岩石是由多种矿物晶粒、孔隙和胶结物组成的混杂体。经过亿万年的地质演变和多期复杂的构造运动,使岩石含有不同阶次随机分布的微孔隙与裂纹。在宏观尺度上天然岩体又为多种地质构造面(节理、断层和弱面)所切割。这些重要特点表征岩石是一种很复杂很特殊的材料,它不是离散介质,也不是连续介质,而是属于连续与离散(或局部离散)的耦合介质。岩石破坏过程也可看成是其内部结构面形成、重构的过程,在这个过程中,微裂纹萌生、宏观裂纹形成、结构面贯通及沿接触面滑移等现象交织在一起。由于破坏过程的跨学科性、多层次性和状态方程不清,岩石破坏问题一直是研究的热点与难点。本文将岩石结构面空间分布的结构性、尺度的结构性与分形特征的结构性称为广义多层结构,分别研究了脆性岩石、岩石节理及非贯通节理岩体的多层结构模型,模型的数值计算通过ABAQUS平台内嵌子程序UMAT与UEL实现。具体内容有:(1)介绍了用户材料子程序(UMAT)与用户单元子程序(UEL)实现方法。包括:弹塑性比例因子计算、变子增量步的修正Euler显式应力积分方法、应力修正方法、刚度矩阵AMATRX与残余荷载矩阵RHS计算方法及计算流程等。为验证UMAT的有效性,将Drucke-Prager模型写入UMAT并与ABAQUS材料库Drucke-Prager模型进行对比,采用UEL将Cosserate介质弹塑性模型嵌入ABAQUS并进行性状分析。(2)介绍了基于渐近展开法的双尺度边值方程、切线模量计算方法及计算步骤,给出了有限元列式及计算流程。将细观统计模型与渐近展开法相结合,提出了脆性岩石双尺度计算模型。模型在细观尺度采用基于Rankine准则的弹脆性本构关系,并考虑材料的统计性,采用切线模量为零作为材料软化判据,软化后采用考虑复合模式的钝断裂带裂纹模型。采用双尺度计算方法不仅能得到非均质材料的有效性能,更重要的是不必引入虚拟的损伤参数,使材料宏观力学性状与材料真实物理进程相对应。(3)基于节理分形特征,将节理面分解为不同层次结构面,结合Plesha节理本构提出岩石节理多层结构模型。采用单层结构时,该模型退化为Plesha节理模型。模型将接触面的损伤与破坏拟为不同层次结构面渐次破坏的过程,能考虑界面滑移、剪损、压碎、分离等作用机理。通过将界面粗糙度定义为等效起伏角,模型能模拟节理循环剪切性状。模型适用于中低压力下岩体节理、也可用于分析结构物与围岩相互作用性状等。(4)基于共线非贯通节理岩体破坏机理,提出非贯通节理岩体多层结构模型。节理贯通时,该模型退化为Zienkiewicz节理材料模型。节理岩体多层结构模型包括节理滑移与节理扩展模型。节理滑移模型考虑节理细观形态;在节理扩展模型中,结构面剪切强度由节理剪切强度与岩桥强度共同组成,节理剪切强度体现为界面基本摩擦角与粗糙角,岩桥强度体现为等效粘聚力,等效粘聚力不断弱化的过程就是结构面由非贯通向贯通转化的过程。非贯通节理岩体多层结构模型假定岩桥为共面剪切破坏,模型适用于岩体节理共面并且岩桥长度远小于节理长度的情形。