公路隧道开挖过程受围岩条件和地质环境影响较大,且由于经济发展,城市间的交流日益密切,公路隧道尤其是大断面公路隧道的建设被提上日程,这就需要针对隧道围岩稳定性和陈其强度进行研究,避免因为围岩问题导致隧道出现开裂,渗漏水等工程事故,研究隧道围岩稳定性问题和衬砌强度问题具有重要的工程意义。隧道的围岩稳定主要是从两个方面进行研究,首先是需要研究隧道围岩的力学性质,其次还需要探究隧道开挖方式对围岩稳定的影响。选择合理的开挖方式及衬砌支护方法是保证隧道安全性和耐用性的前提。对隧道的衬砌强度分析有利于合理安排施工方式,提高施工效率,合理调整工程进程,保证工程的安全性和耐用性,提高环保效果,节约能源。本文研究以大断面四车道围岩稳定性分析和衬砌强度为研究对象。采用有限元和离散元耦合的数值模拟软件GDEM对层状节理岩体的力学性质进行探究;进行了室内试验,制作聚丙烯纤维增强混凝土试块和碳纤维增强混凝土试块进行单轴压缩实验和声发射试验,探究纤维增强混凝土对裂纹扩展的阻尼作用。本文主要开展和完成的工作如下:(1)研究了无限大平面内中心圆孔受力变化,利用极坐标系推导出无限大平面内圆孔周边的位移量,计算圆孔变形的方式和变形后的形状。选用Ansys15.0数值模拟软件进行数值模拟,并将理论解析接与数值模拟圆孔周边节点的位移量进行对比,证明无限大平面中心圆孔受一对相等的侧向力系后会变化为椭圆形,研究了适用于层状岩体的强度准则如莫尔-库伦准则和霍克-布朗准则。(2)使用商业软件GDEM对层状节理围岩的力学性质进行模拟,模拟采用三层不同性质的岩石分别是:泥岩、砂岩、石灰岩,层状节理模型与水平面的角度分别为0°、30°、45°、60°、75°、90°。通过不同的加载方式:单轴、双轴和剪切进行数值模拟。经过验算发现层状节理岩体的力学性质和破坏形式与节理倾角有直接关联。(3)研究了大断面隧道不同开挖方式的特点和优劣,使用商业软件Ansys15.0模拟双车道隧道与四车道大断面隧道的开挖过程,采用单元生死模拟隧道分部开挖,通过监测点记录沉降量的数据,对比分析每一步隧道开挖的围岩应力变化和沉降量变化,探究开挖面积和开挖方式对围岩应力和沉降量的影响。(4)纤维增强混凝土的室内试验,试验采用聚丙烯纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土与普通混凝土进行对比,在单轴压缩条件下,观察三种混凝土试块表面的裂纹等现象,研究试验过程中的应力-位移曲线,并通过声发射仪器,记录试验过程中的幅值,撞击次数等数据。试验数据表明聚丙烯纤维增强混凝土和碳纤维增强混凝土在阻止裂纹的萌生与发展上要明显强于普通混凝土。利用商业有限元软件Ansys15.0按照工程实例建立隧道衬砌模型,模拟隧道开挖过程中纤维增强型衬砌对隧道周边应力和位移的影响。实验结果表明,隧道开挖过程中衬砌两侧部分是应力最大的位置,拱顶衬砌是位移最大的位置,采用纤维增强混凝土衬砌的方式可以有效降低隧道衬砌由于应力集中或是混凝土收缩而产生裂缝导致渗水等安全问题的风险。