西部高海拔高寒地区,气候严峻,环境恶劣,长期面临着复杂的冻融灾害问题,造成矿山资源开采难度加大,为确保矿山开采的安全性,有必要开展冻融岩石的相关特性研究。本文依托于新疆备战铁矿高陡边坡,从工程现场出发,综合运用理论分析、试验研究和数值计算等手段,系统性地研究分析了裂隙岩体冻胀起裂、结构面孕灾活化、裂纹起裂扩展机制和边坡失稳破坏模式。主要研究成果如下:(1)以高寒地区英安岩、花岗岩、磁铁矿和矽卡岩四种裂隙岩体为研究对象,从多层面、多尺度研究了裂隙岩石在冻融循环作用下的损伤灾变行为,系统揭示了含冰裂隙冻融活化的非线性演化规律。冻融作用影响下,饱和岩样质量表现为先增大后减小的变化规律,干燥岩样质量表现为逐渐减小的变化规律,并伴随脱皮、掉块现象。饱和、干燥状态下岩样的纵波波速均呈加速衰减趋势。备战铁矿四种岩石存在着闭合型、张开型和充填型三种结构面,光学显微成像和场发射扫描电镜成像表明,冻融后岩样表面缝隙增多,结构面缝宽加大。裂隙水冻胀力测试表明,冻胀力演化曲线经历了五个典型阶段:冻胀孕育阶段、冻胀力骤升阶段、跌落平稳阶段、升温冻胀阶段和消融阶段。水冰相变是产生裂隙冻胀力的根本性原因,冻结温度越低、预制裂隙尺寸越大,冻胀作用易积聚出更大的冻胀力。(2)针对矿区普遍发育的四种岩石开展冻融影响下的岩石力学测试,岩石抗压强度、抗拉强度和弹性模量随冻融次数增多呈指数型衰减,岩样逐渐由脆性破坏向塑性破坏转变。结合声发射测试技术进一步探讨了岩石损伤破裂过程的声发射信号活化和频谱响应特征,冻融作用影响后,岩样声发射事件数、振铃计数、能量、幅值和主频均呈现不同程度的下降、减弱。声发射频谱信息显示,99%的岩石声发射主频信号集中分布在5~95 kHz、95~210 kHz和210~320 kHz三个频带范围内,随着冻融次数的增加,高频信号减弱、低频信号增加。(3)运用数字图像相关(DIC)技术,揭示了单轴压缩和剪切作用下,含岩桥花岗岩裂纹萌生与扩展演化规律和机制。结果表明裂隙结构严重削弱了岩体的材料强度,裂隙试样的单轴抗压强度约为完好试样的14.6%~38.0%。DIC应变云图显示,试件长期处于压缩压实状态,在临近破坏几秒内产生大量微小裂纹,在预制裂隙尖端和岩桥结构处产生宏观大裂隙。当预制裂隙尖端及其附近产生的最大切向拉应力达到岩石的极限抗拉强度时,裂纹起裂、发育并逐渐贯通。冻融作用影响下,裂隙岩体抗压、抗剪强度降低,裂纹扩展角减小,岩石由脆性破坏转变为延塑性破坏。(4)对备战矿区矽卡岩开展了风化型与新鲜型结构面的弱面剪切力学试验,风化型结构面的抗剪强度约为新鲜型结构面抗剪强度的40%,风化型结构面的摩擦角和峰值黏聚力约为10°和0.25 MPa,而新鲜型结构面的摩擦角和峰值黏聚力约为30°和0.57 MPa。新鲜型结构面剪切过程存在着剪胀和剪缩行为,而风化型结构面则仅有剪缩行为。剪切磨损之后,结构面高度分布更加集中,结构面更加光滑,粗糙性下降,风化型结构面的磨损量约为0.28 mm,新鲜型结构面的高度磨损量约为0.12 mm。岩石结构面在循环加卸载剪切条件下存在着明显的Kaiser效应和Felicity效应。剪切声发射信号的峰值频率显示为高、中、低三个频带,分别分布在0~35 kHz、35~122 kHz和122~300kHz范围内,低频和高频信号占比均小于10%,而中频信号占比达到90%以上。(5)基于矿山现场边坡三维激光扫描,建立了三维地质离散元数值计算模型,基于Mohr-Coulomb准则,通过强度折减法求解了岩质边坡在不同冻融条件下的安全稳定性系数,获得了不同冻融循环条件下裂隙岩体边坡的安全稳定演化规律及失稳模式,边坡模型在断层位置处和离散裂隙处多产生拉伸和滑移破坏,且随冻融程度的增加,边坡失稳模式和破坏规模逐渐增大。边坡在0次、20次、40次和60次冻融状态下整体安全性较好,而在80次和100次冻融状态下边坡稳定性接近安全极值,需引起边坡安全监测的重视。