本文以梅林庙矿风井冻结施工为工程背景,以第五含水层(563m~599m)红砂岩为研究对象,首先,对红砂岩(原岩)进行负温三轴压缩试验、峰前峰后卸围压试验和冻融试验,详细的分析温度、围压、加卸载路径以及冻融作用对红砂岩力学特性的影响;然后,通过相似理论模拟饱冰裂隙岩体,研究裂隙产状、围压、温度以及填充物(冰)对单/双裂隙岩体强度的影响;最后,利用分区的思想和统计学方法,建立多裂隙岩体网络模型,分析多裂隙岩体的力学特性。得到的主要结论有:1.饱水红砂岩负温三轴压缩试验(1)围压相同,温度在10℃~-15℃变化时,饱水红砂岩的抗压强度、摩擦角和弹性模量随温度降低而增大;脆性指数随温度降低而增大;粘聚力c随温度降低而减小;(2)温度相同,围压在0MPa~12 MPa变化时,饱水红砂岩的抗压强度、弹性模量随围压增加而增大;脆性指数随围压增大而减小;(3)红砂岩试件的泊松比受围压影响较小,受温度影响显著;弹性模量受温度影响巨大,受围压影响显著,温度是弹性模量的主要影响因素,围压是次要影响因素;相对泊松比而言,弹性模量的取值更易受外界条件影响;(4)红砂岩试件的破坏形态受温度和围压影响显著,但两者的破坏机理不同,温度降低,促使孔隙冰生成,增大了孔隙摩擦面积,从而增大摩擦力,围压增大,使得垂直破裂面上的分力增加,从而增大摩擦力。2.饱水红砂岩峰前峰后卸围压试验(1)饱水红砂岩峰前卸围压的峰值强度高于单轴强度,低于三轴强度;峰后卸围压最大强度与三轴强度相近;峰前卸围压试件破坏时较“迅速”、“猛烈”,应力—应变曲线有明显的应力跌落现象;峰后卸围压试件(恒应变卸围压路径)的应力—应变曲线较为“平缓”;(2)温度对红砂岩峰前卸围压特性有一定影响,随温度的降低岩石对卸围压的敏感性降低,抗扰动性增强;温度对红砂岩峰后卸围压特性影响甚微;围压对红砂岩峰前和峰后卸围压特性影响显著,初始围压增大能够降低岩石对卸围压的敏感性,同时也降低了岩石的抗扰动性;红砂岩峰后承载力,完全由实时围压控制,不受温度影响;(3)峰前卸围压破坏形式为单一的拉剪破坏,其实质是拉破坏,破坏形态与卸围压过程有关;峰后卸围压破坏形态取决于前期加载历程,与卸围压过程无关。3.饱水红砂岩冻融试验(1)红砂岩的强度随冻融次数的增加而减小,其作用机理在于冻融作用降低了岩石颗粒的粘结力,从而降低了岩石的整体强度;(2)红砂岩的孔隙率随冻融次数增加而增大,岩石的透水性增强;负温岩石强度损伤变量小于常温岩石损伤变量;(3)冻融条件下,围压对红砂岩强度损失有一定的抑制作用,即高围压条件下岩石强度的损伤要低于低围压条件;温度对孔隙损伤有抑制作用;(4)红砂岩经过冻融后,常温试验时会形成较多的碎裂块体,破裂程度明显强于负温试验;常温和负温红砂岩试件的破裂形式随围压和冻融次数的变化趋势相同。4.饱冰单裂隙岩体模型试验(1)裂隙倾角较小时(<10°),裂隙岩体强度波动较大,受裂隙面产状影响显著;裂隙倾角接近90°时,裂隙岩体的强度、弹性模量和泊松比可按完整试件计算;裂隙倾角在10°~80°之间,试件强度符合Jaeger单弱面理论,可根据拟合公式计算;(2)裂隙迹长较小时(贯通度<10%),裂隙岩体强度特性可按完整岩石计算;裂隙迹长较大时(贯通度在10%~25%),裂隙岩体强度衰减较大,可根据拟合公式计算;(3)裂隙岩体强度随围压增加而增大;弹性模量在常温条件下,随围压的增大而增大,负温条件下,弹性模量几乎不随围压而变化;泊松比无论在常温或负温条件下均不随围压变化;(4)裂隙岩体强度随温度降低而增大,原因在于冰充满了岩石的孔隙和裂隙,起到密实的作用,同时增大了粘聚力和摩擦角;弹性模量随温度的降低而增大,但负温条件下弹性模量近似相等,并高于常温条件下的弹性模量;泊松比随温度的降低而减小;(5)水相变时体积会向自由面膨胀,在开放的环境中并不会产生冻胀力,因此,通过试验测定的数据是不计冻胀力的岩体强度;试验结果显示,冰对裂隙岩体的强度有增强作用。5.饱冰平行双裂隙岩体模型试验(1)平行双裂隙岩体的强度、弹性模量和泊松比不随裂隙间距而改变,强度值近似与单裂隙岩体(相同倾角、迹长)的强度值相等;试件的主要破坏形式为沿着其中一条裂隙延展并贯穿裂隙间的岩桥再沿另一条裂隙延展,最终导致试件整体破坏;(2)平行双裂隙岩体的强度、弹性模量和泊松比在倾角大于30°时,可以按对应的单裂隙岩体计算;倾角小于30°时,力学参数与单裂隙岩体力学参数差异较大,应通过具体试验数据计算;破坏形态与倾角关系密切,通常裂隙间的岩桥最先破坏,实际工程中应多注意岩桥的防护;(3)平行双裂隙岩体的力学性质和破坏形态受迹长影响显著,强度折减系数与迹长比近似呈指数关系。可以利用拟合公式估算不同迹长平行双裂隙岩体的力学性质;岩体的破坏形态主要与迹长大小及迹长比有关,迹长和迹长比较小时,破坏形式不受裂隙影响;迹长较大,迹长比较小时,破坏模式取决于迹长较大的裂隙;迹长介于两者之间时(贯通率在25%~75%之间),迹长比在1左右,破坏形态受两条裂隙共同影响。6.饱冰相交双裂隙岩体模型试验(1)相交双裂隙岩体的强度受两条裂隙倾角影响显著,其中QQ16试件强度仅为21.25MPa,仅为完整试件强度的35.3%;裂隙岩体强度随倾角的变化不能按照单裂隙折减法进行估算,但可通过4.3.1节曲面图(图4.38)近似求解;其破坏形式可按4.3.1节的分类进行概括描述;(2)相交双裂隙岩体的强度、弹性模量、泊松比以及破坏形式受迹长影响显著。迹长越大,强度和弹性模量越低,尤其是迹长较大,迹长比约为1的裂隙岩体,强度要远远小于完整岩石的强度;随迹长的增大,裂隙岩体的破坏形式越单一,破坏后形成的散块越多;(3)间距对裂隙岩体的强度和变形影响较大,随着间距的增加,裂隙岩体的强度先减小后增大,最后强度值稳定在对应的单裂隙岩体强度;对于裂隙交点在延长线上且交点在研究区域内的裂隙岩体强度一般较小,破坏具有突发性,破坏后会形成大块岩石。7.多裂隙岩体数值模拟研究(1)单裂隙岩体强度与倾角呈二次函数分布,与迹长呈负指数函数分布,具体数值可通过拟合函数用插值法计算;单裂隙岩体的强度随隙宽的增加逐渐减小,当隙宽达到某一特定值后,强度将不再减小,岩体承载力的稳定性将成为岩体质量评级的重要指标。(2)相交双裂隙岩石的间距近似等于裂隙长度时,岩体的强度值最小,间距大于两倍裂隙长度时,岩体的强度近似等于对应的单裂隙岩体的强度。(3)利用分区思想和统计学方法建立裂隙网络模型,通过一个简单的模型算例表明,主要裂隙决定岩体的强度和破坏形态,次要裂隙只影响岩体的强度和破坏形态;裂隙网络模型能够较真实的反应多裂隙岩体的力学特性,可应用于实际岩体工程分析。