我国西部地区白垩系和侏罗系煤系地层具有成岩晚、胶结差、强度低、遇水泥化砂化、无稳定隔水层、层间导水性强的特点,煤矿冻结建井冻结壁解冻后井筒渗水、淹井等事故频发。本文以白垩系富水弱胶结红砂岩为研究对象,充分考虑弱胶结红砂岩在地层内部赋存的地应力条件,对弱胶结红砂岩冻融劣化的机理进行试验研究。首先基于力学试验获得了弱胶结红砂岩冻结及冻融劣化后的力学强度与变形特征,阐述了弱胶结红砂岩冻融劣化机理及冻融过程中地应力的影响机制。然后结合CT扫描及三维微细观结构重构技术给出了冻融劣化导致的弱胶结红砂岩微细观孔隙结构变化的量化规律。之后基于三轴渗流试验并结合声发射技术获得了弱胶结红砂岩冻融前后渗流-应力耦合特性的变化规律,揭示了弱胶结红砂岩渗流-应力耦合作用下内部损伤、破裂的演化机制。最后建立了多孔岩石冻融后渗流-应力耦合作用下的统计损伤本构模型。详细结论如下:1.获得了白垩系弱胶结红砂岩冻结及冻融劣化后的强度与变形特性,阐述了弱胶结红砂岩冻融劣化机理及冻融过程中地应力的影响机制。白垩系弱胶结红砂岩强度低、胶结差、孔隙率高,对冻融作用非常敏感。相对于常温状态,-15℃冻结温度下红砂岩强度增加了 124.86%,但-15℃～20℃温度区间仅经历一次冻融后强度便下降了 33.50%。相对于无围压冻结及冻融,冻结及冻融过程中围压的存在使得红砂岩冻结力学参数增加,融化后的力学参数降低。白垩系弱胶结红砂岩含有大量不同尺寸的孔隙裂隙结构,孔隙裂隙网络可视为由若干冻融损伤单元组成,红砂岩冻融劣化是多种损伤机制的综合作用。冻融期间的地应力可认为是提高了孔隙裂隙的约束能力,防止冻结初期冻胀力过多消散,使冻结作用尽可能地向次级微孔隙发展,加深红砂岩的冻结程度,使红砂岩冻结力学参数提高,但随之红砂岩基质损伤加剧,融化后的力学参数降低。2.给出了由于冻融劣化导致的白垩系弱胶结红砂岩微细观孔隙结构变化的量化规律。白垩系弱胶结红砂岩孔隙的孔径大致分布在0～370 μm范围,其中以0～60μm孔径的微孔隙为主,占比超过68%。随冻融时围压的增加,红砂岩损伤加剧,冻融时的围压从0 MPa提高至12 MPa,红砂岩冻融后孔隙率的增加幅度从3.88%提高至8.53%。红砂岩冻融劣化主要体现在0～40 μm孔径区间的微孔隙数量及占比的增加,其中0～20 μm与20～40 μm半径区间的微孔隙占比增加幅度分别超过33%与 24%。3.获得了白垩系弱胶结红砂岩冻融前后渗流-应力耦合特性的变化规律。渗透特性测试过程中,随冻融围压增加,白垩系弱胶结红砂岩冻融后的渗透率也显著增加,增幅超过13%,此外红砂岩渗透率随测试围压的增加而降低,随渗透压的增加而增加。三轴渗流加载过程中,不同围压下白垩系弱胶结红砂岩受力变形过程相似,具有明显的阶段性特征,但渗透率呈现出两种不同的演化模式,围压强度比小于0.5时,渗透率与受力变形阶段表现出很好的对应性,而围压强度比大于0.5时渗透率一直呈降低趋势。围压强度比小于0.5时,起裂应力之前红砂岩渗透率一直呈降低趋势,起裂应力后渗透率开始缓慢增加,扩容应力后渗透率增幅逐步加快,直至达到峰值渗透率,并且峰值渗透率滞后于峰值应力出现。受冻融影响红砂岩起裂应力之前的渗透率相对于冻融前显著增加,但起裂应力后的渗透率增加不明显,甚至出现降低。围压强度比大于0.5时,红砂岩逐步向延性发展,围压限制了竖向裂隙的扩展,红砂岩内部形成局部压缩带,渗透率一直呈降低趋势,与受力变形阶段间的关联性大大降低。4.揭示了白垩系弱胶结红砂岩冻融前后渗流-应力耦合作用下损伤、破裂的演化机制。基于AE累计能量可将白垩系弱胶结红砂岩冻融前后三轴渗流加载过程中的AE活动划分为平静阶段、稳定增长阶段、爆发阶段及峰后阶段,红砂岩内部损伤演化过程同样可按照这四个阶段划分。随围压增加红砂岩最终的损伤程度减小,峰后承载能力增加,但冻融后红砂岩最终的损伤程度增加,峰后承载能力下降。加载过程中,红砂岩内部以微型破裂为主,随围压增加初始加载阶段AE信号逐步减弱,甚至消失,但AE能量峰值会显著增加,此外受冻融影响,红砂岩冻融后的AE能量峰值要小于冻融前。起裂应力前红砂岩渗透率与AE信号呈负相关,进入塑性阶段后,围压强度比小于0.5时渗透率与AE信号正相关,围压强度比超过0.5后渗透率与AE信号负相关,峰后阶段渗透率与AE信号呈负相关。加载过程中红砂岩内部新生裂隙逐步向剪切型裂隙发展,同时受冻融影响及围压的增加,加载各阶段剪切型裂隙比例均会增加。宏观层面上,随围压增加主裂面与最大主应力方向的夹角增大,红砂岩延性增加,峰值应力附近渗透率增加幅度逐步降低乃至相对较高围压下渗透率一直处于降低趋势。5.建立了多孔岩石冻融后渗流-应力耦合作用下的统计损伤本构模型建立了多孔岩石冻融后渗流-应力耦合作用下的统计损伤本构模型,该模型综合考虑了多孔岩石冻融阶段的损伤及冻融后渗流-应力耦合作用下的损伤,并利用试验验证了模型的有效性。