在中国交通运输快速发展的背景下,隧道已成为交通基础设施不可或缺的一部分,隧道建设在全国各地尤其是西部地区如火如荼地开展起来。岩石、混凝土是隧道建设中涉及的两种主要材料,它们的力学性能研究对于隧道建设具有至关重要的意义。一般情况下,硬岩和混凝土材料的抗拉强度远小于抗压强度,常在较小的拉应力下发生断裂破坏。因此,硬岩、混凝土等准脆性材料的断裂破坏性能研究是其力学性能研究的关键组成部分,是在隧道建设中成功应用这两种材料的重要基础。当隧道建成投入使用后,由于混凝土本身特性及周围环境的影响,隧道结构难免会出现各种尺寸、形态的缺陷,将严重威胁结构正常使用。因此,研究混凝土等材料的缺陷修复技术是交通隧道安全运营的保障。本文从硬岩、混凝土等准脆性材料的断裂过程出发,综合采用技术调研、理论分析、室内试验、数值模拟等研究手段,针对准脆性材料断裂破坏性能预测方法及缺陷修复技术展开了尺寸效应、断裂过程区应力分布、边界效应模型、硬岩和混凝土试件断裂破坏性能的离散规律、试件尺寸和形状等因素对断裂破坏性能预测结果的影响、微观结构在准脆性材料断裂过程中的作用、基于小试件的断裂破坏性能预测大试件的断裂破坏荷载的可行性、准脆性材料微缺陷修复技术等研究。本研究从断裂过程区着手,以边界效应模型为基础,对裂缝尖端附近区域的应力分布进行分析,得到了准脆性材料的断裂破坏性能预测方法,随后分别以硬岩、混凝土为介质研究了各种因素对预测结果的影响,最后根据准脆性材料断裂特点提出了相应的断裂修复技术。本论文主要研究工作和研究成果体现在以下几个方面:(1)从交通隧道的角度分析了准脆性材料断裂破坏性能预测方法及缺陷修复技术研究的必要性。系统地整理分析了断裂力学发展过程及主流的准脆性材料断裂模型、准脆性材料断裂数值模拟方法、准脆性材料缺陷修复技术的研究现状,为本文后续研究工作指明方向。(2)采用经典强度理论计算不同尺寸试件的强度具有尺寸效应,从断裂力学角度分析了产生这种现象的原因。借鉴虚拟裂缝模型中的方法,对裂缝尖端附近区域的应力分布进行分析,基于边界效应模型推导了简单、易用的单参数断裂模型,并提供了一个用于确定表征准脆性材料断裂破坏性能的参数和预测不同尺寸、形状试件断裂破坏荷载的方法。(3)开展了平均颗粒粒径为2.0mm的花岗岩和平均颗粒粒径为0.35mm的中砂岩的三点弯曲断裂试验。首先,采用单参数断裂模型计算了花岗岩的断裂破坏性能,并对断裂破坏性能的离散性进行分析,计算结果服从正态分布。因此,可以将正态分布分析方法与单参数断裂模型结合起来预测硬岩材料的断裂破坏性能。研究了试件的大小、形状及缝高比等因素对硬岩断裂破坏性能预测的影响,结果表明:岩石断裂破坏性能预测结果较为准确,是个仅与材料相关的常数,与试件尺寸、形状、缝高比等因素无关。同时,验证了在确定岩石平均骨料粒径时存在的误差对断裂破坏性能预测准确性的影响可以忽略。对于小颗粒粒径的中砂岩而言,当试件尺寸达到300mm时,其断裂过程符合线弹性断裂力学范畴,采用单参数断裂模型同样可以得到近似的结果。需要注意的是,在无预制裂缝的小试件断裂分析时,其等效初始裂缝长度是一个大于零的数。(4)开展了混凝土三点弯曲断裂试验,采用单参数断裂模型对每个试件的断裂破坏性能进行计算。对混凝土试件的断裂破坏性能的离散性进行分析,计算结果同样服从正态分布。随后,借助正态分布分析方法与单参数断裂模型结合的方法,研究了试件尺寸、形状、缝高比等因素对混凝土断裂破坏性能预测结果的影响,研究结果与硬岩材料相似,断裂破坏性能仅随着骨料粒径的变化而变化。最后,结合混凝土结构安全评价标准,提出了以裂缝深度为指标的评价方法。(5)基于混凝土双轴压缩实验获得的细观参数,采用颗粒流离散元软件建立混凝土断裂预测数值模型。参照第四章建立混凝土断裂试验模拟工况,模拟混凝土断裂过程,并结合单参数断裂模型计算断裂破坏性能。结果表明:采用颗粒流离散元软件模拟混凝土等准脆性材料断裂试验,不仅可以反映出材料断裂过程,还可以精确地预测其断裂破坏荷载,采用单参数断裂模型计算的断裂破坏性能与室内试验吻合度较高。在计算机硬件允许的前提下,颗粒流离散元软件在大尺寸准脆性材料试件断裂模拟上具有明显的优势。(6)分析了既有的准脆性材料修复技术的优点与不足,结合准脆性材料断裂破坏特点,提出了针对待修复基体中微缺陷的修复方法。对比采用不同方法修复试件的二次断裂破坏性能、断裂路径及微观观测结果,可以得出:预喷涂法能够有效地修复基体中微缺陷,大幅度地提升修复效率。此外,还研究了准脆性材料微观结构对于预喷涂法的修复效率的影响。本文关于硬岩、混凝土等准脆性材料断裂破坏性能预测方法及缺陷修复技术的系列研究,从断裂力学角度为隧道等地下工程的施工过程及结构安全评价提供了理论支撑,为我国病害隧道的修复技术提供了范例,也为国内外其他类似地下工程提供了可以借鉴的理论依据和经验,必将推动我国地下工程建设及运营技术的发展。