昔格达组地层是我国西南地区特有的一种河湖相沉积半成岩,其工程地质情况较差。该地层多为(砂质)粘土岩与粉细砂岩或泥质粉砂岩互层,天然少水情况下承载能力尚可,遇水即易泥化崩解,围岩强度明显降低,较难自稳。随着十三五规划的逐步实施,在该地层中修建大断面交通隧道工程也逐渐增多,国内对昔格达组地层的围岩相关研究也刚刚起步,如何研究好围岩变形问题是解决昔格达组地层隧道安全掘进的重要前提。除现场试验外,数值模拟也是一种能有效解决岩土问题的手段,且因其使用方便、模拟条件多样可控而受到广泛推广。进一步地讲,本构模型的选择是岩土问题模拟研究的重要一环。一个合适的本构模型能让数值模拟分析更接近于真实情况,从而达到事半功倍的效果。因此,本文以成昆铁路复线多座穿越昔格达组地层的隧道为工程依托,采用文献调研、现场试验与取样、室内试验、数值模拟、理论推导、计算机编程等手段,对昔格达土的工程特性和粘土岩的结构性进行分析,进而对适用于昔格达粘土岩的本构模型展开研究,并得到了以下主要研究结论和成果。(1)通过大量资料调研,归纳出昔格达组地层岩土具有以下特征:天然含水率不高,密度较一般岩石小,孔隙比较大,压缩性中等,天然抗剪强度和抗压强度较高、但浸水后降幅明显,粘土岩以亲水的伊利石、绿泥石为主,为弱透水介质。昔格达粘土岩的矿物成分、沉积过程和时间效应分析表明其结构性较强;通过原状土、重塑土的固结试验和三轴试验分析了其压缩曲线、应力应变关系曲线和超静孔压变化的不同,说明了天然昔格达粘土岩具有较强的结构性。(2)通过重塑土三轴试验研究表明,昔格达粘土岩应力应变关系与诸多因素有关。围压对偏应力峰值影响很大,且呈正相关;含水率与偏应力峰值呈负相关;而在其他条件相同时,干密度增加、排水剪切和降低剪切速率都会使偏应力峰值增大;不同应力路径中,常规三轴试验对应的偏应力峰值最大。(3)通过模拟三轴试验表明修正剑桥模型计算出的试样侧向变形和超静孔压变化规律比M-C模型、D-P模型更符合昔格达粘土岩室内三轴试验结果;通过模拟堆载预压也表明修正剑桥模型在计算地基沉降、水平位移和超静孔压变化规律方面比另两种模型更适合。数值模拟结果还表明ABAQUS修正剑桥模型的8个参数中敏感度较高的是初始孔隙比、临界状态线斜率、泊松比、各向等压压缩曲线斜率和回弹曲线斜率。(4)利用损伤力学和修正剑桥模型屈服破坏准则,根据沈珠江提出的岩土损伤理论建立损伤变量函数,进而推导了昔格达粘土岩应力应变关系的弹塑性损伤矩阵。该本构关系中需要确定9个模型参数,对应了 12个试验参数;给出了本构模型在ABAQUS的用户材料子程序UMAT中的实现流程,并利用FORTRAN语言编写了源代码。(5)通过单向固结试验的数值模拟结果和试验结果对比验证了昔格达粘土岩弹塑性损伤本构模型的可行性;利用新模型对昔格达粘土岩地层中隧道三台阶临时仰拱法开挖围岩变形进行了预测,结果表明弹塑性损伤本构模型比修正剑桥模型更符合实际监测变形量。