冻结岩石力学问题是人工冻结地层、寒区隧道工程以及其他寒区基础设施建设或深部资源开发中不可避免的问题。我国西部矿区弱胶结地层以砂岩和泥岩等为主,这类软岩的主要特点是强度低、胶结程度差,力学行为极不稳定。人工冻结地层施工在穿越弱胶结地层时,其开挖面变形和稳定性取决于冻结岩石的力学性质。故本文以西部典型矿区弱胶结砂岩和泥岩为研究对象,采用试验、理论及数值模拟相结合的研究手段,对不同温度下弱胶结软岩加载破坏力学特性与微观破坏机制、低温与荷载耦合损伤本构模型、不同应力路径冻结弱胶结软岩卸围破坏力学特性与微观破坏机制、卸荷损伤破坏准则及卸荷本构模型、冻结温度场及应力场等方面开展研究,主要研究成果如下:(l)通过不同温度下的弱胶结软岩单轴和常规三轴压缩试验,分析了低温作用下弱胶结砂岩和泥岩的加载破坏变形特性、强度特征,建立了抗压强度与温度、围压之间的关系。结果表明随着温度的降低,弱胶结软岩塑性降低、脆性增强,其峰值强度与温度变化呈指数函数关系,而抗剪强度参数与温度近似呈线性关系。(2)温度和围压对弱胶结软岩的宏观破坏特征和微观破裂机制影响显著,随着温度的降低和围压的增大使得岩石试件的破坏形式经历了从张剪破坏到纯剪破坏的转变,破裂面与最大主应力的夹角逐渐增大。常温下弱胶结软岩的破坏断口多发生在黏土胶结物上或黏土胶结物与矿物颗粒的交界处,少数发生在矿物颗粒上。而低温条件下在矿物颗粒、冰介质、胶结物等各相介质的交界处最容易产生裂纹并在剪切作用下发生摩擦分离,断口上出现河流花样、台阶花样等剪切花样带。引入分形理论,建立了宏观破坏强度、温度变化与弱胶结软岩破坏断口微观分形维数之间的关系,随着温度的降低和围压的增大,岩石破坏断口的结构面更加复杂,微观分形维数相应增大,温度和围压对岩石断口的微观分维数影响显著。(3)以非冻结条件下的岩石损伤为基准损伤状态,构建了低温与荷载耦合损伤变量,应用统计损伤理论和推广后的应变等效原理,建立了低温荷载耦合作用下弱胶结软岩统计损伤本构关系,并结合试验数据验证了损伤模型的可靠性。(4)通过冻结弱胶结软岩的单轴循环加卸载和不同应力路径的三轴卸围试验,从能量角度研究了岩样单轴循环加卸载过程中能量的演化特征,分析了不同应力路径冻结弱胶结软岩宏观卸荷破坏特征和微观破坏机制。结果表明卸围压使得岩石侧向膨胀变形和体积扩容特征更加明显。相同初始围压条件下,峰后卸围压的极限轴向应变最大,峰前恒轴向位移的极限侧向应变和极限体积应变值最大,峰前升轴卸围试验对围压卸荷最为敏感。峰后卸围压破坏形态取决于前期加载历程,卸围压对其宏观破坏特征的影响不显著;随着初始围压的增大,峰前升轴卸围压的剪切破坏特征更显著;峰前恒轴向位移卸围破坏实质上是拉破坏,且宏观变形破坏状态取决于卸围过程中微裂隙的发育状态。(5)低围压下,冻结弱胶结砂岩和泥岩的卸围破坏断口微观形貌较为粗糙,主要破坏模式为沿晶断裂,局部产生台阶状或层状撕裂等穿晶断裂;而高围压下岩石破坏面发生剪切滑移,其破裂面相对平整,断口表面有大量断晶碎屑附着。(6)基于不同应力路径三轴卸围试验数据,采用数学分析方法,建立了冻结弱胶结软岩卸围条件下的幂函数型非线性破坏准则,并给出了其应力不变量的表达式;在此基础上,引入动态损伤变量,推演了卸围条件下岩石的弹塑性损伤本构方程。(7)弱胶结冻结地层在冻结过程中均经历了温度缓慢降低到加速下降到速率趋缓并逐渐保持稳定的变化过程;作用在井壁上的冻结压力发展趋势可分为快速增长阶段、缓慢增长阶段及稳定阶段三个阶段,结合温度数据曲线可以看出井帮温度偏低处的冻结压力较大。考虑冻结开挖的卸荷影响,基于冻结弱胶结软岩卸荷弹塑性模型,采用反转应力释放法分析了冻结开挖过程中冻结壁变形规律与冻结压力分布规律,并与现场测试结果对比分析,验证卸荷损伤本构模型的正确性与可靠性。