人工冻结法是采用人工制冷方式对松散、软弱含水地层进行预加固的施工方法,起到封水、护壁、抵御围压等临时支护作用。在地下水渗流及含盐地层进行冻结法施工时极易发生工程事故,为评估冻结效果,确保施工安全,本文以饱和砂层冻结过程为研究对象,对渗流及含盐地层冻结过程中温度场分布和冻结壁发展规律进行了深入研究。首先,开展了室内模型对照组试验,基于巴霍尔金单排管冻结温度场解析解,对模型试验结果的可靠性进行了验证的基础上,研究了不同孔间距、含盐量、渗流速度条件下饱和砂层冻结温度场分布规律,提出了不同含盐量和地层渗流条件下冻结壁厚度的计算方法。其次,采用COMSOL有限元软件实现了渗流场与温度场的耦合,并引入Heaviside阶跃函数对模型物理参数进行修正,建立了与室内试验工况相同的数值计算模型,实现了饱和砂层冻结过程中温度场分布及冻结壁发展规律的研究。最后,通过模型试验和数值模拟结果对比分析,对数值计算结果进行了准确性验证。主要研究结果如下:(1)静水冻结时,冻结壁交圈后的温度场与巴霍尔金单排管冻结温度场计算模型吻合程度较好,验证了模型试验的可靠性;渗流冻结时,冻结壁交圈时间变长,交圈位置偏向下游,上、下游温度场差异性明显。(2)在地下水渗流条件下,渗流速度较小时,冻结壁交圈时间几乎不受影响,而交圈位置与渗流速度近似线性相关;渗流速度接近极限流速时,冻结壁交圈时间与位置均呈指数增长趋势。当工程中冻结管间距为0.5 m、0.7 m、0.9 m时,不影响冻结壁交圈的极限渗流速度分别为6 m/d、4 m/d、2.3 m/d。(3)当冻结温度场趋于稳定,水流对冻结壁的冲蚀作用逐渐占主导地位,且随着渗流速度的增大,冲刷强度越大,单位时间内冻结管和水流之间的热量交换加快,下游冻结壁厚度先增大后减小。当冻结时长一定时,随着冻结管布孔间距逐渐增大,上、下游冻结壁厚度均逐渐减小。(4)含盐砂层渗流冻结时,冻结壁交圈时间随含盐量呈几何倍增趋势,随着含盐量增加,交圈位置与渗流速度的关系由近似抛物线逐渐向线性相关过渡,且逐渐向轴面靠近。同不含盐砂层静水冻结相比,渗流冻结过程中上、下游冻结壁厚度比值随含盐量增加近似呈指数函数递减。(5)通过分析渗流作用对管列上、下游冻结壁厚度影响,得到了动、静水条件下冻结壁厚度的比值随时间变化的函数曲线,其次结合动、静水条件下测温孔温度差值随时间变化的函数,根据饱和砂层含盐量和冻结温度的关系,对巴霍尔金温度场解析公式进行了修正,得到了冻结壁在冻结过程中及趋于稳定后,其厚度随时间、流速、冻结温度变化的函数公式,且该公式计算结果与模型实测值基本吻合。研究结果对渗流地层冻结效果评估具有参考意义。