人工冻结法凭借可控性强、绿色无污染、适用范围广等优点在市政工程中被广泛应用,在软黏土区域已经成为成熟的施工方法。随着人们对地下水资源保护意识的日益增强,城市施工中对基坑开挖降水的限制越来越严格,国内许多粗粒土地层丰富的地区也开始尝试使用冻结法施工。然而,粗粒土渗透系数较大,往往水量充足,水流速度较大,难以形成连续的冻结壁。研究粗粒土地层在人工冻结过程中的温度场变化规律及相关条件对冻结壁发展和周围土体的影响,对推广冻结法施工在粗粒土地区的应用具有重要意义。本文首先在渗流场和温度场耦合的数学模型基础上,以渗流条件下的饱和砂层冻结模型试验为计算原型,选择适用于多场耦合的有限元软件COMSOL Multiphysics进行模拟计算。将模型试验结果与数值模拟结果进行对比,以验证该软件在粗粒土冻结过程中计算结果的准确性。为了弥补试验条件有限的缺陷,再以数值模拟为主要研究手段,建立了水热力耦合作用下的粗粒土地层马蹄形地铁联络通道数值模型,探究在流速、冻结管间距和布管方式三个因素影响下地层温度、地表变形和应力发展规律。主要研究成果如下:(1)通过对比模型试验结果与数值模拟结果发现数据吻合性较好,证明COMSOL软件对于计算粗粒土地层热流耦合问题准确度较高。定义冻结壁上下游厚度之比为不对称度,研究发现冻结管间距和渗流速度都会对数值结果产生一定的影响。当冻结管间距一定时,不对称度整体上随渗流速度的增大而减小;当渗流速度一定时,不对称度随冻结管间距的增大而减小。(2)通过对粗粒土地层马蹄形地铁联络通道数值计算研究发现,当流速在3m/d以下时,流速对温度场和冻结壁形状影响较小;当流速大于6m/d时,冻结壁上下游不对称程度随流速增大而愈加明显。减小冻结管间距或增加管圈数均有助于增加冻结壁厚度。冻结壁交圈时间与流速和管间距基本均呈指数关系。(3)分析冻结过程中周围土体的应力变化,发现应力的增长过程可以分为初期维持、快速增长和缓慢增长三个阶段;地表变形曲线基本呈正态分布。地表变形和应力均在流速为6m/d时达到峰值,此后随流速增大而逐渐减小,且变形曲线峰值的位置也会随着流速的增大,逐渐向水流的方向发生偏移。管间距的减小或管圈数的增加都会使冻结稳定后的地表变形和应力增大。