普通混凝土和钢纤维水泥砂浆(SFRC)均为典型的水泥基复合材料,其内部结构的细观非均质性对材料宏观性能影响显著,采用普通的宏观力学试验或均质的数值模型难以分析内部各相介质(骨料、基体、界面和纤维)对试件宏观性能的影响。定向钢纤维水泥砂浆(ASFRC)作为一种典型的各向异性材料,目前,对其断裂失效特性以及定向纤维的阻裂增韧机理尚缺乏充分的研究。因此,本文通过建立宏细观数值模型,开展以下关于水泥基复合材料断裂失效机理的研究:(1)将裂缝扩展区看作细观非均匀材料,建立了混凝土细观有限元模型。采用扩展有限元法模拟混凝土细观断裂全过程。在验证细观模型可靠性的基础上,进而研究了骨料分布以及含量对裂缝扩展的影响。结果表明:不同骨料分布对峰值荷载及裂缝扩展路径影响较小,但对P-CMOD曲线的下降段影响较大,骨料含量只在局部范围内影响裂缝的扩展路径,结构整体的裂缝扩展方向几乎不受影响。(2)利用混合同余法生成随机数模拟钢纤维的位置坐标,基于本文设计的纤维相交判定准则,建立了三维钢纤维水泥砂浆数值模型;对模型截面的纤维含量进行统计并与试件截面统计的结果进行对比。考虑钢纤维与砂浆基体的粘结滑移作用,基于扩展有限元法,模拟了不同纤维体积掺量的ASFRC试件轴拉断裂全过程。结果表明:模型截面钢纤维含量与试验统计结果较为一致,模拟得到的全曲线结果与试验结果对比较好,纤维掺量较高的ASFRC试件在单轴拉伸作用下呈现多裂缝扩展破坏。(3)基于粘聚裂纹模型模拟了ASFRC三点弯曲梁断裂全过程并与已有试验结果进行对比。研究了基体不同粘聚律对ASFRC弯曲断裂全过程的影响。分别模拟了不同尺寸以及纤维呈不同角度定向分布试件的断裂全过程。结果表明:ASFRC弯曲梁的数值结果与试验结果对比较好,粘聚律的变化对断裂全曲线影响较小;随着试件尺寸的增大,ASFRC三点弯曲梁的宏观名义强度存在一定的尺寸效应;纤维分布方向与主拉应力的夹角超过60~o时,对水泥砂浆试件弯曲断裂的峰值荷载增强不显著。(4)基于考虑加载率效应的粘聚裂纹模型以及等效纤维本构关系,建立VUMAT子程序模拟了SFRC和ASFRC三点弯曲梁冲击断裂失效全过程。对比分析了加载速率对SFRC和ASFRC三点弯曲梁抗冲击性能的影响。结果表明:在冲击荷载作用下,ASFRC试件内的纤维所耗散的总能量显著高于SFRC试件,纤维定向可显著提高水泥基复合材料抵抗冲击破坏的能力。随着落锤冲击速率的提高,定向纤维的耗散能最大值逐渐增大,而乱向纤维的耗散能最大值略有下降,且定向和乱向纤维的耗散能曲线达到峰值后出现陡降过程,曲线下降段与低速加载的结果接近。