进入21世纪以来，随着社会经济的发展，受浅部资源面临枯竭和资源供需形势变化的双重影响，人类对地下空间的利用与矿产资源的开采正逐渐向地下深部发展。而深部岩体工程所特有的高地应力和卸荷应力路径特征造成的诸如大变形、塌方、岩爆等工程灾害时有发生。作为岩石的一个重要性质，扩容现象被认为与岩石破坏征兆、峰后变形行为以及大变形等岩石力学性质密切相关，因此开展高应力卸荷路径影响下的岩石扩容特性试验研究，构建反映深部岩石峰前/峰后体积扩容特性的本构模型并进行相关工程算例分析，不仅有助于丰富深部岩石力学理论，而且对于地下深部岩体工程的大变形与塌方事故预测、围岩稳定性分析与支护设计等方面均具有良好的理论与应用意义。　　 本文在文献调研的基础上，采用试验研究、理论模型研究和数值模拟相结合的方法，研究了高应力砂岩在加卸荷应力路径下表现出的力学性质差异性以及这些差异与岩石体积扩容的相关关系，构建了能够反映砂岩峰前/峰后高应力卸荷扩容变形特征的本构模型，并通过对三轴试验的数值模拟以及工程算例分析来验证所建立本构模型的合理性。本文取得的主要结论和研究成果如下:　　 (1)在单轴压缩试验的基础上，对采自重庆鱼嘴的石英砂岩完成了一系列围压范围为10MPa～130MPa的三轴压缩试验和峰前卸围压试验，基于试验结果，对比研究了加/卸荷应力路径下砂岩应力应变曲线、强度与变形参数、破坏模式、能量耗散以及扩容特征应力等方面的特征和规律。研究表明，砂岩在低应力卸荷路径下和高应力卸荷路径下均表现出比加载路径更加强烈的体积扩容变形，而这是加卸荷应力路径下砂岩力学性质差异的根本原因。与加载应力路径相比，卸荷应力路径下的砂岩表现出的力学性质差异性可以归纳为以下几点:在卸荷应力路径下，砂岩由峰值向峰后区过渡的过程伴随着快速增大的体积扩容变形，并且其峰后软化模量相对于峰前的变形模量有较大程度的弱化;在卸荷应力路径下，强度和变形参数变弱且随着围压卸荷过程而剧烈变化，破坏模式上更容易出现张拉和拉剪破坏以及共轭滑移线;在卸荷应力路径下，破坏所需能量也更少;扩容特征应力分析结果显示，与单轴压缩相比，有围压时的扩容起始应力与峰值应力之比显著增大，并且这一比值随着围压的增加而增大。卸荷路径下的裂纹失稳扩展应力与卸荷点应力值近似等同，显示出裂纹失稳扩展过程与卸荷应力路径的明显相关性。　　 (2)基于砂岩高应力三轴压缩与峰前卸围压试验研究成果，通过改进已有的M.C.WENG模型，考虑体积模量与第一应力不变量之间的非线性关系，并修改变形模量变化规律以描述重庆砂岩在三轴卸荷路径下特别是高应力卸荷路径下峰前体积扩容特性，从而构建了可同时反映加卸载路径下砂岩扩容变形特征的非线性弹性本构模型。将改进WENG模型的理论分析结果与三轴加卸载试验结果进行对比，初步验证了改进模型合理性。利用FLAC3D的UDM接口进行二次开发，将改进后的M.C.WENG模型用C++语言实现并编译成DLL文件，使得新模型具有更好的可推广性。砂岩三轴试验的数值模拟结果表明，改进模型能够反映重庆砂岩卸荷路径下的峰前体积变形特性，具有一定的合理性和实用性。　　 (3)在考虑峰前扩容非线性弹性本构模型的基础上，通过引入塑性力学基本理论，并考虑卸荷应力路径对强度参数的影响，基于带拉伸截止限的莫尔库伦强度准则和关联流动法则，推导了屈服后应力状态的修正公式，进而建立了高应力砂岩卸荷扩容弹塑性本构模型。之后，采用C++语言将该模型嵌入FLAC3D模型库中，完成了其数值实现工作。　　 (4)结合砂岩高应力加/卸荷试验结果，探讨了高应力卸荷路径下围压和卸荷应力路径对砂岩扩容特性的影响效应，总结提出了卸荷应力路径下剪胀角的演化规律，进而，以塑性剪切应变和卸荷应力路径下承载力峰值对应的围压为自变量，构建了基于卸荷应力路径的剪胀角模型。之后，采用C++语言将基于高应力卸荷路径的剪胀角函数嵌入应变软化模型，并编译成FLAC3D可识别的DLL本构文件。利用新模型模拟了砂岩不同围压下三轴卸荷试验，结果表明，数值模拟所获得的体积应变曲线与试验实测成果吻合较好，证明了新建立本构模型的合理性。　　 (5)以西部某引水隧洞的稳定性分析为工程算例，以莫尔库伦模型为参照模型，进一步验证了高应力砂岩卸荷扩容的弹塑性本构模型与基于高应力卸荷剪胀角函数的应变软化模型的合理性。从以下几个方面完成了对计算结果的对比分析研究:隧洞围岩变形参数弱化特征、采用新建立的本构模型与参照模型时围岩体积变形的分布和量值特征、隧洞支护结构对围岩体积变形与变形参数特征的影响效应、围岩剪胀角分布规律、基于卸荷路径的剪胀角模型对围岩稳定性分析计算结果的影响效应。进而，指出了深部地下洞室数值仿真计算中考虑岩石体积扩容效应的可行性与必要性。