石冻融损伤后的单轴强度。 鉴于目前缺乏统一的冻融损伤变量表达方法，通过对比发现纵波波速是一个可以很好的表征岩石冻融损伤程度的物理量，因此以纵波波速为参变量、基于动弹性模量的定义得到了冻融损伤变量的表达式。充分考虑岩石冻融过程中的受力状态，建立了岩石冻融损伤疲劳演化方程，结合冻融损伤变量分别对高孔隙率饱和熔结凝灰岩、低孔隙率饱和砂岩以及非饱和凝灰岩冻融损伤演化过程进行了计算分析，事实证明本文建立的冻融损伤演化模型可以很好的反映岩石冻融损伤程度。此外，结合Lemaitre(1985)提出的损伤材料有效应力原理，利用本文建立的冻融损伤模型还可以准确的预测岩石冻融后的单轴抗压强度。 (5)考虑冻融后的静弹性模量损失，建立了岩石冻融-受荷统计损伤本构模型。 为了进行寒区岩体工程冻融下的稳定性分析，必须先建立岩体不同冻融循环和在外荷载下的应力应变关系。研究表明，冻融-受荷损伤本构关系中的冻融损伤部分可用岩石静弹性模量表示，而静弹性模量可由已建立的冻融损伤模型计算得到;假定岩石微元强度满足weibull分布，利用最大拉应变准则可以得到岩石受荷损伤本构关系。从而可以最终确定岩石冻融-受荷本构模型，该本构模型可以很好的表征冻融损伤后岩石在单轴和三轴受荷下的应力应变关系。 (6)建立了低温饱和岩石冻胀变形模型，提出了利用低温饱和岩石冻胀变形测试确定未冻水含量的实验方法。 岩石低温下的冻胀应变与未冻水含量是进行寒区岩体工程计算的关键参数。将岩石孔隙冰压力等效为岩石表面拉应力，建立了饱和岩石低温冻胀应变与冻结温度和未冻水含量的关系式。通过研究未冻水发现:饱和岩石中未冻水由自由未冻水和非自由为冻水组成;随着冻结温度降低，未冻水含量减少但始终存在;未冻水含量与岩石累计孔隙体积分布有关且满足指数方程形式，利用低温冻胀变形模型，可以通过饱和岩石低温冻胀变形测试确定未冻水含量的表达方程。 (7)对岩石的关键耦合参数（未冻水含量，孔隙冰压力，热传导系数，渗透系数）随冻结温度的变化关系进行了研究，建立了低温岩石THM完全耦合模型以及低温裂隙岩体TH耦合模型。 由于未冻水含量、孔隙冰压力、热传导系数以及渗透系数在冻结区和未冻区相差较大，本文首先建立了这些关键耦合参数随冻结温度的变化关系式，其中采用混合物理论结合未冻水含量表达式对低温下饱和岩石的热传导系数进行了数值试验研究，结果表明等效热传导系数满足指数加权平均模型。基于三大基本方程（能量守恒方程，水冰质量守恒方程，应力平衡方程）得到了低温下的THM耦合方程组，同理可以得到裂隙岩体TH耦合方程组。结合建立的多场耦合模型，利用COMSOL软件分别对低温完整岩石THM耦合过程和裂隙岩体TH耦合过程进行了数值计算分析，通过与室内试验结果对比验证了本文建立的低温多场耦合模型的正确性与实用性。 (8)对多次冻融损伤后的寒区隧道进行了THM耦合下的稳定性分析。 采用第五章建立的冻融损伤强度预测方程计算得到岩石多次冻融损伤后的力学强度，利用第六章建立的冻融-受荷本构模型表征岩石多次冻融损伤后的应力应变关系，结合第八章建立的低温岩石THM耦合模型对寒区岩体隧道冻融稳定性进行了分析，其中关键耦合参数采用第七章和第八章建立的耦合参数表达式。结果表明:冻融循环对围岩和衬砌结构都会产生结构损伤并引起承受能力降低，但对围岩中的应力分布状态改变不大;冻融循环对衬砌结构中最大主应力分布影响较大，说明由于冻融循环的发生会引起围岩结构软化，导致围岩压力向隧道衬砌转移。