巷道等地下工程结构,铁路和高速公路的设计中,巷道穿过断层带是不可避免的。研究表明巷道衬砌结构在断层段是动力灾害突发区和重灾区。本论文采用资料调查、理论分析、相似模拟、数值模拟相结合的方法,通过试验相似材料研究,标定实验所需相似比;结合物理试验分析不同宽度断层活化错动对巷道围岩应力分布、破坏机理及围岩体、断层带、支护结构组合结构的能量转化关系;通过数值方法模拟当错动发生时,断层带的黏滑错动属于模糊的非线性作用对衬砌-围岩-断层在断层黏化错动时应力重新分布状况及能量转换机理等。本文主要做了以下研究:(1)研究了巷道断面围岩力学分布状况,在此基础上推导初期支护—二次衬砌相互作用的弹簧刚度理论值;通过引入断层错动的位移响应值,计算衬砌结构弹簧刚度值,求解错动载荷模糊的问题。(2)参考统计学思想,结合相似配比试验要求,基于正交试验理论的方法设计相似材料配比模型,通过直观分析法讨论了各因素的极差,运用极差分析法对各因素对材料物理力学性质的影响进行分析,其结果为相似模拟材料标定了强度区间;结合量纲分析法对相似材料强度影响因素进行研究,构建影响相似材料单轴抗压强度的无量纲模型,实现相似材料研究定量化。(3)基于上述相似材料的研究,开展相似模拟试验研究,研究实验过程中根据衬砌材料主要材料性质会表现应变软化的特征,修正了原型位错的换算值;采用多种处理分析系统,对试验过程进行实时、精确观测。得到了随着断层活化错动影响下,运动盘的动态变化过程并概化出破坏的力学简化模型,并研究了影响该过程的力学条件;得出巷道结构在跨断层段位置对围岩体表现出一定程度的“追随性”和“抑制性”,分析了巷道结构破坏的受力特征特征及分布规律。(4)通过数值模拟的方法,研究了模型整体位移过程中其能量交换系统的能量转化过程,并结合结合两盘—断层—衬砌结构内在关系,解释了应力集中与扩散的动态关系;总结并分析了不同宽度的活化断层错动影响下模型整体、巷道衬砌的位移场、应力场、破坏场的变化规律,以及沿着巷道结构轴线方向应力、破坏分布;得出了在错动过程中衬砌结构轴线方向的断面测点的极限应力集中位置、以断层带为中心的运动盘处应力梯度大的伪正态分布特征及衬砌结构塑性区分布。图 38 表 11 参 53