岩石断裂一直是岩石工程的一个核心问题。岩石宏观力学属性决定于细观结构。为了探索岩石细观结构与宏观断裂性能之间的关系，并建立多尺度本构模型，进行了理论与试验研究。以大理岩为岩样，通过三点弯曲梁试验测得了宏观断裂能。通过SEM电镜扫描和图像处理技术分析了细观结构图。发现岩石颗粒界面网络结构及颗粒粒度分布都具有很强的分形特征。界面结构分形维数和粒度分布维数分别与宏观断裂能呈很强的二次方关系和线性关系。断裂能随着两种分形维数增加均增大，表明细观颗粒优化级配及界面结构应满足分形维数最大化，以增强宏观断裂韧度。根据细观结构特点，在虚内键(Virtual Internal Bond-VIB)理论基础上对岩石进行了多尺度本构建模。将细观颗粒抽象为几何点，颗粒之间通过VIB相连。为了反映颗粒之间的微裂隙，认为VIB满足两点分布。在裂隙处VIB系数取0，其它取1。通过该方法可以有效地将微裂隙效应引入宏观本构。为了有效地描述细观颗粒之间的压剪破坏机理，引入了微观Mohr-Coulomb准则，基于该准则的宏观本构可以有效地再现岩石三轴抗压强度和破坏特征。为了综合反映颗粒之间的剪切效应，建立了广义Stillinger-Weber势函数，同时考虑了键长和键角作用，使宏观本构方程更能全面地反映细观断裂机理。为了建立适用于大变形断裂分析的宏观本构，以离散键元胞代替岩石代表单元体，建立了离散虚内键(DVIB)本构模型。由颗粒之间相互作用直接导出了键元胞的本构关系(力-位移关系)，从而可以使DVIB直接模拟大位移、大变形岩石断裂破坏问题。为了反映不同细观断裂机理，元胞的本构关系分别基于两体势、广义SW势函数及弹脆性SW势函数，使宏观本构模型能够有效地模拟岩石动态断裂过程。为了解决DVIB的单元尺寸敏感性问题，提出了超弹双线性势函数来描述颗粒之间相互作用，考虑了微观断裂的尺度效应。完善了单元劈裂法(EPM),考虑了劈裂单元的体变形问题和裂尖单元问题。与扩展有限元(XFEM)相比，EPM同样可以在不用重构网格的情况下对裂纹扩展进行模拟，但却没有引入任何额外自由度。其原因在于EPM采用线性外推插值技术而非结点富集(Nodal Enrichment)技术。研究成果揭示岩石细观结构几何特征与宏观断裂能之间的相关性，为岩石断裂破坏分析提供了一套微宏观本构理论与计算方法。 2100433B