冻结壁设计及其安全稳定性分析是深厚表土层中冻结法凿井的关键环节，其前提是掌握冻结壁的力学特性，而研究冻结壁的形成过程是掌握其力学特性的基础。冻结壁的形成是温度场、水分场、应力场耦合作用的过程，该过程直接影响着井壁内外部初始应力、应变状态乃至变形能的分布，进而影响井筒开挖过程中冻结壁的力学响应；同时，考虑到岩土性质的变化，当冻结壁由多种复合土层构成时，深部高压条件下冻胀性的差异，也将对不同层位处冻结壁的力学特性造成影响。鉴于此，本文通过有载冻结模型试验，对复合土层冻结壁形成过程中温度场、水分场、应力场的耦合作用规律展开研究。　　首先，根据试验目的研制出深部复合土层冻结水热力耦合作用试验系统；在考虑刚度效应的基础上开展压力盒在土介质中的标定工作，并对液压标定结果进行了修正；水分传感器的标定则分别考虑了土体性质及环境温度的影响，使标定结果具有更加可靠。　　其次，开展单面冻结模式下复合土层有载冻结水热力耦合作用试验研究，结果表明：冻结壁厚度与冻结时间呈二次函数关系，冻结壁扩展速度随冻结时间的增长而变慢，相同条件下砂土层冻结速度最快，黏土与粉土相对较慢；各土层土体结冰前含水率随温度降低而增大，结冰后不同土层含水率随温度降低减少速率不同，其中砂土层减少速度最快，粉土层次之，黏土层最慢；冻结过程中，相同土层土体冻胀压力随冻结时间及固结压力的增大而增大；冻结稳定后，相同土层土压力随距冻结板距离的增大而增大，不同土层距冻结板相同位置处，砂土层冻胀力最大，黏土次之，粉土层最小。　　最后，开展双面冻结模式下复合土层冻结水热力耦合试验研究，并将试验结果与单面冻结试验结果对比分析，结果表明：与单面冻结相比，双面冻结模式土体冻结速度更快，冻结稳定时各土层平均温度大大降低；相同土层土体冻胀压力随固结压力的增大而增大，但冻胀压力与初始固结压力的比值随固结压力的增大而减小；冻结稳定后，相同土层土压力分布呈中间大两端小的规律；固结压力为1 MPa时，双面冻结黏土层、砂土层、粉土层径向冻胀压力比单面冻结模式下大0.59MPa、0.72MPa，0.71MPa，增大幅度依次为：51％、56%、89%。