岩石材料内部构造十分复杂,具有明显的非线性力学行为。许多研究成果表明能量的释放是岩石产生破坏的本质原因,其变形及破坏过程中存在多种能量耗散、转化及释放机制。由于现有实验手段和测量技术有限,目前大都以规则岩样展开研究,对非规则岩石颗粒破坏时内部能量机理特性的研究很少。本文依托国家自然科学基金面上项目《颗粒接触蠕变破损对堆石料宏观流变行为的影响》(项目号:11372230),从室内试验和数值模拟仿真两个角度出发,对非规则颗粒尖端接触破碎过程中的能量特性进行了探究。主要研究成果如下:(1)对非规则灰岩颗粒完成浇筑处理后进行单轴压缩接触破碎试验,由其破碎位移及荷载曲线提出三种破碎类型及三个破碎阶段,分析指出不同破碎类型及破碎阶段岩石尖端能量吸收和耗散的特点。统计颗粒破碎时脱落的质量得到破碎量占原有质量的比例,定义破碎比、储能密度等参量。同时由位移荷载曲线计算得到破碎时外荷载的做功量。对破碎比、储能密度与外荷载做功量进行拟合,发现外荷载做功越大则岩石颗粒破碎时破碎比越大。同时,岩样储能密度越大,破碎比也更大。侧面说明岩石破碎的本质是能量的吸收和释放。(2)引入分形维数的概念对颗粒尖端形貌的不规则程度进行表征,分维数越大颗粒尖端形貌越不规则。利用三维光学扫描设备得到岩石尖端表面云数据,编程计算得到其分形维数,发现尖端表面分形维数同样存在多重分形效应的特征。联系颗粒尖端分形维数与其破碎时吸收的外力功,发现分维数越大,破碎时吸收的外力功越小。即表明尖端形貌越不规则,换取其破坏所需的能量越少。(3)使用声发射设备监测各岩样接触破碎试验中岩石内部的能量活动,处理得到事件计数、能量计数及其累积量随时间的变化曲线。所得声发射参数累积曲线产生突增的时间点和位移曲线十分吻合。分析指出了声发射接收所得的绝对能量计数与岩石尖端表面分维数之间的联系,分维数越大则绝对能量计数越大。表明颗粒尖端越不规则,外荷载作用时其内部的能量耗散和转化机制越活跃。(4)选择基于非局部理论的近场动力学方法对尖端接触破碎行为进行数值模拟。通过简单介绍其基本理论,开发相应的f90程序实现模拟计算。基于三维光学扫描得到的岩石尖端表面数据,开发Matlab程序计算得到其近场动力学模型。数值结果表明尖端破碎过程中存在多次的应变能聚集和释放行为,最后一次应变能积聚值最大且释放最彻底。在模型中设置初始缺陷会影响其能量释放行为,第二次能量释放时存在明显的突降段。后期裂纹会沿初始缺陷面进行扩展。从物质点位移分布图上可以明显观察到裂纹的扩展情况。