大自然中的岩石受到长期地质结构和复杂物理与地质环境影响,表现为非均质、不连续等复杂特性。岩石的力学行为受其微观结构的控制,断裂破坏等复杂的宏观行为都是由微观结构相互作用引起的。在岩土工程的计算分析中,常采用离散元方法分析岩体的复杂力学特性,提出一种能够表征不同类型岩石力学特性的数值计算模型,并实现构建大尺度精细化模型的数值方法,对深入研究岩体的细观破裂特征,分析深部硐室围岩宏观破裂规律等方面具有重要意义。本文通过开展完整与含裂隙花岗岩试样的单轴抗压强度试验与巴西圆盘劈裂试验,研究了不同裂隙试样的强度变化规律,分析了试样细观破裂特征与裂纹扩展规律;基于颗粒流理论,提出可变半径比例Clump模型构建方法,通过细观参数敏感度分析,探讨了结构及参数对岩石试样拉压特性的影响;利用可变半径比例Clump模型构建方法,构建了渐变颗粒密度的深部硐室数值计算模型,分析了深部硐室围岩宏观破裂的规律。取得的研究成果如下:（1）分别对完整与含裂隙花岗岩试样进行单轴抗压强度与巴西圆盘劈裂试验,获得应力-应变曲线,以及单轴抗压强度、抗拉强度、峰值应变及弹性模量等力学参数,研究各种岩样的强度变化规律与裂纹扩展规律,获得了完整与含裂隙花岗岩试样的破裂特征。（2）基于颗粒流理论,提出适用于岩石类材料的可变半径比例的Clump模型构建方法,分析模型细观力学参数对拉压特性的影响,通过细观参数敏感度分析,构建花岗岩数值模型并进行参数标定,通过数值计算和验证可知,数值模拟与室内试验的结果吻合度较高,可为研究岩石材料的细观破裂特征提供参考。（3）基于可变半径比例的Clump模型构建方法与所标定的模型参数,构建渐变颗粒密度高应力深部硐室数值模型,研究模拟开挖后巷道围岩的应力场与微裂隙场演化及破裂区的范围和形状,并与实际工程进行对比分析,研究高应力条件下硐室围岩局部失稳的规律,结果表明,所建立的模型能够较为合理的反映高应力硐室围岩的破坏特征,可为类似深部开采工程研究提供参考。该论文有图70幅,表7个,参考文献96篇。

软岩工程是资源开采工程中的重要组成部分之一,软岩峰后不仅表现出应变软化特性,还具有明显的蠕变变形特性,软岩流变变形扩展的时间效应及强度衰减特性是影响地下软岩工程长期稳定性的关键因素。因此,研究软岩的蠕变力学特性和蠕变变形规律,对工程的安全和长期稳定性具有十分重要的意义。本文以泥岩为研究对象,研究泥岩蠕变损伤力学机制,通过常规一系列泥岩常规单轴、三轴压缩试验及泥岩单轴、三轴压缩蠕变试验,获得泥岩在不同围压条件下的全应力-应变曲线、蠕变曲线,根据泥岩全应力-应变曲线和蠕变曲线,获得泥岩基本物理力学参数,研究其蠕变变形规律。主要研究成果如下:（1）采用非线性拟合方法对泥岩蠕变曲线进行拟合分析,获得泥岩软化模量及粘塑性参数随围压变化的方程式,以泥岩塑性参数作为蠕变损伤变量,基于Mohr-Coulomb应变软化模型,构建泥岩非线性蠕变与应变软化复合作用损伤力学模型;（2）泥岩峰值后表现出明显的脆延性破坏特性,通过拟合方法获得的粘塑性蠕变参数对围压十分敏感,采用FLAC3D进行数值求解,并与实验数据对比分析,验证模型的可靠性。（3）构建的泥岩强度参数随塑性剪切应变非线性变化的蠕变损伤模型,不仅可以反映泥岩峰值后的强度衰减特征,还可以表征泥岩峰值前的蠕变损伤特性,数值计算结果与室内实验数据具有较好的吻合度。以上研究成果可为深入研究软岩流变大变形特性提供一定理论支撑。该论文有图38幅,表9个,参考文献55篇。

我国基础设施建设日趋完善,公路铁路等技术不断输出国外,其中高质量、高效率和高创新的隧道建设工程享誉全球,逐渐在国际舞台上占据主导地位,在隧道工程快速发展的同时,也面临着高地应力、软弱围岩和穿越破碎断层等各种复杂工程环境所带来的艰巨挑战,隧道支护结构稳定性的合理高效分析更成为保障工程质量的重中之重。因此,深入研究隧道围岩-支护结构稳定性,提出定量评价方法,对提高工程质量具有重要意义。本文以收敛-约束理论为基础,提出新奥法隧道支护结构约束效应和数值计算中模型的边界效应。基于FLAC3D软件开发可破裂式衬砌模型（Rupturable Lining,简称RL）,并开展室内混凝土抗压及抗折强度试验对RL模型进行分析;开发可破断式锚杆模型（Rupturable Cable,简称RC）,开展室内锚杆拉拔试验,对RC模型进行验证分析。依托于川藏铁路米林隧道工程,开展数值计算和现场监测,验证模型的可靠性。取得的研究成果如下:（1）通过分析支护约束效应,常规二维数值模型计算与实际工程之间存在一定偏差,通过对比二维模型与三维模型计算结果可知,二维模型计算所得到的结构支护强度偏大,在进行计算时二维数值模型的应力释放量应增加支护约束效应产生的虚拟支撑力,其取值范围为初始应力的3%～5%。（2）将可破裂型混凝土衬砌RL模型及可破断型锚杆RC模型与混凝土抗折强度、混凝土抗压强度及锚杆拉拔等室内试验进行对比验证,结果显示数值模型破坏特征与室内试验基本相同,且所得应力变化曲线趋势相近。RL模型及RC模型保存了Liner单元及Cable单元的力学传递机制,还能表征出结构支护结构受力及破坏特征,更加适用于工程稳定性分析。（3）对米林隧道工程现场混凝土衬砌内部应力进行监测,通过监测结果与数值计算结果对比分析可知,三维数值模型的边界效应影响范围接近1.5倍隧道跨度,考虑边界效应的计算结果更加符合工程实际情况,可破裂式支护单元能够反映实际工程中混凝土衬砌的受力特征,能够为隧道工程稳定性定量化评价提供支撑。

在山区隧道掘进工程中,高陡边坡及软弱破碎围岩是引发洞口边坡失稳或支护结构破裂的主要原因。因此,对复杂地质条件高陡边坡洞口区的稳定性及控制研究尤为重要。本文以宝山隧道高陡边坡洞口区为工程依托,针对其隧道的地质概况,分析隧道潜在的破坏模式,进行室内试验分析获得围岩的力学参数;建立生态脆弱区高陡边坡三维地质模型,基于FLAC3D内嵌FISH语言构建超前支护+锚喷联合支护模型,分析不同开挖与支护条件下隧道洞口与边坡的作用机制;对隧道洞口区围岩及边坡的变形进行监控量测,最终确定强震区隧道洞口高陡边坡的加固方式。论文主要研究成果如下:（1）通过采用工程地质分析方法,结合宝山隧道地质特性,分析了宝山隧道高陡边坡洞口区的几种可能性破坏模式。通过对隧道区围岩试样进行力学特征试验分析及锚固试验分析获得围岩及支护结构的力学参数。（2）基于有限差分软件FLAC3D对隧道洞口区进行数值模拟,基于三种不同开挖工法对隧道围岩及洞口边坡的影响效应进行分析,研究表明:隧道施工时,CRD法开挖产生的围岩扰动小于三台阶法及环形预留核心土法开挖,且隧道的位移变形主要来自拱顶沉降。对洞口高陡边坡稳定性数值计算分析表明,高陡边坡在CRD工法下不存在连续滑移面,且边坡安全系数较大,整体处于较稳定状态。（3）通过模拟分析宝山隧道洞口区控制措施可得,洞口区边坡在坡面锚索加固后产生的竖向变形较加固前相应减少,边坡不产生潜在滑移面,且边坡的安全系数有所提高,边坡整体处于稳定状态,说明隧道洞口围岩及边坡的加固能够有效提高工程安全稳定性。（4）根据隧道工程现场监测的目的及意义,围绕现场隧道地质地形条件、施工方法和加固控制方式等,制定了宝山隧道洞口围岩及边坡的监测点及监测方案,将数值计算曲线与现场监测曲线对比可得,数值模拟与现场监测曲线走势基本一致,其中现场监测数值大部分大于隧道数值模拟变形,其原因是由于现场实际地质情况复杂,考虑因素众多,所以整体的变形量较大,在此基础上校核了数值模拟对宝山隧道的适用性。该论文有图61幅,表14个,参考文献64篇。

随着我国公路与铁路隧道的不断发展建设,隧道软弱围岩的支护结构设计与施工中面临的稳定性问题十分突出。隧道软弱围岩因其强度差从而造成的围岩变形量大、变形持续时间长、变形速度快,严重影响隧道的施工工期,甚至可能发生支护结构破坏、隧道失稳等危险事故。产生以上问题的主要原因是对隧道软弱围岩变形机制、变形规律、等认识不足,没有采用合理可行的控制方法。针对以上问题,在前人研究成果的基础上,通过对现场的支护结构破坏特征进行分析,探讨了对节理软岩隧道变形的影响;对现场岩石进行取样,进行了室内单轴、三轴压缩试验,分析了泥岩的力学性质;以Hoek-Brown准则为基础,将量化的GSI围岩评级系统与宏观连续介质理论之间建立联系,将Hoek-Brown参数转变为Mohr-Coulomb参数;以收敛-约束法为基础,得出围岩-支护结构相互作用曲线,分析隧道软弱围岩-支护结构的稳定性;以岩土变形控制方法为原理,基于不完全拱部效应理论,提出了优化支护结构设计方案;通过现场监测分析,验证优化支护方案的可靠性。并得出了以下重要结论:（1）对杨梅山隧道软弱围岩段初期支护结构的破坏特征进行分析可知,隧道初期支护钢架产生变形、初支混凝土破裂、钢筋网破坏,隧道软弱围岩-支护结构失稳的由多种因素的共同作用,主要因素包括围岩的强度、支护时机以及初期支护阻力的大小。围岩强度越低,围岩变形量;支护时机越晚,围岩变形量越大;支护阻力越大围岩变形量越小。（2）根据单轴和三轴压缩试验可以看出,泥岩的单轴抗压强度较低,呈现脆性破坏,单轴抗压强度在9~15MPa之间。构建围岩-支护结构特征曲线,得出隧道在拱顶及拱肩处的安全系数较低,隧道围岩易发生较大变形。（3）基于岩土变形控制方法及不完全拱部效应理论,对杨梅山隧道进行优化支护结构设计,通过对比分析,预约束与预加固措施在控制隧道围岩变形效果较好,故采用玻璃纤维锚杆及超前管棚对隧道进行预约束与预加固措施,通过围岩-支护结构特征曲线可知,优化支护结构设计方案具有良好的稳定性。（4）通过对杨梅山隧道的现场监测分析可知,原位观测结果显示断面前方的围岩为泥岩,岩性较差,而通过对围岩位移、围岩应力以及钢架内力的监测可知,随着隧道的开挖,隧道拱顶及左、右肩部变形量较大,围岩压力也较大,钢架的最大压力也出现在拱顶处,但位移量都在允许的变形范围之内,说明优化支护方案在软弱围岩段取得了成功。该论文有图60幅,表10个,参考文献80篇。