在冻结法凿井中,冻结管断裂事故时常发生,带来严重后果。据专家初步推测,砂层冻结壁内、外部的冻胀力是造成冻结管断裂的主要因素之一。为此,本文采用解析分析、物理试验和数值计算相结合的方法,对饱和砂层双圈管冻结过程中内部冻胀力的变化规律展开了研究。首先,根据厚壁圆筒理论,对双圈管冻结模型进行受力模型简化,首次提出采用厚壁圆筒拉梅解、位移连续、体积相容方法,对双圈管平面应变模型进行理论解析,建立冻胀力与冻结壁厚度的函数关系,得出冻胀力随冻结壁厚度呈先线性后加速的增长趋势。在理论解基础上,进行单因素分析,得出冻结壁弹性模量越大、冻结壁厚度越大、饱和介质含水率越大,冻胀力越大。其次,通过数值模拟研究,采用优化后的热应变系数计算方法,建立双圈管冻结空间轴对称模型,探究了典型参数下模型位移场、温度场和冻胀应力场的变化规律。得到冻结壁形成过程中,两圈管之间土体将发生径向、竖向位移,靠近内外圈中点处,位移量最大,内圈管和外圈管处位移值一致;另外,冻胀力改变模型内部应力分布,且竖向应力增幅大于径向应力。针对各因素的单因素分析得出,介质含水率越大,冻胀力越大,冻结管间距越大、排距越大,冻胀力越小。第三,自行设计模拟装置,通过试验研究获得了封闭环境下纯水、饱和砂冻结过程中温度场、冻胀应力场的变化规律。在试验筒约束下,模型内部产生较大冻胀力,冻胀力使得内部径向、竖向和切向应力明显增大,在试验研究范围内,冻胀力随冻结壁厚度呈线性增长变化。双圈管冻结条件下饱和砂层内部产生冻胀力,冻结管处于拉、弯应力状态下,若饱水砂层处因初始缺陷、接头等造成冻结管强度不足,极易造成断管事故,故冻结设计中,在穿越富水地层处,冻结管应采取错开接头、增加强度或异步冻结等措施,减小乃至避免冻胀力,从而有效避免断管事故的发生。