随着西部大开发、国家十三五规划和“一带一路”等重大战略计划的相继实施,大量矿山、水利、铁路、公路、工民建筑等重大工程相继涌现,但由于西部高寒山区特有的地质环境导致的冻融灾害问题,使得这些涌现出的重大工程都将经受寒区冻融作用的考验。由于寒区反复冻融而引起岩石强度衰减、变形增大,对在建及建成的工程都将产生不可忽视的影响。随着高寒山区大规模工程建设的开展,越来越多的冻融灾害问题逐渐成为工程地质和岩土工程领域的关注点。因此,本文针对硬质石英砂岩开展了一系列的室内力学试验,包括冻融循环试验、常规三轴试验及声发射测试和三轴蠕变试验,通过对比分析的方法研究了冻融后的石英砂岩在瞬时力学和长期力学作用下其变形破坏过程中力学特性及宏观破裂特征,探讨高寒山区岩石在循环冻融条件下的破裂机制,并在已有室内力学实验结果的基础上建立了基于冻融环境且适用于硬岩的F-T HKBM非线性流变损伤本构模型,通过以上研究获得如下的主要成果:(1)通过岩石X射线粉晶衍射实验研究了石英砂岩的微观结构特征,研究发现构成石英砂岩的主要矿物成不仅含有坚硬的粗颗粒,比如石英、长石,还含有高岭石、蛭石和蒙脱石等对冻融敏感的黏土矿物,矿物成分主要以石英为主,岩石具有较高的强度。并且通过开展冻融循环试验发现,冻融后岩样表面没有明显的宏观破坏迹象,岩样棱角出现肉眼可见的细小岩块掉落,且石英砂岩的波速整体随冻融循环次数的增多而减小,但冻融作用引起的石英砂岩质量变化都很微小。(2)开展石英砂岩常规三轴试验,分析冻融循环后常规三轴条件下的岩石破裂机制,发现在相同围压下随着冻融循环次数的增加,岩样三轴抗压强度及弹性模量减少而泊松比逐渐增加。但总体来看,各常规力学参数变化较小,表明冻融对岩石瞬时力学性质有一定软化及损伤作用,但由于石英砂岩试样高强度、低孔隙率的特性而并不明显。此外通过监测三轴压缩试验过程中的声发射信号,发现在相同围压下,振铃计数峰值随着冻融循环次数的增加逐渐降低,其对应时间也在逐渐提前;而在相同冻融循环次数后,随着围压的增加,声发射峰值对应时间逐渐滞后,表明了冻融损伤作用和围压约束作用的影响。(3)开展冻融后的三轴蠕变试验,结果表明,在经受不同冻融循环次数后,石英砂岩蠕变变形更加明显,其能承受的荷载等级逐渐降低,破坏强度及长期强度逐渐降低。围压对岩石的作用仍主要还是约束作用,但由于冻融损伤作用的存在,在经受相同冻融循环次数后石英砂岩蠕变量随着围压的增加呈现出了先降低再增加的趋势。在破坏轴向应力水平下,石英砂岩的蠕变速率同样经历了三个完整的阶段:初始蠕变速率衰减阶段、稳态蠕变速率匀速阶段、加速蠕变速率阶段,且在相同围压下三阶段的蠕变速率均随着冻融循环次数的增加逐渐降低。(4)经历不同冻融循环周期后的试样在常规三轴试验中破坏时主要出现三种破坏模式:张拉破坏、剪切破坏或是两种破坏的组合,且随着冻融循环次数的增加,试样最终破坏时表面裂纹逐渐增多。在三轴蠕变试验中冻融后岩样在长期荷载作用下的破坏模式也均为剪切破坏,但在长期荷载作用下的岩石破坏方式随着冻融循环次数增加逐渐由单一的斜剪切面向“X”状共轭剪切面演化,岩石破碎程度较常规三轴作用下更为剧烈。此外,随着围压的增加,破坏断面磨损逐渐加重,破坏模式逐渐由脆性破坏向延性破坏转变。(5)本文在前人的研究基础上,结合损伤力学理论建立了石英砂岩冻融损伤模型,并且还建立了考虑冻融的蠕变损伤模型。基于不同围压不同冻融循环次数后石英砂岩的三轴蠕变试验结果,通过引入建立的冻融损伤变量和蠕变损伤变量,建立了适用于硬岩的F-T HKBM非线性流变损伤模型,并通过不同围压下不同冻融循环次数后石英砂岩的三轴蠕变试验曲线对模型进行了验证和相关参数辨识,结果显示该模型与蠕变试验结果具有较高的吻合度,表明该模型可以清晰的反映出石英砂岩在冻融和力学作用下的损伤演化过程。