寒区岩石由于长期经受季节更替、昼夜循环的温度差异会引发一系列的工程地质问题,随着我国西部大开发战略的实施和能源需求的增长,为确保工程的安全性,有必要研究岩石的冻融力学特性,对处于高寒地区岩体工程中的冻融灾害的分析和防治,提供一定的理论支撑并具有较为重要的现实意义。由于现实中天然岩体取样困难,且在运输和加工过程中可能出现各种损耗和破坏,开展类岩石材料的研究对于岩石工程的设计和施工具有重要的工程意义,且更适合于本文普通实验条件下的基础研究,以页岩为原岩,以水泥、河砂、粉煤灰制成的类岩石材料为研究对象,对其进行冻融循环试验、热物性参数测定实验、单轴压缩实验、三轴压缩实验、单轴蠕变实验以及电镜扫描实验,对其强度、损伤特性和蠕变特性随冻融循环次数和粉煤灰掺量的影响展开研究,分析破坏机理,并在此基础上,利用有限元分析软件ABAQUS进行多物理场下的数值分析。论文的主要研究内容和结论如下:(1)分析了岩体在冻融下水、热、力三场之间的相互作用并总结了寒区岩体温度场、水分场以及应力场相互耦合的数学模型;建立了水结冰过程中岩体冻胀力的计算模型,发现岩石体积模量决定着冻胀力的大小,冻胀力和弹性模量呈非线性的正相关关系。(2)以水泥、河砂、粉煤灰作为原料并配置成四类不同粉煤灰掺量(m=0%、m=10%、m=20%、m=30%)的类岩石材料并制作成试件,对其进行饱水后的不同冻融循环次数(n=0、n=5、n=10、n=20、n=40、n=60)的冻融实验后,通过热学实验测定了导热系数、比热容、热扩散系数、热阻随温度变化的规律。(3)通过对四类类岩石材料进行单轴、围压为1MPa的三轴压缩实验认为:(1)不同的冻融次数和粉煤灰掺量下,其应力-应变曲线整体上都存在压密阶段、弹性阶段、塑性变形阶段和破坏阶段,由于后期岩体的整体脆性在增强,其应变软化阶段越不明显。(2)随着冻融循环次数和粉煤灰掺量的增加,弹性模量及割线模量均呈现减小的趋势,峰值强度都呈现下降的趋势,峰值应变随冻融次数增加逐渐增大而随着粉煤灰掺量增大总体呈现减小的变化规律;受冻融循环次数的影响,其冻融系数均显著降低。(3)试样的破坏模式在冻融次数较少时存在一个轴向方向的劈裂面,但这个劈裂面并没有完全贯通整个试样,破碎程度较低;随冻融次数增加破坏模式主要为竖向破裂+斜面剪切破坏,破坏程度越大。(4)随着冻融次数和粉煤灰掺量的增大,三轴抗压强度在持续减小;而弹性模量的变化纵观整体呈现下降的趋势;内聚力减小;内摩擦角表现为先降后升的趋势。(4)通过进行损伤微观力学特性分析,发现:(1)以损伤力学为基础建立了冻融与荷载作用下岩石的损伤演化方程。(2)通过观察发现试样经历不同冻融循环后的损伤劣化模式主要为片落模式,且岩样的冻融破坏是由表及里的。(3)通过对其冻融损伤变量计算分析得到冻融影响呈现先快后慢地增大趋势。(4)利用电镜在放大5000倍下扫描观察形貌特征,得到了微细观孔结构和断口形貌特征随粉煤灰掺量和冻融次数的变化规律。(5)借助试验机对类岩石材料进行单轴蠕变试验分析,认为:(1)蠕变整体表现为减速+匀速变化规律,随着冻融次数和粉煤灰掺量增加,蠕变过早的开始出现加速变化的规律;且稳态蠕变率逐渐增大,掺加粉煤灰后的稳态蠕变率要大于未掺加粉煤灰的。(2)平均蠕变模量随着冻融次数的增加不断降低,抗变形能力逐渐减弱;随着粉煤灰掺量的增加,出现先减小后增大的趋势,但整体变化并不大。(3)基于材料流变力学和损伤力学理论,建立了非线性粘弹塑性流变力学模型来描述冻融时类岩石材料的流变特性规律,并推导了对应的本构方程和蠕变方程。(6)通过数值模拟发现:(1)冻融循环对试件的破坏作用是由表及里,逐渐深入到试件内部;且对冻融后试件施压后,应力应变集中由模型两端向中间扩展。(2)隧道围岩温度越靠近洞壁近处的温度变化就越显著,其蠕变破坏最大应力主要集中在拱顶和侧墙以及拱底与侧墙的交汇处,且“拱顶-侧墙-拱底”的破坏是相互耦合的以及得到了热应力耦合作用下的冻胀力分布规律,从而得出其季节冻融变化规律,因此应采取相关工程措施,有效地控制温度变化范围。