软岩是软弱、松散、破碎、膨胀、流变、强风化蚀变和高地应力的岩体统称。软岩问题是从20世纪60年代被提出来的世界性难题,特别是煤矿软岩问题一直是困扰煤矿生产和建设的重要难题之一。红层泥岩是一种广泛分布且具有膨胀性的软岩,由于其沉积地质年代较新,结构连接普遍较弱,且含高岭石、伊利石和蒙脱石等粘土矿物,具有遇水易软化膨胀,失水收缩等特点。本文以红层泥岩为研究对象,对红层泥岩在荷载和水化共同作用下的膨胀和流变特征展开了大量的试验研究,并运用损伤力学和流变力学理论,构建了水化作用下红层泥岩的膨胀和流变损伤模型。本文主要进行了以下几个方面的研究:(1)红层泥岩膨胀特性试验研究;(2)红层泥岩膨胀机理及模型研究;(3)水化作用下红层泥岩基本力学特性试验研究;(4)红层泥岩流变特性试验研究;(5)红层泥岩的膨胀-蠕变损伤本构模型研究。通过以上研究得出了以下几点主要结论和创新点:采用自行设计的饱水装置,在RYL-600微机控制岩石剪切流变试验仪试验平台上实现了无侧限条件下的膨胀-蠕变试验,研究了干燥红层泥岩的无侧限膨胀特性、蠕变特性,得到红层泥岩在水化和荷载共同作用下的膨胀-蠕变耦合曲线。通过比较无侧限和侧限条件下的膨胀试验结果发现,对于红层泥岩在侧限条件的约束下极大的限制了其轴向的膨胀变形,同时在无侧限条件下,红层泥岩在水化过程中表现出膨胀-蠕变共同作用的特征。采用不同含水状态下的红层泥岩试件进行不同低加载速率单轴压缩试验,研究加载速率与含水率共同作用下红层泥岩的力学特征,分析了加载速率和水共同作用对红层抗压强度、弹性模量和峰值应变的影响。水对红层泥岩的强度劣化明显,红层泥岩峰值单轴抗压强度和弹性模量与含水率成负相关的关系,随着岩石含水率的增加红层泥岩的峰值单轴抗压强度和弹性模量呈线性关系降低。饱和红层泥岩样对加载速率最不敏感,在几种加载速率作用下峰值强度差异很小,干燥和天然状态的红层泥岩的峰值强度与加载速率都表现出正相关的关系,随着加载速率的增大峰值强度都存在明显的增大。水化和荷载耦合作用的单轴试验在不同加载速率作用下,其强度略高于饱和岩样的强度,且其峰值强度受加载速率影响明显,加载速率越小其峰值强度越小。同时,水化样破坏时的峰值应变明显小于其他三种含水状态的岩样,且破坏后岩样破碎程度也远高于其他三种状态。通过水化作用下的红层泥岩的膨胀和蠕变耦合试验,研究了在不同应力水平作用下岩样从干燥状态向饱和状态变化时,由于应力和水化膨胀耦合作用对岩样变形、长期强度以及破坏模式的影响。由于红层泥岩遇水软化和膨胀应力的作用,降低了红层泥岩出现加速蠕变的应力水平,同时也缩短了红层泥岩出现加速蠕变的时间。在水化和荷载共同作用下红层泥岩的蠕变变形曲线发展趋势和常规含水率不变的岩样的蠕变变形曲线明显不同,由于水化膨胀变形的影响,轴向变形逐渐减小,当减小到一定程度后,又开始逐渐增加,变形速率也缓慢增加,最后变形急剧增加而发生破坏。为了描述红层泥岩常规的蠕变变形特征,建立了变参数的西原蠕变模型描述了红层泥岩常规流变特征,同时,为描述水化膨胀以及岩石劣化特性,将损伤变量引入西原模型中,将变参数西原蠕变损伤本构模型与膨胀模型串联,建立符合水化作用下的红层泥岩的膨胀蠕变损伤模型。