悬索桥是当今桥梁的主要形式之一,锚碇作为悬索桥的主要承载构件,其稳定性是保证悬索桥安全稳固的关键所在。但是目前关于隧道锚的理论和设计计算方法还不够成熟,尤其是在复杂地质条件下,能否采用隧道锚,采用何种形式的隧道锚,其承载能力和响应机制如何,仍未得到很好的解决。某长江大桥南岸隧道锚具有埋深浅、承载大、围岩软、地质条件差(含软弱夹层)等特点,本文依托该长江大桥隧道锚工程,在室内岩石力学试验和锚址区原位岩体力学试验研究的基础上,于锚址区设计并开展了缩尺比例为1:10的复杂地层浅埋软岩隧道锚原位模型试验,并通过理论研究和数值分析等手段,对复杂地层浅埋软岩隧道锚的受荷响应机制及设计计算方法等进行了研究。论文的主要研究工作和成果如下:(1)通过室内物理性质试验、变形试验、抗拉试验、单轴抗压试验、三轴压缩试验、纵波波速测试、蠕变试验等,获得了锚址区相应的砂质泥岩的各项物理力学参数,并基于数据拟合,获得了砂质泥岩的蠕变模型以及软弱夹层蠕变模型;通过锚址区原位岩体力学试验,获得了天然状态的砂质泥岩现场岩体变形参数、现场岩体直剪试验强度参数、现场混凝土-砂质泥岩接触面原位直剪试验强度参数和现场软弱夹层直剪试验强度参数等。基于上述试验结果,对依托大桥工程隧道锚锚址区的岩体稳定性进行了评价,认为其可以满足隧道锚承受拉拔荷载作用后的稳定性要求。(2)在依托大桥隧道锚锚址区设计并开展了缩尺比例为1:10的复杂地层浅埋软岩隧道锚原位模型试验(荷载试验、蠕变试验、测斜试验、破坏试验和破坏后重复加载试验),获得了该类型隧道锚系统在不同级别荷载作用下围岩和锚塞体的受荷响应规律(变形、应力、应变、锚-岩错动等)、蠕变特征、地表破坏特征以及破坏模式等。研究表明,在复杂地层中修筑隧道锚是可行的,且其长期稳定性可以得到保证。(3)基于数值分析,研究了复杂地层浅埋软岩隧道锚系统(主要是围岩及软弱夹层)在不同级别荷载作用下的受荷响应机制(变形稳定性、破坏过程及破坏特征、长期稳定性),同时发现,在荷载作用下距离隧道锚锚塞体最近的软弱夹层受隧道锚系统的影响最大,且最易发生破坏,而该软弱夹层下方的岩体及软弱夹层几乎不受影响。(4)在综合分析了影响复杂地层浅埋软岩隧道锚系统承载特性影响因素的基础上,针对不同的软弱夹层参数(倾角、软弱夹层-锚塞体间距、厚度、强度参数和变形参数)和隧道锚锚塞体参数(锚塞体中心轴线间距、长度、扩展角、截面形状和锚塞体上覆岩体厚度),基于数值分析,开展了荷载作用下的复杂地层浅埋软岩隧道锚承载特性研究,获得了具有不同软弱夹层参数和锚塞体参数的复杂地层浅埋软岩隧道锚的破坏模式,以及上述参数变化时隧道锚系统的承载特性响应规律。(5)在原位模型试验和数值分析研究的基础上,提出了复杂地层浅埋软弱隧道锚系统可能的五种破坏模式(隧道锚锚塞体自身质量缺陷时破坏、标准倒楔形破坏、非标准倒楔形破坏、半倒楔形破坏和山体失稳破坏)。并针对标准倒楔形破坏、非标准倒楔形破坏、半倒楔形破坏三种破坏模式提出了相应的计算模型,推导了其考虑“夹持效应”的复杂地层浅埋软岩隧道锚抗拔承载能力计算公式,提出了该类隧道锚的设计计算方法和设计流程。