概述 当材料在任意荷载作用下出现应力引起的新裂纹时，材料的应力状态会发生显著变化，应力的重分布将导致脆性岩石材料中原有裂纹发生扩展、钝化或改向，对材料的强度产生影响。由于循环加载和疲劳效应，在较小荷载作用下脆性材料就可能发生破坏，这种破坏属于材料的“疲劳”破坏。地铁隧道边墙、大坝、巷道顶板、桥梁和路基等在循环/重复荷载作用下均可能发生劣化。 损伤力学研究一般关注水平和竖直变形/应变，而这些变形是微/纳裂纹形成和扩展的结果。本研究结合试验与扫描电子显微镜（SEM）、计算机层析成像（CT）技术对断裂过程区（FPZ）进行观察和分析，探索断裂韧度（KIC）与循环载荷的关系。 试验和模拟 按照 ISRM 标准开展巴西圆盘试验和断裂韧度试验，在静力和重复加载测试下均重复 5 次。用于巴西圆盘试验的岩石试样为凝灰岩。岩石试样的单轴抗压强度（UCS）为 123 MPa，巴西圆盘试样直径为 51 mm。V 型切槽巴西圆盘（CCNBD）试样中存在切槽裂纹，适用于各种断裂型加载。 图1：CCNBD 试样及其几何参数 开展采用径向间接拉伸应力的重复加载试验，正弦加载试验中荷载频率为 1 Hz。正弦循环加载试验从约 2/3 材料抗拉强度的高应力水平开始，然后将施加荷载降低约 10% 直到试样在较低应力水平下不再断裂，此时的应力水平称为试样的疲劳极限。 数值模拟中的非均质性采用扩展有限元法（XFEM）和 Simpleware 软件实现。将 CT 图像数据导入 Simpleware 软件进行图像处理，量化测试样本中 FPZ 的微断裂体积/面积，生成高质量的网格模型用于 ABAQUS 软件中的数值模拟。 结果与讨论 在线弹性断裂力学（LEFM）理论中，裂纹尖端应力情况可由3 种常见的断裂状态表征，对应为 I 型（拉伸应力）、II 型（剪切应力）和III 型（撕裂应力）裂纹扩展模式。材料的断裂模式属于上述哪种取决于裂纹几何形态及表面位移。I 型断裂条件下，由裂纹尖端开始，裂纹表面预计产生一个开口；II 型断裂条件下，裂纹面产生面内滑移；III 型断裂条件下，由于裂纹面外剪切作用，裂纹面垂直于裂纹轴线移动。 拉伸强度和断裂韧度 取 5 个试样测试结果的平均值，得到静态巴西拉伸强度为 11 MPa，静态 I 型（拉伸）断裂韧度为 1.48 MPa·m1/2。巴西圆盘试样和 CCNBD […]
