巖石主要由晶體形態(tài)存在的礦物及少量非晶質膠結物組成，其成因和賦存環(huán)境對巖石的礦物成分，晶體形態(tài)及界面結合產生重要影響。巖石材料在不同研究尺度上表現(xiàn)出不同的力學特征，研究其內部礦物結構及細觀非均質特征，對于了解巖石斷裂損傷，裂紋孕育演化機制和破裂特征具有重要意義，也是保證巖石工程合理設計和安全控制的重要依據(jù)。

　　數(shù)值方法是量化評價巖石微觀結構對宏觀力學特征影響的有力工具。傳統(tǒng)有限元法難以實現(xiàn)巖石介質在外力作用后出現(xiàn)破裂、失效及分離的全過程。離散元法雖然能反映巖體結構的非連續(xù)特征，但因全局接觸判別效率不高，很難實現(xiàn)工程尺度規(guī)模的計算，尤其三維條件下的接觸形式復雜，塊體接觸力計算繁瑣，大大限制了離散元方法的推廣應用。Munjiza提出的連續(xù)非連續(xù)通過定義勢函數(shù)來計算塊體之間的重疊區(qū)域，進一步根據(jù)NBS接觸算法得到接觸力。但由于勢函數(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)方法的基礎上，結合基于點-面接觸的剛度罰值法，采用增強型NBS接觸判別，在C++上自主開發(fā)了多尺度（宏細觀）連續(xù)非連續(xù)數(shù)值軟件，大大提高了計算效率，即使對于網格結構不規(guī)則模型，也能達到較高的計算效率和判別精度。同時考慮巖石結構的多尺度特征，建立了以晶相為基礎的真實結構模型，實現(xiàn)了巖石礦物的穿晶和沿晶斷裂現(xiàn)象?；谏鲜龇椒ǎ到y(tǒng)性的研究了巖石細觀非均質特征（如晶體尺寸，分布特征，礦物形態(tài)及礦物成分）對其宏觀力學特征，裂紋成核，起裂，擴展和聚合的影響（如圖1）。研究結果表明：巖石裂紋起裂應力和損傷應力是由礦物非均質性決定的固有屬性（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力導致，而穿晶剪切裂紋將耗散大部分能量，導致大規(guī)模微裂紋聚合和擴展。同時，增加礦物晶體的尺寸將進一步導致非均勻應力分布，降低材料的破壞強度。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生均勻的微觀應力場，增加了巖石的起裂應力閾值。同時借助石英-云母-長石分布圖，進一步討論了礦物成分與巖石宏觀力學性能之間的定量關系（如圖3）。

圖 1 基于真實結構建模的連續(xù)非連續(xù)數(shù)值方法

圖 2 不同圍壓條件下巖石起裂應力，損傷應力和峰值強度變化

圖 3 不同礦物成分對巖石應力特征的影響

　　本研究獲得國家自然科學基金重點項目(No. 51439008 )、國家自然科學基金面上項目(No. 51679231) 和國家留學基金委建設高水平大學公派研究生項目（No. 201604910678）資助，相關成果發(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 巖體工程動力響應組）