随着人工冻结工程和天然冰层探索深度的增大,深部高压环境下冰的受力变形特征变化显著。为揭示冻结压力对冰力学特性的影响,针对高压冻结冰的形成环境和测试要求,研制了试验装置和原位制冰工艺,并基于此开展了高压冻结冰的组构分析和原位单轴压缩力学特性研究。首先,研制了温度场可控的虚拟无限刚度三轴试验装置。通过数值模拟研究,为压力室的冻结通道确定了循环槽的结构形式,上、侧、下三处的布设位置,以及螺旋线式的走位布局,形成了能够高效、多样地控制试样温度场的冻结系统;通过在测试过程中根据力控数据补偿加载系统自身变形,实现了试样的真实应变测量和高精度变形控制;利用分布式光纤测温技术配合灌胶密封工艺,实现了试样轴向温度场测试。其次,研发了三轴室内高液压下制作标准冰试样的工艺。通过理论分析、设计临时支撑和涂胶密封,以热缩管为试样外膜,获得了几何精度和密封性能达标的水样制备工艺;基于围压加载介质体积限制、轴向恒压伺服的冻结压力控制方法,通过理论分析和制冰试验,确定了加载介质的温度控制要求和试样的结冰模式,提出了先降温、后注油、再冻结的冻结控制工艺,并通过数值模拟试算获取满足要求的温控参数;通过冰试样温度场测试研究,给出了高效、无损地将冰试样应力场和温度场转换至试验初始状态的调整方法。整套工艺实现了冻结、试验全过程试样应力状态连续可控,所制冰试样几何精度和温度分布均满足试验要求。再次,利用上述成果,分别制作了冻结压力范围为0.5MPa～30MPa的冰试样,使用Langway法结合图像处理技术,分析了组构特征。获得了冰试样由自下而上快速生长的细柱晶和由外向内慢速生长的粗大晶共同构成的晶体构造、晶体尺寸自下而上逐渐变大的规律、以及构造特征与冻结压力没有明显关系的结论;得到了冰试样内气泡的分布特点、宏观形态和细观结构,发现了因高压下形成空气水合物导致局部气泡消失的现象;利用密度折算和显微分析技术,获得了气泡的含量和尺寸均随冻结压力升高而减小的量化规律。最后,在-20℃条件下,以5×10-5s-1～1.5×10-6s-1的应变速率,对冻结压力范围为0.5MPa～30MPa的冰试样开展了原位单轴压缩特性研究。获得了峰值应力、残余应力和破坏应变随冻结压力升高的变化规律,并根据冻结压力对冰试样组构的影响,以缺陷度降低和缺陷内压增大对强度作用的竞争关系解释了变化规律;验证了高压冻结冰的峰值应力与应变速率之间仍符合幂函数关系;得到了冰试样脆性指数随冻结压力升高而波动变化的关系,并通过分析气泡特性对变形能耗散规律的影响,对上述关系予以解释说明;给出了比现有模型更适用于高压冻结冰的单轴压缩本构模型。研究结论可为深部冻结壁厚度计算和巨厚冰盖钻探工艺改进提供参数依据。该论文有图86幅,表15个,参考文献232篇。