管棚冻结法是将管棚支护与人工冻结结合起来的一种特殊的施工技术。管棚法利用钢管作为纵向支撑、钢格栅拱架作为横向环形支撑,构成了纵、横向整体刚度较大,能阻止和限制周围岩土体变形,并能提前承受早期岩土体压力的结构;人工冻结法是利用人工制冷技术,使地层中的水冻结,把天然岩土变成冻土,增加其强度和稳定性,隔绝地下水与地下工程的联系。在一些工程地质条件比较差,施工控制要求高的地区,采用常规的管棚法会带来水土流失控制难,造成地面沉降大的问题,而采用冻结法又会有控制冻结过程中的冻胀和融沉难度大的问题,在此背景下提出了管棚+冻结的施工方法,本文通过物理试验和数值模拟两种方法对钢管冻土组合结构力学特性进行研究。首先,课题进行了钢管冻土接触面剪切强度的物理试验,利用自主改进的剪切装置对剪切强度与温度、法向应力、含水量、钢管外径的关系进行了研究,得到了相关规律。试验结果表明,剪切强度与法向应力的关系符合摩尔-库伦准则,剪切强度随着温度的降低、含水量的提高及法向应力的增大而增大,而几乎不受钢管外径的影响。通过正交试验分析得到四个因素对钢管冻土接触面抗剪强度的影响大小为:温度>含水量>法向应力>钢管外径。其次,在自行设计的加载试验台上进行了钢管冻土组合结构梁、板的物理试验。试验结果显示,梁的极限荷载为38.9kN,破坏形式为底部冻土开裂;板的极限荷载为83kN,破坏形式为顶部冻土压碎。通过对截面应变和跨中位移数据的测量和分析,得出了钢管冻土组合结构符合平截面假定以及破坏时位移较小,属于脆性破坏的结论。最后,参考钢管冻土接触面剪切试验得到的结论,利用ANSYS软件建立了钢管冻土组合结构抗弯试验的数值计算模型,计算结果与物理试验数据进行了对比,验证了数值模拟的可靠性,并对钢管冻土组合结构力学性能影响因素进行了计算分析,得到了一些相关结论。本论文有图78幅,表17个,参考文献83篇。