本发明提供一种实现非饱和土水气热力耦合作用的试验装置及方法，包括装配系统、控温系统、补水系统、补气系统、冻胀力监测系统和光纤数据采集系统。装配系统包括四个上下分段螺栓连接的环向控温土样环和一个装配体支座。控温系统包括环向控温模块和单向控温模块，其中环向控温模块包括四个环向控温环，单向控温模块包括一个上导温盘和一个下导温盘，每个环向控温环和上、下导温盘各自利用两个导流接口与冷浴箱相连。本发明可实现非饱和土的水气热力耦合作用测试，环向控温缩短试验周期，冻胀力监测系统和光纤数据采集系统可对土样顶部的应力场以及土样全断面的变形场、水分场和温度场进行实时监测，测试结果精度较高，且结构精巧，设计合理。