人工冻结法,主要是利用人工制冷技术,将地层中的水转化成冰,这样既有效的增强了土层的强度和稳定性,同时也隔绝了地下水与地下工程的联系,为工程掘进提供冻结壁的保护。人工冻结法作为临时加固地基的施工方法,在地铁隧道盾构始发与接收端头加固、联络通道加固施工、隧道抢险及其他抢险工程等城市地下工程施工中已被广泛应用。本文主要从人工冻土的热物理特性、强度特性和冻胀特性三方面进行研究,为人工冻结施工与设计提供必要的技术支撑。主要研究内容如下:(1)针对温度、围压和含水量三个人工冻结施工过程中主要影响土体力学特性的因素进行三轴剪切试验研究,通过试验发现在低围压状态时,土体易发生剪切破坏,其应力-应变曲线会出现明显峰值呈应变软化型;而在高围压下,土样的应力-应变曲线呈应变硬化型。(2)土样强度会呈抛物线型随围压的增大而增大,但当围压增大到某一值并进一步增大时,冻土强度会发生非线性衰减,即粉质黏土在饱和含水量的条件下存在临界围压值,而这个临界值约为1000 kPa。(3)通过分析三轴剪切试验的数据,并基于邓肯-张模型的思路,建立了不同围压、温度条件的冻结粉质黏土的本构模型,得出了围压、温度对模型参数的影响,并拟合出了参数与温度、围压之间的关系式。(4)本次冻胀试验以不同的冷端温度和含水量为切入点,通过改变土体的冷端温度和土体含水量来对比试样的冻胀情况。通过试验发现冻胀变形量随着冻深的增加迅速增大,且绝大部分冻胀变形量发生在单向冻结过程的早期。(5)在冻胀试验后对土样进行分层含水量测量,发现土样最大冻深处含水量均低于初始含水量,而在接近冻源处含水量均高于初始含水量,这充分说明了在冻胀试验过程中发生了水分迁移现象。