巖石主要由晶體形態(tài)存在的礦物及少量非晶質(zhì)膠結(jié)物組成，其成因和賦存環(huán)境對(duì)巖石的礦物成分，晶體形態(tài)及界面結(jié)合產(chǎn)生重要影響。巖石材料在不同研究尺度上表現(xiàn)出不同的力學(xué)特征，研究其內(nèi)部礦物結(jié)構(gòu)及細(xì)觀非均質(zhì)特征，對(duì)于了解巖石斷裂損傷，裂紋孕育演化機(jī)制和破裂特征具有重要意義，也是保證巖石工程合理設(shè)計(jì)和安全控制的重要依據(jù)。

　　數(shù)值方法是量化評(píng)價(jià)巖石微觀結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀力學(xué)特征影響的有力工具。傳統(tǒng)有限元法難以實(shí)現(xiàn)巖石介質(zhì)在外力作用后出現(xiàn)破裂、失效及分離的全過程。離散元法雖然能反映巖體結(jié)構(gòu)的非連續(xù)特征，但因全局接觸判別效率不高，很難實(shí)現(xiàn)工程尺度規(guī)模的計(jì)算，尤其三維條件下的接觸形式復(fù)雜，塊體接觸力計(jì)算繁瑣，大大限制了離散元方法的推廣應(yīng)用。Munjiza提出的連續(xù)非連續(xù)通過定義勢(shì)函數(shù)來計(jì)算塊體之間的重疊區(qū)域，進(jìn)一步根據(jù)NBS接觸算法得到接觸力。但由于勢(shì)函數(shù)物理意義不明確，無法統(tǒng)一表征嵌入量的接觸力，且切向接觸力計(jì)算冗雜，難以推廣至三維模型。

　　本研究在傳統(tǒng)連續(xù)非連續(xù)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于點(diǎn)-面接觸的剛度罰值法，采用增強(qiáng)型NBS接觸判別，在C++上自主開發(fā)了多尺度（宏細(xì)觀）連續(xù)非連續(xù)數(shù)值軟件，大大提高了計(jì)算效率，即使對(duì)于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不規(guī)則模型，也能達(dá)到較高的計(jì)算效率和判別精度。同時(shí)考慮巖石結(jié)構(gòu)的多尺度特征，建立了以晶相為基礎(chǔ)的真實(shí)結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)了巖石礦物的穿晶和沿晶斷裂現(xiàn)象。基于上述方法，系統(tǒng)性的研究了巖石細(xì)觀非均質(zhì)特征（如晶體尺寸，分布特征，礦物形態(tài)及礦物成分）對(duì)其宏觀力學(xué)特征，裂紋成核，起裂，擴(kuò)展和聚合的影響（如圖1）。研究結(jié)果表明：巖石裂紋起裂應(yīng)力和損傷應(yīng)力是由礦物非均質(zhì)性決定的固有屬性（如圖2）。初始裂紋主要為晶間拉伸裂紋，由晶體間分布的非均勻拉應(yīng)力導(dǎo)致，而穿晶剪切裂紋將耗散大部分能量，導(dǎo)致大規(guī)模微裂紋聚合和擴(kuò)展。同時(shí)，增加礦物晶體的尺寸將進(jìn)一步導(dǎo)致非均勻應(yīng)力分布，降低材料的破壞強(qiáng)度。晶體形態(tài)在晶?；ユi中起著重要作用，均勻分布的礦物晶體產(chǎn)生均勻的微觀應(yīng)力場(chǎng)，增加了巖石的起裂應(yīng)力閾值。同時(shí)借助石英-云母-長石分布圖，進(jìn)一步討論了礦物成分與巖石宏觀力學(xué)性能之間的定量關(guān)系（如圖3）。

圖 1 基于真實(shí)結(jié)構(gòu)建模的連續(xù)非連續(xù)數(shù)值方法

圖 2 不同圍壓條件下巖石起裂應(yīng)力，損傷應(yīng)力和峰值強(qiáng)度變化

圖 3 不同礦物成分對(duì)巖石應(yīng)力特征的影響

　　本研究獲得國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(No. 51439008 )、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No. 51679231) 和國家留學(xué)基金委建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目（No. 201604910678）資助，相關(guān)成果發(fā)表在Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering上。

　　論文信息：Li XF, Li HB, Zhao J (2021) Transgranular fracturing of crystalline rocks and its influence on rock strengths: Insights from a grain-scale continuum–discontinuum approach. Comput Methods Appl Mech Eng 373:113462

　　論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045782520306472

（文/圖 巖體工程動(dòng)力響應(yīng)組）