富水砂层严重制约地下工程开挖稳定,是人工冻结工法封水加固的主要地层。冻结砂土力学性质定量演化与强度参数准确估计是冻结工程安全稳定评价的关键基础和重要前提。传统采用无压冻结常规三轴试验来描述冻土应力-应变关系及强度特征的方法,在应力状态及应力路径上与实际工程不相符,不能反映冻结工程实际复杂应力状态下冻土的基本特征。本文以冻结饱和中砂为研究对象,系统开展定向剪切路径中有压冻结饱和砂土变形、强度特征与相关机理的试验研究。首先自行改造现有空心圆柱仪,通过新型的控温模式实现精细化控温精度（±0.1℃）,保证空心圆柱试样内、外以及上、中、下各点温度在直接降温、循环升降温两种温控模式均能高精度达到设计温度值,且能维持长期稳定,满足均温和非均温冻结试验控温要求;基于空心圆柱试样应力-应变分量的理论推导,设计了满足任意剪切角度有压冻结定向剪切应力路径加载方式,验证了冻土空心圆柱试验系统应力路径实现及数据获取的可靠性;研制了适用于试验系统的冻结饱和砂土空心圆柱试样制备方法及满足试验规范及重复性要求的精细化试验流程;构建了一整套复杂应力路径冻结饱和砂土力学特性试验研究方法。采用电子显微镜和μCT扫描,对“落砂法”制得的试样表面与内部细观结构进行表征与可视化分析,研究了砂颗粒、孔隙及冰晶的几何形态及空间分布特征。结果表明冻结饱和标准中砂属于典型的各向异性材料。标准中砂颗粒为非球形结构,长短轴之比近似为1.385,“落砂法”制得试样中砂颗粒长轴空间分布概率为水平向>竖直向,砂颗粒骨架具有各向异性特征;孔隙结构表现为各向同性,但孔隙中冰晶生长方向为水平,导致冰晶结构具有各向异性特征。开展一系列有压冻结饱和中砂定向剪切试验。结果表明,大主应力方向角、中主应力系数、平均主应力以及温度对冻结饱和中砂变形、峰值强度及广义应力-应变关系有显著影响。峰值强度随大主应力方向增大逐渐减小,在α=75°时强度仅为α=0°的65%,降低35%,传统方法中忽略剪切方向而直接采用常规三轴剪切强度来描述冻结砂土强度,不符合实际工程冻土所处复杂应力状态,会过高估算冻土强度;中主应力系数b在[0,1]范围内,峰值强度随中主应力系数增大不断减小。综合分析不同定向剪切应力路径有压冻结饱和中砂强度特征,得到在平均主应力为0～10MPa范围内,强度包线在子午面的形状特征与无压冻结明显不同,揭示了无压冻结冰晶压融造成屈服面异化的机理;π平面上发现随着中主应力系数减小,强度包线类似光滑外凸三角形,改进SMP准则,引进考虑冰胶结力、温度效应及各向异性的相关参数,提出扩展SMP准则获得π平面破坏函数,联立子午面破坏函数,获得了与实际更相符的全应力空间冻结饱和中砂强度准则。