接触摩擦在工程实际中普遍存在,其属于非线性问题,而且一直是相对比较困难的重要研究课题。如何正确分析接触面受力变形机理、剪切破坏发生的位置、接触面的应力-应变关系、载荷的传递过程等,这对接触摩擦问题的研究至关重要。在目前的盾构隧道中,盾构管片由几块预制的钢筋混凝土块体拼装组成,管片块体与块体之间存在径向接头、环与环之间存在环向接头。在周围土体荷载作用下,管片块体间产生相互接触作用,这对盾构管片稳定性具有重要影响。并且接头处管片块体均贴有橡胶垫层,其为超弹性材料,使接头处管片块体间接触摩擦响应变得更加复杂。本文利用直剪试验研究橡胶垫层与混凝土接触面的接触摩擦特性;采用基于势能的PPR内聚力模型描述接触面接触摩擦特性,对直剪试验进行计算分析;通过三维有限元法结合内聚力理论研究隧道衬砌在荷载作用下的破坏规律,并与衬砌原型试验结果进行对比分析,探讨隧道衬砌在局部偏压、背后空洞和拱顶松弛地压条件下,隧道衬砌裂缝的分布、扩展规律和破坏形式;基于层级化模型思想,采用地层-结构法,建立盾构隧道二维层级化模型和和三维非连续模型,运用接触理论,研究管片径向和环向接头处接触摩擦响应对盾构管片稳定性影响。(1)混凝土与混凝土接触时,剪切应力随剪切位移变化过程可分为弹性阶段和塑性阶段。剪切应力达到峰值后,接触面仍处于较高的应力状态;而当混凝土试件贴有橡胶垫层后,基于橡胶垫层的材料特性,使剪切应力与剪切位移变化过程出现应变软化变形阶段。橡胶垫层尽管很薄,但是其为典型的柔性材料,在混凝土之间起到良好的缓冲作用。混凝土接头处的橡胶垫可以释放应力集中态,缓冲混凝土工程体的失稳破坏过程。混凝土与混凝土、带有橡胶垫混凝土接触面剪切应力峰值均随轴向应力的增加而增大;改进的Archard非线性摩擦幂次准则能够较好的描绘剪切峰值应力与轴向应力关系,两种接触面计算的准则参数k和m分别为1.37、0.99和4.55、0.33,为类似接触条件问题剪切应力峰值的估计和预测提供依据。在接触面未产生分离的条件下,混凝土与混凝土接触面的法向和切向接触刚度分别为28.95 MPa/mm、12.77 MPa/mm,带有橡胶垫层混凝土接触面的法向和切向接触刚度分别为35.85 MPa/mm、2MPa/mm,为盾构管片接头处接触摩擦特性的分析计算提供参考。(2)PPR内聚力模型中各指标均具有物理意义,且每个参数均由宏观断裂边界条件决定,可由试验结果计算得出,在描述破坏问题时具有优势。采用改进的PPR内聚力模型描述接触面接触摩擦特性,计算结果与试验结果具有很好的一致性,改进的PPR内聚力模型能够较准确地反映接触面剪切应力随剪切位移变化中各阶段响应,可用来描述类似的剪切破坏问题。(3)三维有限元法结合内聚力理论能够较准确再现了隧道衬砌在荷载作用下的破坏规律,较好的描述试验拱顶位移与荷载关系、隧道衬砌的裂缝分布和压溃现象,表明采用内聚力模型分析隧道衬砌裂缝及其破坏过程是可行的。局部偏压作用下,隧道衬砌产生破坏时的偏压荷载随着偏压范围的增大而减小,而隧道衬砌顶部相对位移随之增大。偏压范围较小时,隧道衬砌内侧首先产生主裂缝,隧道衬砌破坏形式表现为偏压范围中心处衬砌外侧压溃破坏。随着偏压范围增大,偏压范围两端隧道衬砌内侧出现压溃,其破坏形式为偏压范围端部衬砌外侧压溃形式;隧道顶部存在较小范围的围岩松弛时,隧道衬砌顶部内侧首先出现一条贯穿衬砌宽度的裂缝,其破坏形式为隧道衬砌顶部外侧压溃破坏。随着松弛地压范围增大,松弛压力范围两端衬砌内侧和衬砌顶部外侧首先出现局部压溃,隧道衬砌破坏形式呈现为松弛范围两端内侧压溃破坏,并且较大的松弛地压范围更容易使隧道衬砌产生裂损;隧道背后存在空洞时,隧道衬砌顶部内侧出现一条主裂缝,隧道衬砌两肩部内侧均出现压裂裂缝,隧道衬砌的破坏形式呈现为衬砌顶部外侧的压溃破坏。在一定背后空洞范围内,衬砌产生完全破坏时的荷载与衬砌顶部位移基本相同,背后空洞范围对隧道衬砌裂缝及破坏形式影响较小;对比隧道存在松弛地压和背后空洞两种工况,在相同地层条件下,背后空洞条件下隧道衬砌更容易产生裂损。(4)梁理论的使用具有一定的前提条件,利用其计算管片内力时存在较大误差,尤其时无法真实反映约束端应力分布,梁模型不能准确反映管片的受力性态。利用梁单元计算得出的管片截面弯矩值只有在管片顶部和底部局部区域与层级化模型相差较小,在管片其他位置误差较大;管片大部分位置截面轴力值偏大。层级化模型和均质圆环模型进行计算管片的变形形态相似,但是在径向接头附近管片变形具有明显的差异。径向接头处管片块体间的转动和错动明显大于管片其他位置处的转动、错动量,其使得径向接头处附近管片受力性态呈复杂的非线性分布。管片变形与管片径向接头处在隧道管片中位置相关,径向接头处细小结构对管片的变形有重要影响。橡胶垫层在管片之间起到了很好的缓冲作用,有效的解决了管片中可能出现的变形过大、应力集中问题,使盾构管片处在一个稳定的应力状态中。始发和到达区域管片是隧道衬砌系统中最薄弱的位置,需通过各种有效的工程措施来加强,以保证衬砌结构的使用寿命。(5)非连续模型与均质圆环模型管片变形趋势基本相同,但非连续模型接头处附近管片变形显著。在土体荷载作用下,非连续模型管片变形在径向表现为管片块体间的错动和转动;环向主要表现为管片块体间的相互错动,接头处变形与其所在位置相关。隧道管片径向和环向接头的存在使得接头处管片块体间产生相对错动和转动,管片位移明显大于其他位置管片,管片位移呈非连续分布。两种模型中隧道左右两侧帮部管片内侧呈受压状态,外侧为受拉状态;隧道底部和顶部管片内侧呈受拉状态,外侧呈受压状态。非连续模型中管片块体间产生相对错动和转动,使接头处局部位置管片出现应力集中区;同时局部管片应力得到释放,其应力值和受力范围均明显减小,隧道管片应力分布不连续。局部荷载作用下,隧道管片接头处管片块体间的接触摩擦作用对隧道管片受力变形影响显著。非连续模型中局部荷载主要由受荷载环管片承担,受荷载环管片局部变形较大,并且局部荷载影响范围较小,因而隧道管片局部位置更容易产生较大变形和破坏,从而威胁隧道管片整体的稳定性。