近年来,冻结法广泛应用于西北地区矿井建设中,冻结岩体相关力学特性研究正逐渐成为一个研究热点。本文以我国西北地区石拉乌素矿立井冻结工程为背景,以井筒周围直接充水含水层(100~300m)内典型红砂岩为研究对象,采用冻土三轴试验机对人造地下冰进行三轴压缩试验,运用岩石力学、经典弹性力学、弹塑性力学等理论知识,分析了不同尺寸、不同加载速率下淡水冰单、三轴压缩强度及变形破坏特性;研究了恒定加载速率下,柱状冰试样的破坏模式,对比分析了淡水柱状冰、多晶冰强度均随围压、温度变化规律,提出了适用于描述淡水冰的破坏准则与本构方程。系统总结了国内外岩石三轴试验系统研究现状,针对现有设备缺陷及论文研究特色,自主研发了一套动力扰动低温岩石三轴试验系统,该系统能够实现不同环境温度、不同扰动荷载条件下岩体的常规单轴压缩试验、三轴压缩试验、单轴加卸载流变试验、三轴加卸载流变试验。采用动力扰动低温岩石三轴试验系统对完整、含冰单裂隙、含冰断续双裂隙红砂岩(原岩)进行不同围压、不同温度条件下的三轴压缩试验,详细分析了裂隙倾角、隙宽、迹长对岩体力学特性的影响,辅以冰-岩宏、细观结构分析了冰体对冻结岩体强度、变形破坏特征的作用机理,再结合岩体三轴压缩过程中的声发射监测信息,分析了含冰裂隙岩体损伤破坏全过程与声发射特征的关系;利用冻胀测试系统对含冰单裂隙红砂岩进行冻胀力测试,初步得到了含贯通裂隙试样典型冻胀力演化过程,研究了温度、裂隙宽度、迹长、贯通率对裂隙冰体冻胀力的影响,探讨了冻胀损伤与冰岩胶结对含冰裂隙岩体的耦合作用机理,通过分析裂隙红砂岩冻胀力演化过程中的声发射能量变化特征,验证了冻胀力对贯通裂隙岩体的损伤劣化作用,且冻胀作用使得贯通裂隙端部出现明显裂纹扩展现象,岩样整体呈竖向张拉破坏。针对低温条件下冻结岩体蠕变特性的研究比较鲜见,利用动力扰动低温岩石三轴试验系统对单裂隙、层状节理面岩样进行了三轴加卸载蠕变、三轴加载蠕变扰动试验,研究了含冰单裂隙、冻结层状红砂岩三轴蠕变特性及变形破坏特征,分析了动力扰动对岩石蠕变的影响;通过引入软体元件和非线性蠕变体,提出了非线性蠕变模型,并推导了模型在一维及三维应力状态下的蠕变本构方程,利用该蠕变模型对冻结岩体三轴加载蠕变试验、三轴卸围压蠕变试验数据进行参数辨识,获得模型的参数值,验证了模型的可靠性和有效性,分析了应力水平、裂隙倾角、结构面倾角对拟合参数的影响;以冻结层状红砂岩蠕变数据为例,通过将该模型与经典西原模型和改进西原模型对比分析,结果表明,该模型在描述初始蠕变阶段和非线性蠕变阶段时优于经典西原模型和改进西原模型;讨论了分数阶微分的阶数和非线性黏滞系数对初始蠕变阶段、非线性蠕变阶段的影响,揭示了西北地区冻结岩体的长期力学性能及其非线性蠕变特性。