深厚复杂含水地层中立井井筒施工,冻结法是首选。冻结壁是冻结凿井工程中的核心,当冻结温度场稳定后,冻结壁中温度场在空间上分布是不均匀的—温度梯度。伴随冻结深度增加,冻结壁厚度急剧增大,温度梯度诱导的冻土非均质效应对冻结壁稳定的影响日益突出。针对该问题,考虑冻结凿井工况,以深部人工冻土为载体,通过实验方法与测试技术创新,深刻揭示出梯度诱导的冻土非均质效应与其力学机理。基于课题组新进研制的FHCA-300温度梯度冻土实验机,建立了筒形冻土试样试验方法和水平温度梯度调控策略,温度梯度控制精度≤±0.05℃/cm。建立了基于外腔径向位移为0和实际排水量与理论排水量相等两个准则的筒形试样静止土压力系数试验方法。实测静止土压力系数与圆柱试样接近相同。基于K₀DCGF方法成功开展了4种水平温度梯度条件下筒形冻土试样的加卸荷试验。水平温度梯度对冻土强度具有弱化效应,但是其弱化程度低于竖直温度梯度。卸荷路径条件中水平温度梯度冻土强度要低于加荷路径。水平温度梯度冻土试样破坏形态表现为整体均匀径向膨胀,由于冰的粘滞性作用导致冻土表面未能出现宏观剪切带。考虑K₀DCGF方法流程,建立了基于离散元理论的水平梯度冻土数值试验方法。并建立了基于细观层面的梯度非均质度表征参量K,揭示出温度梯度与细观非均质度间的一阶线性响应特征。随温度梯度增加,水平梯度冻土试样破坏模式有向张拉破坏转变的趋势。随梯度增加,冻土中局部化区域的范围减小,出现位置逐渐向高温端移动。