目前,随着我国水利、交通、矿产、地下安全工程等的建设发展,在地下工程的建设过程中,围岩开挖稳定性的问题日趋重要。围岩开挖时应力发生重分布,其加载与卸荷应力状态较为复杂,岩石力学加载理论方面的成果较为完善,但与实际情况有所出入,岩石卸荷力学理论还有需要完善的地方,加载与卸荷条件下的岩石的力学特性、本构关系等有较大区别。基于此,本文选取水布垭水利枢纽工程地下洞室典型灰岩作为研究对象,采用室内试验、理论分析与数值模拟相结合的方法,开展了灰岩单轴、常规三轴压缩、卸荷试验,研究了加载与卸荷条件下灰岩的强度、变形以及破坏特性,在此基础上推导了相应的本构模型,并以此对依托工程进行了数值分析研究。主要研究内容以及成果如下:1)利用RMT-150C岩石力学系统开展了灰岩的单轴、常规三轴压缩试验,并对加载条件下灰岩的力学特性进行了分析。结果表明:灰岩具有明显的脆性,随着围压增大,表现出脆延性;在线弹性阶段,不同围压下灰岩的弹性模量相差不大;峰值强度、峰值变形、弹性模量、残余强度与围压均为非线性关系;单轴作用下表现出柱状劈裂破坏,三轴压缩作用下为单斜面剪切破坏。2)通过不同卸荷速率下三轴卸荷试验,对卸荷条件下灰岩的力学特性进行了分析。结果表明:在低围压条件下,灰岩更容易产生脆性跌落;卸荷会降低灰岩的强度参数,卸荷比加载更容易让灰岩破坏;随着卸荷速率的加快,其内摩擦角会增大,而粘聚力会随之减小;卸荷试验中表现出张剪性破坏,沿主剪切破坏面周边有许多的张性裂缝,会出现由主剪切面向周边的破碎的现象。3)为反映加载条件下灰岩的应变软化特征以及残余阶段,基于弹塑性理论以及Mohr-Coulomb强度准则,推导了应变软化模型的表达式,与试验结果对比,发现理论模型曲线与试验结果基本吻合。基于灰岩卸荷条件下的力学特性,从损伤力学角度出发,推导了卸荷损伤本构模型,通过试验结果发现,虽然理论模型曲线与试验结果在残余阶段存在一定的偏差,但趋势大体一致,具有一定的合理性。4)根据灰岩的卸荷损伤本构模型,结合FLAC3D软件自带模型的源代码,得到了自定义本构模型的程序,并以此为基础,对水布垭地下厂房洞室开挖进行了数值模拟计算,与实测资料对比发现,数值模拟结果与实测资料具有一致性,表明该模型在实际工程中有一定价值和意义。