人工地层冻结法以其广泛的使用范围，形成的冻土帷幕强度高、抗渗性好，且对环境影响小等优点越来越广泛地应用于城市地下空间的开发和利用。冻结法施工中土体的冻胀和融沉是两个一直困扰着工程技术人员的问题，目前工程中常采用的处理办法大都基于“被动控制”的思想，且处理效果不是很理想。而城市浅表地层中往往密布着管道、电缆、光缆等基础设施，这就要求施工必须对地层位移进行严格控制，对冻胀和融沉控制方法的研究就显得尤为迫切，并具有重要的现实意义。 本文依据“主动控制”理念，借鉴水泥土的理论和实践成果，提出利用水泥抑制冻结过程中土体内的水分迁移，从而控制冻胀和融沉的设想。然后通过试验和数值模拟对这一设想进行验证，在此基础上提出控制冻胀和融沉的新方法——“地层改良冻结法”，即在冻结之前先对设计冻结区域土体用水泥进行改良，然后再进行冻结。本文主要工作和取得的研究成果有： (1)对上海隧道工程中常遇到的粘性土⑤3土和砂性土⑦2土原状土进行了人工冻土试验，研究这两层土的人工冻土性能，重点是冻胀和融沉性能，获得了一些具有工程应用价值的试验数据： (2)在粘性土⑤3土和砂性土⑦2土中掺入不同量的水泥重塑为改良土，在恒温保湿条件下养护14天，然后进行常规土工试验和人工冻土试验，试验取得了较为理想的结果，获得了改良土人工冻土性能的相关试验数据。通过对不同水泥掺量的改良土试验数据对比分析，得出了改良土的物理性质及人工冻土性能随水泥掺入量的变化规律： (3)通过对改良土冻胀试验数据分析，得到了粘性土⑤3和砂性土⑦2改良土的冻胀率和水泥掺入量之间的关系曲线，每条曲线上均有两个临界点。⑤3改良土曲线上两个临界点对应的水泥含量分别为4％和10％，⑦2改良土对应的水泥含量也为4％和10％。当水泥掺量在两个临界点之间时，随着水泥掺量的增大，冻胀率迅速减小；当水泥掺量在两个临界点以外时，随着水泥掺量的增大，冻胀率几乎无变化； (4)通过对改良土融沉试验数据分析，得到了粘性土⑤3和砂性土⑦2改良土的融沉率和水泥掺入量之间的关系曲线，每条曲线上也有两个临界点，且临界点位置和融沉率与水泥掺量之间的关系和冻胀率随水泥掺量变化规律相同； (5)综合分析试验数据，得出了水泥改良土抑制人工冻土冻胀和融沉的机理是水泥土的固化作用改变了土体的结构，使得土体变得更加密实，强度得以提高，土体内的孔隙减少或变小，渗透性降低，导热性能增强，有效抑制了冻结过程中的水分迁移，进而减少了冻胀量，也减少了冻土内分凝冰的形成及对土体结构的破坏，在解冻时便可以有效抑制融沉量； (6)对粘性土壤人工冻结过程进行分析，在此基础上建立了单向冻结的水热耦合模型，利用数值方法对模型进行求解，编制了相应的求解程序，并用实例验证了模型的正确性； (7)利用计算程序对开放式系统和封闭式系统两种冻结条件下原状土冻胀过程、不同水泥掺入量的水泥改良土冻结过程以及模拟实际情况的冻结过程进行了计算，说明了开放式系统更加符合实际工程中的冻结条件，验证了改良土抑制水分迁移的设想和控制冻胀融沉的机理，论证了“地层改良冻结法”的理论实用性和可行性。