深部岩体工程开挖是一个复杂的加、卸荷过程,由此诱发的工程灾害屡见不鲜。对于岩石卸荷破坏机理的研究,传统方法多是在宏观尺度下进行,岩石内部细观结构没有得到足够的重视。随着测试技术手段的提高,从细观结构角度对岩石破坏演化过程进行表征成为可能。破坏面作为岩石变形破坏过程的记录,蕴含着丰富的破坏细观信息,通过分析岩石破坏面可追溯破坏本质。现阶段对不同卸荷路径下岩体破坏面蕴含破坏机理信息解译不足,本文基于大理岩加、卸荷破坏试验和数字图像处理技术,探索破坏面三维形貌与破坏机理之间的相应关联,利用三维颗粒流仿真试验对大理岩破坏过程的裂纹演化机制与破坏面形貌特征进行定量表征,构建基于破坏面形貌特征的岩石破坏本构模型。论文主要研究成果如下:(1)通过大理岩加、卸荷破坏试验,分析卸荷路径下大理岩变形破坏全过程力学特性,诠释围压及卸荷速率对弹性模量的影响,给出岩样脆性指数随围压及卸荷速率增加的变化规律。试验表明:卸荷速率一定时,卸荷应力水平越高,岩样损伤应力与峰值应力越大;卸荷应力水平一定时,随卸荷速率增加,损伤应力、损伤应变与峰值应力、峰值应变均减小。卸围压过程中,围压-弹模曲线由线性逐渐变为非线性关系,且非线性特征随卸荷速率的增加逐渐减弱,相同卸荷速率下弹模减小量随卸荷初始围压的增加明显增大。10MPa～40MPa围压下脆性指数σB均随卸荷速率增加而增大,且40MPa围压下随卸荷速率增加脆性指数波动性最大。(2)通过加、卸荷路径下大理岩破坏面三维形貌扫描分析发现,随卸荷速率增加,破坏面测点高程值分布趋于集中,且卸荷应力水平越高,测点高程正态拟合相关系数越高;幅度参数Sa与分形维数D随围压增加而减小,且两者与围压均呈线性关系;幅度参数Sa与分形维数D随卸荷速率的增加而增大。随围压与卸荷速率增加,较大的幅度参数Sa对应较大的脆性指数σB;随幅度参数Sa增大,岩样粘聚力c总体呈降低趋势,内摩擦角φ呈增大趋势。分形维数D与破坏面幅度参数存在线性联系,较高的幅度参数对应于较大的分形维数;分形维数D随破坏面粗糙度系数JRC3D的增加而增加,二者呈二次正相关关系。(3)建立大理岩加卸荷破坏的三维颗粒流仿真模型,给出颗粒流仿真试验卸荷速率(MPa/step)与室内试验卸荷速率(MPa/s)之间的转换关系为1MPa/s=0.007MPa/step;基于相对位移场特征,对加、卸荷路径下颗粒流仿真试验三维破坏面进行二次筛选及验证。三维颗粒流仿真试验表明,加载过程中张拉裂纹数量明显高于剪切裂纹数量,且剪切裂纹扩展滞后于张拉裂纹;相比加荷试验,卸荷路径下张拉、剪切裂纹数目均减少;随卸荷速率增加,张-剪裂纹比呈增大趋势;峰值应力前,随卸荷速率增加,裂纹数量急剧减小,卸荷速率对试样破坏的影响体现在裂纹扩展速度上,峰值应力后,随卸荷速率增加,瞬时动能逐渐增大,卸荷速率对试样破坏的影响体现在破坏剧烈程度上。通过分析数值模型的破坏面特征发现,卸荷路径破坏面张-剪裂纹比均大于加荷路径,且围压越高增长幅度越大;破坏面张-剪裂纹比与幅度参数、分形维数D均呈线性正相关关系。(4)基于大理岩破坏面形貌特征,定义损伤变量d为同一网格间距下破坏面分形维数极小值与分形维数极大值的比值,考虑岩石变形过程中围压对弹性模量的影响,建立加、卸荷路径下修正的硬岩破坏本构模型。本构模型计算的理论曲线与试验曲线吻合程度较高,能够描述大理岩变形过程的整体性状及强度随围压变化的特征。