岩石的破裂可以为两类:一类是有益的,即通过对岩石的破坏实现建筑物的拆除、巷道的开挖以及矿床的开采等;另一类是有害的,即非预期的岩石断裂导致的建筑物失稳,桥梁的断裂、楼房的倒塌等。因此对岩石破裂的研究具有现实意义。岩石常被认为是连续体,因此基于连续介质力学的有限单元法常用来模拟岩石的破裂过程。然而由于大量裂隙的存在,岩石被离散成很多块体,因此基于非连续介质力学的离散单元法也被用来模拟岩石的破裂过程。随着应力的增加,岩石首先出现变形和损伤,然后出现断裂,最终变为碎石。有限单元法能够模拟岩石的变形与损伤,而离散单元法能够模拟岩石的裂纹产生及碎石的分离。相反的,由于对岩石介质的假设不同,有限单元法在模拟岩石的破裂与离散单元法模拟岩石的损伤都存在不足。因此,为了实现岩石破裂全过程的模拟,本文研究了有限单元与离散单元混合模型来模拟岩石的整个破裂过程。主要研究工作如下:(1)构建有限元与离散元混合模型。首先岩石破裂问题被视为非连续介质力学问题,采用离散单元法来模拟,而每个离散体或离散单元被视为连续介质力学问题,采用有限单元法来模拟。然后,在离散单元或离散体中加入可破裂的粘结单元,从而使得离散体或离散单元可以再次破裂。因此岩石破裂问题被分为三个阶段:整体离散单元法模拟、个体有限单元法模拟、个体破裂后离散单元法模拟。通过有限单元法与离散单元法有机的结合实现了岩石破裂整个过程的模拟。(2)平面问题断裂模式的研究。岩石的平面断裂模式分为Ⅰ型断裂、Ⅱ型断裂及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂。在本论文中,岩石的破裂通过粘结单元的变形和剔除来实现。而粘结单元的变形与剔除与岩石的强度和能量释放率相关,岩石的强度用于控制裂纹开裂的开始,而能量释放率用来控制裂纹开裂的完成。从而使有限元与离散元混合模型可以实现对平面问题中所有断裂模型的模拟。(3)岩石静态荷载下破裂模拟,即有限元与离散元混合模型的验证。首先进行了岩石静态荷载下的巴西劈裂试验和单轴压缩试验,然后采用试验获取的参数模拟了静态荷载下岩石的这两种试验。对数值模拟结果从岩石的破裂形态、应力-位移曲线、岩石的强度、岩石内部应力分布进行了对比来验证混合模型。最后模拟了纯Ⅰ型断裂、纯Ⅱ型断裂和Ⅰ-Ⅱ复合型断裂,将断裂模式与试验结果对比来验证混合模型。以上验证表明,有限元与离散元混合模型能够更加真实地模拟岩石破裂的整个过程,其强度值、韧度值及应分布都更加接近真实情况。(4)岩石动态本构关系的研究。岩石动态荷载下破裂与静态荷载下的破裂并不相同,一方面应力与应变曲线的关系发生变化,另一方面强度与韧度值随加载速率变化。本文应用霍普金森压杆进行了一系列试验,获取了岩石在动态冲击下的应力与应变曲线;然后在粘弹性材料动态本构模型的基本上构建了岩石的动态本构模型;最后通过曲线拟合方式获取了岩石动态本构模型中的参数。本文将岩石的动态本构模型应用于有限单元与离散单元混合模型中,从而使混合模型能够进行岩石的动态破裂的模拟。随后应用有限元与离散元混合模型模拟岩石动态冲击下巴西劈裂过程与单轴压缩过程。模拟结果反映的岩石动态特性与试验结果在趋势上相同。(5)有限元与离散元混合模型岩石爆破模拟研究。对混合模型中的粘结单元进行了修改,使气体可以贯穿,并对气体与粘结单元之间相互作用做了规定,使其符合气体与固体耦合的力学行为,从而构建了岩石的气固耦合模型。应用有限元与离散元混合模型模拟漏斗爆破,模拟出了应力波传播过程及在自由面处的反射,模拟出了破碎区、径向裂隙区和弹性震动区。其模拟破碎区大小与经验公式计算结果相一致,因此有限元与离散元混合模型能够合理地再现爆破引起的岩石的破裂破碎整个过程。随后模拟了瞬时与延时爆破,模拟出了两个炮孔之间的相互作用,反映了瞬时与延时爆破的特点。最后应用混合法模拟了崩落采矿过程,模拟出了矿块破碎及堆积的整个过程,展示了有限元与离散元混合模型在采矿中的应用潜能。