岩石作为一种非均质天然地质材料,在岩土工程及矿井工程建设中占据极其重要的地位,其变形破坏规律与工程地质灾害的发生息息相关。在实际工程实践过程中,岩石往往处于不同的受载状态,研究不同受载方式下岩石的变形破坏演化规律有助于正确认识岩石的破坏机理,对于岩土工程、矿井工程的安全设计、施工及灾害预防具有极其重要的意义。研究岩石变形损伤演化及其破坏的核心问题是建立岩石变形损伤破坏本构模型,考虑岩石的非均匀性,统计损伤力学基本理论是研究岩石变形破坏的有效方法,故基于岩石非均匀变形演化规律的统计损伤本构方程的建立同等重要。通过调研国内外关于岩石变形损伤破坏方面的大量文献,在总结前人研究成果的基础上,以数字散斑相关方法为观测手段,开展不同单轴加载方式下的岩石变形破坏试验及声发射试验,分析不同加载方式下岩石试件的非均匀变形演化规律,包括非均匀变形场演化、变形局部化带位移演化以及变形能量演化规律;分析岩石非均匀变形全过程中的侧胀系数演化规律,并利用扫描电镜对试验中岩石破坏断口的微观形貌进行观察,探讨不同加载方式下岩石的破坏类型;对不同加载方式下岩石变形过程中的声发射特征进行分析,研究岩石的非均匀变形程度与声发射特征之间的关系;基于不同加载方式下的非均匀变形场演化规律以及非均匀变形程度与声发射特征之间的关系,提出利用非均匀变形程度来定义岩石损伤变量,基于统计损伤基本理论,考虑岩石试件的非线性弹性和残余应力推导出单轴压缩及三轴压缩状态下的岩石统计损伤本构方程,最后对试验结果进行拟合验证本构方程的正确性和合理性。论文的主要研究内容与结论如下:(1)单轴压缩岩石非均匀变形破坏演化规律研究基于数字散斑相关方法分析单轴压缩过程中岩石的非均匀变形场演化、局部化带位移演化和变形能量演化规律,研究发现:非均匀变形场随应力增加逐步演化。非均匀变形程度在塑性阶段前呈线性变化,之后呈现非线性变化。非均匀变形程度在变形局部化带启动、峰前加载应力跌落、加载应力峰值、峰后破坏时刻均出现大幅增加。变形局部化带的位移(包括错动位移与张拉位移)演化与加载应力呈现良好的对应关系。局部化带位移在塑性阶段前呈线性变化,之后呈现非线性变化,且在局部化带启动时刻发生转折,位移增长速率加快。局部化带位移在峰前加载应力跌落时刻发生跳动上升,在峰后破坏时刻发生大幅突变。岩石试件的变形能量演化与加载应力之间保持良好的对应关系,其中局部化带启动点之前,岩石试件的变形能逐渐累积,累积速率逐渐增大。局部化带启动点时刻,能量累积开始减缓。峰前应力跌落和峰后破坏时刻,能量出现释放。(2)单轴等幅循环加载及单轴分级等幅循环加载岩石非均匀变形破坏演化规律研究基于数字散斑相关方法分析单轴等幅循环加载及单轴分级等幅循环加载过程中岩石的非均匀变形场演化、局部化带位移演化和变形能量演化规律,研究发现:在等幅循环加载过程中,非均匀变形场逐步演化。非均匀变形程度经历缓慢演化阶段和加速演化阶段,在时间上滞后于加载应力。整个循环过程中,加载或卸载至同一应力时,非均匀变形程度随循环次数的增加而增大。每次循环过程中,加卸载至同一应力时,非均匀变形程度发生累积。在岩石破坏前,卸载底点的非均匀变形程度数值会逐渐接近加载顶点的非均匀变形程度数值,该现象可以作为等幅循环加载岩石变形破坏前兆信息。分级等幅循环加载过程中岩石的非均匀变形程度基本存在相同的变化规律,只是在分级峰值应力增加初期,非均匀变形程度的数值和非均匀变形程度顶点相对于加载应力顶点的滞后时间皆发生大幅增加。在等幅循环加载过程中,变形局部化带位移演化以张拉位移为主,最终的破坏形式以张拉破坏为主。局部化带的位移随着加卸载应力呈现波动变化,经历缓慢演化和加速演化阶段,并在时间上滞后于加载应力。整个循环过程中,加载或卸载至同一应力时,局部化带位移皆随循环次数的增加而增大。在每次循环过程中,加卸载至同一应力时,局部化带位移发生累积。另外在岩石破坏前,卸载底点处的局部化带位移数值逐渐接近于加载顶点处的局部化带位移数值,该现象可以作为等幅循环加载岩石变形破坏前兆信息。分级等幅循环加载过程中岩石局部化带的位移基本存在相同的变化规律,只是在分级峰值应力增加初期,局部化带位移数值和局部化带位移顶点相对于加载应力顶点的滞后时间皆发生较大增加。在等幅循环加载过程中,岩石试件的变形能量演化在时间上滞后于加载应力,当加载或卸载至同一应力时,变形能量皆随着循环次数的增加逐渐累积。在每次循环过程中,加卸载至同一应力时,变形能量也发生累积。在分级等幅循环加载过程中,岩石试件的变形能量基本存在相同的变化规律,只是在分级峰值应力增加初期,变形能量的累积数值与变形能量顶点相对于加载应力顶点的滞后时间皆有较大增加。(3)单轴分级循环加载岩石非均匀变形破坏演化规律研究基于数字散斑相关方法分析单轴分级循环加载过程中岩石的非均匀变形场演化、局部化带位移演化和变形能量演化规律,研究发现:岩石的非均匀变形场随着分级峰值应力及循环次数的增加逐步演化,局部化现象越来越明显。自局部化带启动后,非均匀变形程度顶点滞后于加载应力顶点。在分级循环加载全过程中,加载或卸载至同一应力时,非均匀变形程度随着循环次数的增加而增加。在每次循环过程中,加卸载至同一应力时,非均匀变形程度发生累积。加载应力顶点与卸载应力底点处的非均匀变形程度之间的差值随循环次数的增加逐渐增大。试件以张拉挤压破坏为主,在整个分级循环加载过程中,加载或卸载至同一应力时,局部化带挤压位移皆随循环次数的增加而增大。在每次循环过程中,加卸载至同一应力时,局部化带挤压位移发生累积。加载应力顶点与卸载应力底点处的局部化带挤压位移在局部化现象首次出现时其数值皆有较大增加,两者之间的差值随循环次数的增加逐渐增大。自局部化带启动后,变形能量顶点滞后于加载应力顶点。在整个循环过程中,加载或卸载至同一应力时,变形能量随循环次数增加逐渐累积。在每一循环过程中,加卸载至同一应力时,变形能量也发生累积。分级循环加载过程中,加载应力顶点与卸载应力底点的变形能量之间的差值随循环次数的增加逐渐增加。(4)不同单轴加载方式下岩石破坏类型研究基于数字散斑相关方法计算不同单轴加载方式下岩石的侧胀系数发现:在不同形式的单轴加载过程中,岩石试件的侧向相对伸长程度皆逐渐增加,这种泊松效应最终导致岩石试件发生张拉破坏。加载应力顶点处岩石试件的侧向相对伸长程度在等幅循环过程中皆随着循环次数的增加而增加,但随着分级加载峰值应力的增大其增长速率逐渐减小。另外对岩石的破裂断口进行电镜扫描试验,通过分析岩石断口微观形貌特征证实了不同单轴加载方式下的岩石皆以脆性张拉破坏为主。微观分析结果与前面宏观分析结果相吻合,进一步揭示了加载方式对岩石破坏类型的影响。(5)不同单轴加载方式下岩石的非均匀变形程度与声发射特征关系研究通过对不同单轴加载方式下岩石的非均匀变形程度与声发射特征关系进行研究,发现两者之间呈现良好的对应关系,其中:在单轴压缩过程中,局部化带启动点处的非均匀变形程度发生大幅增加,振铃累计计数和声发射累积能量开始加速增加。在应力跌落处,非均匀变形程度出现大幅增加,振铃累计计数和声发射累积能量出现激增。在不同形式的单轴循环加载过程中,非均匀变形程度的最大点对应声发射信号平静期的起点,非均匀变形程度的最小点位于声发射信号平静期内。非均匀变形程度整体上与Felicity 比呈负相关关系,随着循环次数的增加,非均匀变形程度逐渐增大,Felicity 比逐渐减小。(6)基于非均匀变形演化的岩石统计损伤本构模型研究通过分析不同单轴加载方式下岩石试件的非均匀变形程度随轴向应变的变化规律,并基于非均匀变形程度与声发射特征之间的对应关系,提出以非均匀变形程度即非均匀变形统计指标Sw来定义损伤变量,并假设Sw的增量相对于轴向应变符合威布尔分布,同时考虑岩石试件的非线性弹性和残余应力推导出单轴压缩状态下岩石的统计损伤本构方程,最后通过拟合试验数据证明了该本构方程的正确性和合理件。在岩石三轴压缩统计损伤本构方程的推导过程中,仍然以非均匀变形程度来定义损伤变量,假设非均匀变形程度Sw数值的增量相对于岩石试件三个方向应变的综合作用即体积应变εm服从威布尔分布,同时考虑岩石试件的非线性弹性和残余应力推导出三轴压缩状态下岩石的统计损伤本构方程,通过拟合试验数据证明该本构方程的正确性和合理性,最后探讨了围压对统计损伤本构模型参数的影响。