近年来随着运输管道、地铁、城市地下管廊等不同形式隧道的蓬勃发展,盾构工法以其安全高效和能够应对复杂的地质的优点得到人们的广泛认可和应用。盾构的始发和到达是盾构隧道施工中的重要环节,在这过程中端头土体失稳破坏则是盾构施工中的重要风险源,在松散软弱地层中,更容易发生失稳破坏。本文就松散软弱地层中的端头土体失稳破坏问题展开研究,利用颗粒流(PFC)软件作为数值模拟的主要手段,该软件不仅能反映出散体材料的真实变形,还能分析模型破坏过程中的细观机理,同时利用室内三轴试验,确定模型的细观参数,分别建立砂土和黏土的端头数值模型,结合室内相似模型试验对端头土体失稳破坏模式及影响因素进行分析。本文的主要的研究内容有:(1)利用PFC2D建立双轴压缩数值模型,改进了墙体约束类型,运用线性粘结键粘结颗粒组成柔性墙体,试验证明,柔性墙体不仅使边界条件更加接近实际试验,而且能省去传统墙体的伺服,节省运算时间。(2)通过室内三轴试验,分别得到的松散砂土和软弱黏土的物理力学性质,借助PFC双轴试验,分析了模型参数对模拟材料宏观属性的影响:在砂土双轴模型中,当水平压力较小(小于150kPa)时,破坏峰值与颗粒的摩擦系数呈正相关,当摩擦系数较大(大于0.3)时,其对强度的影响显著增强;模型的摩擦系数和黏聚力分别与颗粒的摩擦系数和粘结键强度具有近似线性的关系。(3)建立PFC数值模型,通过数值模拟从宏观和细观两方面对端头土体的失稳破坏过程进行分析,最终发现砂土地层中端头土体失稳破坏具有阶段性的特点,每个阶段分为“松动—成拱—塌落”三个阶段;粘土地层中的破坏速度较慢,破坏面由一段近似竖直的直线和一段圆滑曲线组成,地表的位移呈台阶状。(4)设计室内相似模型试验,根据相似试验原理配制试验材料,通过图像采集分析获取了端头土体失稳破坏面的形状,并对其进行数值拟合后与数值模拟的结果对比。(5)利用PFC数值模型对影响端头失稳破坏的因素进行了分析,随着c、φ的增大,端头土稳定性增强。当隧道埋深较浅(17.4米至23.4米)时,隧道直径对端头土体的稳定性影响最大,隧道直径越大,隧道失稳可能性越大。在粘土地层中,隧道埋深的影响要大于土体的黏聚力的影响,而在砂土地层中,埋深对稳定性影响较小。(6)结合南京某盾构工程实际,建立FLAC3D端头失稳模型,模拟端头失稳过程,并利用强度折减法原理计算了加固土体的稳定系数,可作为判断端头加固效果的重要指标。