在土压平衡盾构施工过程中,常常会遇到复杂的工程地质环境,如砂卵石含量相对较高,土体的塑流性较差,从而导致压力舱闭塞、结饼、喷涌以及刀盘磨损严重等技术难题。为了保证盾构施工的正常进行,必须对砂卵石土体进行改良,即向开挖土体中注入改性材料(泥浆、泡沫等),使土体呈现“塑性流动状态”。本文的研究目的是从细观角度对“塑性流动状态”的砂卵石土体进行数值建模,进而分析改性砂卵石土体的流变特性。通过理论分析、室内试验和数值模拟等手段,分别提出了砂卵石颗粒和改性砂浆颗粒之间的本构关系,从而建立了改性砂卵石土体的离散元模型,研究了模型参数的确定方法,设计了相关测试试验,研制了改性砂卵石土体流变性测量装置,分析了改性砂卵石土体的流变特性。对于从细观角度研究改性砂卵石土体流变特性来说,首要内容是对于改性砂卵石土体离散元模型的建立,本文以北京地区某地铁施工现场开挖的砂卵石土体为研究对象,进行了大型三轴试验,获取了不同围压下土体的力学特性,并以此为基础建立了砂卵石土体的离散元模型,应用神经网络对模型参数进行反演,通过不同围压下的数值试验结果与室内试验结果相比较,验证了模型参数的准确性。由于改性砂卵石土体在一定程度上可以看作是砂浆包裹着卵石颗粒的集合体,因此提出了砂浆颗粒的本构关系,建立了砂浆颗粒的离散元模型,通过坍落度、扩展度和V型漏斗试验提出了模型参数的确定方法,并通过直剪试验对所建立模型进行了验证,分析了砂浆的抗剪性能。根据砂卵石土体的特点,研制了改性砂卵石土体流变性测量装置,并对装置进行了标定,获取了不同改良剂添加量下的砂卵石土体流变参数,分析认为改性砂卵石土体属于Bingham流体,用屈服应力和塑性粘度来表征其流变性能,提出了处于“塑性流动状态”砂卵石土体的流变参数范围。根据试验结果建立了搅拌数值模型,通过数值模拟分析了不同压力环境下砂卵石土体的流变参数变化情况。本文对于改性砂卵石土体塑流化的研究,砂卵石地层改良剂的研制,砂卵石土体塑流化改良效果的评价以及盾构施工参数的确定具有重要的指导意义。