岩石受冻融作用产生的损伤劣化是寒区地质工程面临的重要问题。国内外专家学者对岩石冻融损伤开展了大量的试验分析和理论研究。但对于岩石冻融损伤力学性质研究不充分以及卸载路径下冻融岩石力学特性研究较少,因此,针对高寒山区岩石的冻融损伤特性以及不同应力路径下岩石的力学性质研究具有十分重要的理论意义和工程意义。在本文以孔隙率较大、易受冻融影响的砂岩为研究对象,进行了砂岩的冻融试验、物理性质检测试验(孔隙率、渗透率、超声波试验)和不同应力路径下的抗压试验。同时采用颗粒流离散元软件PFC模拟冻融砂岩的力学试验。得出以下结论:(1)常规三轴试验应力-应变曲线分段,包括孔隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、应变软化阶段。冻融作用没有改变砂岩应力应变曲线阶段的划分。冻融作用使饱和砂岩弹性模量降低,峰值强度下降,峰值应变增加,力学性能产生劣化。随着冻融次数的增加,砂岩的粘聚力与内摩擦角有不同程度的劣化,其中,粘聚力对冻融次数的敏感性更强。(2)冻融使砂岩孔隙增大,伴随着冻融循环过程,砂岩内部孔隙率明显上升,并且可近似认为单次冻融循环孔隙率增量近乎相等。随着冻融次数增加,内部孔隙之间连通性增加,砂岩渗透性能增强。砂岩渗透率呈单调递增趋势,过60次冻融循环,砂岩的渗透率增加了 1.51倍,砂岩渗透率的每次冻融的增量随冻融次数增加,说明冻融循环使砂岩渗透率的增大加快。(3)经过冻融循环,砂岩波速逐渐减小。其中纵波波速近乎呈直线下降。结合动弹模定义,建立了砂岩冻融损伤因子D与孔隙率和纵波波速的关系。根据模型与试验结果对比,该模型表示砂岩损伤效果较好,可以通过该损伤模型预测岩石抗压强度。(4)颗粒流离散元PFC软件中平行粘结模型部分细观参数与宏观参数关系存在定量关系,冻融对砂岩的损伤劣化可以用粘结模型的细观参数等效。通过分析宏细观参数间的对应关系,总结一般冻融砂岩细观参数确定方法。同时,根据冻融砂岩的应力应变曲线特征,建立了折线型冻融砂岩本构方程。(5)冻融作用下,不同卸载应力路径砂岩应力-应变曲线表现不同的力学特性。冻融降低了砂岩峰值强度,同时砂岩卸载破坏时的卸荷量明显减小。冻融次数越多,径向应变对围压变化越敏感。冻融降低了初始变形模量,试样变形模量在卸围压过程中均呈线性降低,且冻融次数越多,下降越快。不同应力路径下砂岩的卸荷破坏的剪胀角受冻融作用影响而减小。