本发明涉及人工冻结过程的模型试验领域，具体是一种地应力‑水头协同可调式竖井冻结模型试验装置及其试验方法，该装置包括：模型试验箱、水头高度可调式水源箱、小型螺旋式冻结器、双向加载装置，其具体步骤如下：S1、试验装置连接；S2、模型试验箱分层装样，同步埋设监测系统；S3、安装小型螺旋式冻结器；S4、调整双向加载装置；S5、提供水源；S6、开始冻结试验；S7、施加外荷载；S8、竖井井壁变形过大，或发生破坏时，试验停止；本发明通过室内模型试验的方法，模拟砂土地层竖井冻结施工过程中冻结井壁的变形特征，实现不同深度地层条件下的地应力和水头压力的模拟。