氢能是来源广泛且低碳清洁的能源，大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中，储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢纯度高等突出优势，是未来氢能大规模储备的重要发展方向，也是我国能源低碳转型的重大战略需求。综合调研了我国制氢产业和氢能消费现状，分析了我国盐穴储氢的需求。调研了国外利用盐穴储存天然气和氢气的技术及工程现状，总结了我国盐穴储气库发展和建设历程。对比了利用盐穴储存天然气、氦气、压缩空气和氢气的异同点，提出我国盐穴储氢面临三大科技挑战：层状盐岩氢气渗透与生化反应、盐穴储氢库井筒完整性管控、储氢库群灾变孕育与防控。研究成果明确了我国氢气储备需求的快速增长趋势和大规模盐穴储氢的重点攻关方向。

现行规范计算基坑抗突涌稳定性采用压力平衡法，该方法未考虑上方土体强度和基坑尺寸的影响，对接近临界承压水压力情况的评价偏于保守。针对上述问题，首先根据强度折减原理定义安全系数，采用有效应力分析并考虑基坑被动区的存在，改进了已有的考虑土体四周抗剪强度抗突涌计算方法，并基于弹性板理论提出了新的基坑抗突涌计算方法；随后在平面应变条件下利用强度折减有限元计算结果进行了讨论，并进一步分析了基坑长宽比的影响；最后对工程实例进行了计算分析。分析表明，改进后和新提出的方法相较于现有方法能更好地说明基坑抗突涌稳定性随承压水压力的变化情况，在保证工程安全的前提下提高经济性。

在“双碳”目标背景下，土体比热容作为重要的热物理性质参数之一，在能源地下结构、地铁通风计算、地埋管线、核废料处置、冻结法施工、农耕灌溉等众多领域有着重要的意义。对不同初始干密度、初始含水率的黏土试样，在不同温度条件下开展了比热容测试分析，探讨了其变化规律及机制。试验结果表明：黏土比热容随初始干密度、初始含水率的增加而线性增加，且与温度的三次方呈正比。比热容变化机制与黏土三相比例变化、固相晶格振动、水冰相变等因素有关。建立了考虑多因素的黏土比热容预测模型，与反向传播神经网络（BP-ANN）预测模型、简化理论预测模型、其他经验预测模型的交叉验证结果显示，该模型在适用范围、预测性能等方面都具有较优的表现，可为理论计算、数值仿真、工程实践中黏土比热容的取值和计算提供可靠参考。

随着浅层地热能的大规模开发利用，针对地埋管地源热泵和能源地下结构的研究正由单个、单体尺度逐渐转向区域尺度。相较于地埋管地源热泵，能源地下结构占地面积小、成本低，在大规模城市建设及地下空间开发中具有良好的优势。从热物性参数和地下城市热岛效应两方面总结浅层地热能理论潜力现有研究成果，简述浅层地热能的开发形式，重点针对区域尺度地埋管地源热泵与能源地下结构的适应性评价进行系统综述，从适宜性分区、热交换潜力、满足建筑物能源需求效果三方面建立相应的区域尺度能源地下结构评价体系，以我国山东临朐县和德国巴登-符腾堡州地埋管地源热泵及我国南京大学仙林校区能量桩的区域性研究为案例进行深入分析，归纳当前研究中存在的问题，并对区域尺度能源地下结构的下一步研究进行展望。

岩体灾害发生的本质是能量驱动下的一种失稳现象，受开挖卸荷扰动影响导致的岩体结构破裂失稳是诱发采场突水等动力灾害的主要原因之一。为探究开挖卸荷过程对岩体结构破裂的影响，明晰围岩劣化损伤规律及突水等动力灾害孕育机制，针对应力-渗流耦合因素影响下岩石损伤特性及能量演化规律研究较少的特点，采用Rock Top多场耦合试验仪，在应力-渗流耦合作用下对砂岩开展了常规三轴（C组）、不同初始损伤程度常规卸围压（W组）及循环加卸围压（X组）3种应力路径下的岩石损伤特性及能量演化规律试验研究。试验结果表明：岩石能量演化规律与应力-应变曲线具有明显相关性，基于岩石弹性应变能演化特征，将常规三轴压缩（C组）下岩石应力-应变曲线分为5个阶段，并对每个阶段U₁、U₃、U_e、U_d及渗透率变化特点进行了详细阐释（U_e为弹性应变能，U_d为耗散能，U₁为轴向应力对岩石做正功转化的岩石应变能，U₃为做负功所释放的应变能）；常规卸围压过程中，U₁、U₃演化规律与C组岩石基本一致，但U₃负增长更为显著，岩石输入能逐渐从以U_e为主导转变为以U_d为主导，初始损伤程度对该规律无明显影响，卸围压过程中渗透率呈波动上升趋势，围压与渗透率呈负相关；循环加卸围压过程中，各能量演化规律与W组岩石基本一致，仅因时间效应而导致能量积累量存有差异。整体来看，无论何种应力路径，峰前阶段岩石均以U_e为主导，以能量存储为主，峰后阶段则以能量释放及耗散为主，轴向应力加载是U_e得以快速积累的主要影响因素，围压改变不足以引起U_e发生较大变化，轴向载荷作用为工程致灾的主要影响因素。此外，岩石损伤变量与围压存在明显负相关，围压越大，岩石U_e释放比例越小，岩石损伤越小，围压束缚作用可有效提高岩石储能能力并抑制岩石能量的耗散与释放。

为探究下伏空洞桥梁群桩桩端岩层的承载机制和破坏模式，进行了单桩及不同桩数群桩的室内模型试验研究，得到了不同桩数群桩桩端岩层的极限承载力和破坏模式。根据下伏空洞桥梁群桩桩端岩层破坏模式的特点将破坏面分为两个部分，结合极限分析法提出了下伏空洞桥梁群桩桩端岩层极限承载力计算方法，理论计算值与室内试验值吻合良好，验证了计算方法的合理性。同时分析了桩端岩层极限承载力随桩数增加的变化规律，可为岩溶区桥梁桩基工程建设提供参考。试验及理论计算结果表明：1）下伏空洞群桩桩端岩层发生整体冲切破坏时，破坏体整体可视为与单桩破坏体等效的大型墩基；（2）当桩间距较小时，群桩桩端岩层极限承载力随外围基桩外包络线长度增大而增加，当外包络线长度相同时，内部基桩布置方式对群桩桩端岩层极限承载力无影响；（3）群桩效应系数随桩间距的增大而增加，临界桩间距为5d～6d（d为桩径）。

为研究不同坡度植被边坡降雨入渗和径流侵蚀的规律，开展大型边坡模型降雨试验，对边坡含水率、水土流失等参数进行实时监测，量化分析坡度对边坡雨水入渗、坡面径流和土壤侵蚀的影响。结果表明：在持时为4 h、降雨强度为60 mm/h持续降雨条件下，1:2、1:1.75、1:1.5裸土边坡累计雨水入渗量分别为同坡度植被边坡的70.6%、80.4%、92.3%，植被覆盖会加快雨水入渗速率，增大边坡累计雨水入渗量。植被边坡坡度越小，雨水入渗速率越快，累计雨水入渗量越大，而裸土边坡则相反。植被覆盖可有效降低坡面径流速率、减少累积径流量，边坡坡度越小，减流效果越显著，1:2、1:1.75、1:1.5植被边坡对比同坡度裸土边坡分别减少径流量53.11%、32.56%、17.73%。植被边坡水土流失含泥沙量均不足0.1%，植被可有效抑制坡面土壤侵蚀，而裸土边坡坡度越大坡面土壤侵蚀越严重，1:2、1:1.75、1:1.5裸土边坡单位面积侵蚀土壤质量分别为3.623、5.710、11.295 kg/m²，水土流失含泥沙量分别为3.06%、4.29%、7.34%。根据试验结果拟合得到裸土边坡产泥产沙总量y与坡度x、降雨时长t关系式：y=0.0028_t^-0.67x^4.11t0.0647 。

开展低pH值下微生物诱导碳酸盐沉淀（microbially induced carbonate precipitation，简称MICP）加固尾矿砂试验，研究了菌液浓度、pH值对碳酸钙生成量和絮凝滞后期的影响。采用渗透性、保水性、抗雨滴侵蚀、抗风蚀、贯入度试验评价该方法加固尾矿砂效果。通过分析pH值对脲酶活性和碳酸盐体系平衡的影响，结合扫描电子显微镜和X射线衍射试验观察尾矿砂微观结构，揭示低pH值下MICP加固尾矿砂机制。结果表明，低pH值下MICP方法可以显著提高尾矿砂力学性能，一轮喷淋处理后尾矿砂的风蚀质量为0，渗透系数最大可降低一个数量级，pH值为4的高浓度菌液处理后的尾矿砂风雨侵蚀质量也为0。低pH值暂时抑制了脲酶活性，打破了碳酸盐体系的平衡，延缓了碳酸钙的生成，使得方解石均匀填充于粒间孔隙，将尾矿砂颗粒胶结为整体。提出的尾矿库加固及尾矿砂治理新技术及其加固机制，为低pH值下MICP加固尾矿砂应用提供了理论与试验依据。

劲性复合桩施工工艺复杂，为了明晰其成桩过程中的挤土效应及荷载传递机制，开展了劲性复合桩挤土效应试验、静力触探试验研究，描述了劲性复合桩成桩过程中桩周土体孔隙水压力、总应力、有效应力的变化情况，探讨了劲性复合桩承载力形成机制。试验结果表明：劲性复合桩挤土效应沿桩径方向逐渐减小，沿桩长方向逐渐增大；在劲性复合桩成桩过程中，周围土层的有效应力增长了12%～63%，桩侧摩阻力也因此显著提升；锥尖阻力、侧壁阻力则分别提高了13%～84%、8%～97%。同时，劲性复合桩通过多种不同强度材料的组合，沿桩径方向依次形成了承载力递减的4个受力构件，实现了比常规桩基均质材料更好的承载效能，本质上是契合了桩顶荷载沿桩径方向、桩长方向引起的桩身剪切应力、压缩应力均会逐渐衰减的特性，这也是劲性复合桩显著经济优势的来源。

红层泥岩的膨胀性和水敏性对地区公路、高铁的建设和工后变形控制构成了长期潜在威胁。为此，依托甘肃兰州一红层泥岩路堑段，开展了微膨胀泥岩地基原位水分入渗响应特征试验，分析泥岩地基膨胀变形量、膨胀力和体积含水率时空演化规律，并讨论了室内试验和原位试验的差异性。研究结果表明：红层泥岩地基水分入渗形式包括裂隙流和孔隙流，水分场具有明显的时空分布不均匀性，岩体裂隙对渗流、膨胀具有促进作用。入渗过程中泥岩吸水膨胀具有显著的时效性，原位地基膨胀量和膨胀力均经历骤增、减速增长和缓慢增长阶段，并未能达到收敛，浸润峰后泥岩表面逐渐软化甚至泥化，会导致地基承载力下降。室内试验对原位泥岩的水分入渗响应特征反映有限。

施工装备和工艺的不断创新使得非挤土嵌岩预应力高强度混凝土（prestressed high-strength concrete，简称PHC）管桩逐渐得到推广和应用。为揭示嵌入中微风化岩PHC管桩的桩端承载机制，以随钻跟管工法桩为背景，基于泥质粉砂岩地区5组桩径为500 mm的PHC管桩桩端现场静载破坏性试验，分析了不同条件下嵌岩PHC管桩的桩端承载性能及宏观破坏模式，并提出桩端承载力计算方法。试验表明：对于采用敞口桩靴的PHC管桩，未封底时，敞口桩靴削弱了PHC管桩桩端承载性能，呈现刺入岩基的破坏，极限荷载下桩端沉降为11～15 mm；混凝土封底后，显著提高了桩端承载性能，极限承载力较非封底时提升340%，封底混凝土和桩靴的桩端阻力分担比分别为78%和22%，桩端呈整体剪切破坏。基于Hoek-Brown强度准则，提出了嵌岩PHC管桩桩端承力简化计算方法，计算精度得到了试验验证，可供非挤土嵌岩PHC管桩的设计与施工参考。

黄土浸水可形成两类工程性质差异较大的压密饱和黄土或欠压密饱和黄土。通过对西安地区22个黄土场地的试验和数据统计，分析了两类饱和黄土性质的差异，系统地研究了欠压密饱和黄土的基本物理力学性质，揭示了其具有饱水软弱性和失水大变形的根本原因，归纳得到了西安地区欠压密饱和黄土的物理力学特征指标，为科学研究和工程实践中严格区分两类饱和黄土、分类制定技术措施提供了依据。研究表明：欠压密饱和黄土是黄土浸水过程中未被充分压密、大孔隙结构仍然存在的土，在Q₃和Q₂上部地层中均有揭露，其具有大孔隙比、高含水率、中高灵敏度、中高压缩性、低承载力和强度等特征，一般处于软塑或流塑状态，其与湿陷性黄土、古土壤和压密饱和黄土邻近分布，形成了软硬不均的地层组合特征。

硅藻土通常形成于湖泊或海洋环境，是一种由黏土矿物和硅藻残骸组成的天然沉积土。硅藻的轻质与多孔性质使硅藻土的物理特性与不含硅藻的细粒土有较大差异，如低密度、大孔隙比、高含水率的特点，其性质指标不能用常规土力学经验公式确定，当前对这类特殊土的研究尚属探索阶段。为了系统认识硅藻土的物理性质，配置不同硅藻含量的混合土，测试粒径组成、相对密度、比表面积、液塑限等指标，调查了硅藻对物理性质的影响，通过扫描电镜试验解析了微观机制。结果表明：土中的硅藻含量增加会引起粉粒成分增加、相对密度降低、同时比表面积与阳离子交换量也会提高；无论孔隙流体含盐量高低，硅藻土的液塑限均随着硅藻含量的增加而增加，并且塑性指数保持几乎不变。微观结构调查发现硅藻土的特殊物理性质主要受控于硅藻的大体积的中空内腔以及较强的储水能力。试验过程中还发现，尽管硅藻土的液塑限值很高，硅藻含量80%及以上的硅藻土却表现为塑性较弱或几乎没有塑性的粉土，说明液塑限值并不能很好地反映硅藻土的塑性性质，目前通用的细粒土分类标准对硅藻土分类是不合理的。该研究可以为硅藻土的岩土工程性质研究提供数据参考和理论支撑。

微裂纹萌生、扩展和聚结模式的识别是研究岩体灾害孕育演化过程的基础。为探究裂隙岩石微裂纹发育过程及机制，采用主动超声测量和数字图像相关（digital image correlation，简称DIC）技术同步监测单轴压缩下预制裂隙砂岩的损伤破裂过程，分析了表面应变场演化及超声衰减特征。结果表明：小倾角预制裂隙尖端的局部拉应力集中利于裂纹更早萌生；随裂隙倾角增加，预制裂隙试样由较为稳定的渐进性破裂转变为突发性破坏，其脆性特征也更明显，表面应变场可实时追踪裂纹的萌生和扩展。P波波速、振幅谱和超声振幅的衰减与微裂纹的发育和宏观裂纹的形成密切相关，可将超声波主频的明显衰减视为宏观裂纹形成的直接证据；不同射线路径P波速度及振幅衰减的差异，是轴向应力和预制裂隙诱导损伤累积各向异性的结果。此外，采用改进谱比法分析了超声衰减的时移特征，发现超声波衰减比P波波速对岩石介质中微裂纹的发育更敏感，进一步对比发现超声振幅、表面应变、P波波速对岩石损伤识别的敏感性依次降低。该研究结果表明，主动超声衰减和DIC表面应变同步监测是识别和量化岩石损伤和裂纹扩展先兆信息的有力工具。

动态回弹模量作为评定路基性能及进行路面设计的重要参数，受土体自身物理力学状态及外部环境的显著影响而复杂多变，亟需一种高效简便的针对性监测方法。以压实粉质黏土为研究对象，开展了不同含水率、压实度和冻融循环次数下粉质黏土动态回弹模量和剪切波速试验，获得了冻融黏土的动态回弹模量、剪切波速及两者之间的转换关系。结果表明：土体动态回弹模量和剪切波速均与其物理状态紧密相关，二者都随含水率和冻融循环的增加而急剧下降，随压实度的增加而有所提升；土体的动态回弹模量还受到应力状况的影响，随围压增大而增大，随循环偏应力增大而减小，应结合实际受力状况选取相应动态回弹模量代表值反映路基的性能；采用三参数复合模型回归确定了冻融粉质黏土动态回弹模量预估模型，并建立了冻融粉质黏土剪切波速预估模型；据此构建了冻融粉质黏土动态回弹模量与剪切波速的转换关系，为实现基于剪切波速确定路基土动态回弹模量提供了理论支持。

疏浚工程中清淤泥浆的含水率通常非常高，常采用先脱水为泥饼再进行固化的方法，处理效率相对较低。为此选择普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥作为固化材料，结合絮凝材料和板框压滤技术，对太湖清淤泥浆进行脱水-固化一体化工艺研究。通过比阻试验和固化试验等手段，分析了该工艺中泥浆的脱水性能、固化效果的变化规律以及固化材料的损失情况。此外，还基于一体化工艺试验中泥浆的基本性质变化，讨论了固化材料流失的途径以及对泥浆脱水性能的影响机制。研究结果表明，采用脱水-固化一体化工艺能够改善清淤泥浆的粒径、压缩性，从而提高脱水特性，并且在工艺过程中固化材料的流失在9%以内，由于脱水泥饼性质更好，后续同样能够实现良好的固化效果。实际工程应用中，采用脱水固化一体化工艺可以提升泥浆处理的效率。

复合地层中盾构掘进诱发地表沉降的准确预测是隧道工程安全建设与施工决策的关键问题。基于隧道施工诱发地层变形机制构建隧道收敛变形与掘进位置的联系，并将其耦合至深度神经网络（deep neural network，简称DNN）框架，建立了预测盾构掘进诱发地层变形的物理信息神经网络（physics-informed neural network，简称PINN）模型。针对隧道上覆多个地层的地质特征，提出了多域物理信息神经网络（multi-physics-informed neural network，简称MPINN）模型，实现了在统一的框架内对不同地层的物理信息分区域表达。结果表明：MPINN模型高度还原了有限差分法的计算结果，可以准确预测复合地层中隧道开挖诱发的地表沉降；由于融入了物理机制，MPINN模型对隧道施工诱发地表沉降的问题具有普适性，可应用于不同地质和几何条件下隧道诱发地表沉降的预测；基于工程实测数据，提出的MPINN模型准确预测了监测断面的地表沉降曲线，可为复合地层下盾构掘进过程中地表沉降的预测预警提供参考。

盾构隧道施工产生的废弃土面临堆放、运输及处理等难题，将原材料丰富、生产耗能少、环境友好的MgO用于废弃土固化处理是一个值得探索的方法。通过改变MgO掺量am、养护龄期T、碳化时间H研究MgO固化-碳化淤泥质废弃黏土界限含水率w、无侧限抗压强度q_u、弹性模量E₅₀，结合微观形貌及矿物成分变化规律探讨其固化-碳化机制。结果表明：MgO固化-碳化具有明显的加固土体效果，加固效果随am、T呈先上升后趋于稳定的趋势，随H呈先上升后下降的趋势；不同am、T下，碳化4 h会使土体塑性指数IP降低57%以上，土体可塑性显著下降；不同am和T的固化-碳化土q_u均在H为4 h时取得峰值，最高可达1.4 MPa，比碳化前强度提升了220%～350%；固化-碳化反应对土体的E₅₀提升受am影响较大，当am超过9%时，碳化4 h试样的E₅₀增幅在500%左右；MgO固化-碳化过程中水化产物、碳化产物不断生成和发育，形成网状、花朵聚集状的形貌，填充土颗粒间的孔隙，增强了土颗粒间的胶结作用，土体结构更为密实。该研究为长三角地区土压盾构产生的淤泥质废弃黏土的固化-碳化处理与再利用提供了思路。

随着我国西气东输、南水北调等重大工程的快速推进，埋地管道不可避免地会穿越高陡山区，并受到区域地形地貌的影响，而关于边坡-管道相互作用机制的认识还相对滞后，相关研究亟需加强。基于分布式光纤应变传感（distributed strain sensing，简称DSS）、粒子图像测速（particle image velocimetry，简称PIV）技术，开展加载工况下砂土边坡-管道相互作用的室内模型试验，探究了临坡地基极限承载力的影响因素，并研究了不同坡角下边坡土体变形破坏机制及埋地管道的结构响应特征。研究结果表明：（1）临坡地基经历了弹性压密、局部剪切和整体破坏3个阶段，并呈现不对称楔形破坏模式；（2）临坡地基极限承载力随着坡角的增大呈减小趋势，同一坡角下埋地管道的存在会降低临坡地基极限承载力；（3）管道对边坡滑裂面形成路径的影响程度随着坡角的增大而变大；（4）在荷载作用下埋地管道横截面环向应变呈“椭圆化”分布，据此提出了管周界面土抗力的简化计算模型与椭圆度计算式。相关结论对边坡-管道系统的变形控制与结构设计有一定的参考和借鉴意义。

目前陆上及浅海海相软土的微观结构和压缩特性研究较为广泛，而深海软土的微观结构和压缩特性研究较少，但随着海洋工程向深水发展，深海软土的特性值得关注。硅藻土广泛分布于深海海底，是深海软土的一种，其具有多样性，不遵循软土经典规律的特点，目前国内外对原位未扰动样品研究很少。针对西太平洋（水深为4 423～4 674 m）原位硅藻土样，通过电镜扫描（scanning electron microscope，简称SEM）、压汞试验（mercury intrusion porosimety，简称MIP）、常规一维压缩固结试验及多级荷载下（单级加载维持7 d）一维压缩固结试验，开展深海硅藻土微观结构、压缩特性及次固结特性的试验研究。试验结果表明：深海硅藻土的压缩指数分布在1.70～1.95之间，较其他陆上及浅海海相软土大0.6～1.2左右；且在固结完成后的蠕变阶段，硅藻土仍长时间发生体积变形，且并未出现变形收敛趋于稳定的态势，可能是由于硅藻颗粒外壳的持续破碎所导致，这一假设已被加载阶段的SEM和MIP试验观测结果所证实。

为探究裂隙砂岩注浆前后渗流特性及注浆后力学特性变化规律，利用Rock Top多场耦合试验仪在不同围压下以0.02 mm/min的恒定速率对砂岩进行三轴压缩试验得到裂隙砂岩并进行渗流试验，进而采用自主研制的注浆加固系统对裂隙砂岩进行注浆加固，再利用Rock Top多场耦合试验仪对注浆后的裂隙砂岩在不同围压下进行三轴压缩渗流试验。结果表明：（1）裂隙砂岩注浆后的渗透率相对于注浆前显著降低，下降幅度在24.26%～96.55%之间，但均大于原岩渗透率；（2）裂隙砂岩注浆前、后的渗透率随静水压等梯度增加呈现出不同的阶段性变化规律，并且当静水压达40 MPa及以上时，5 MPa以内的渗透压差对渗透率影响较小，渗透率曲线趋于水平；（3）裂隙砂岩注浆后仅在10 MPa围压下表现出同原岩类似的脆性破坏特征，在20～60 MPa围压下则失去了原岩的脆性破坏特征，表现出很强的延性破坏，并在峰后出现塑性流动现象；（4）裂隙砂岩注浆后的峰值强度、峰值应变皆随围压的增大而增大，并呈现出满足二次函数关系的非线性变化特征，其峰值强度介于原岩峰值强度的44%～59%之间；（5）裂隙砂岩注浆后的破坏形式以滑移剪切破坏为主，低围压下会伴随有新破坏形式产生，随着围压增大，破坏程度减弱；（6）岩-浆界面电镜扫描试验表明，钙矾石与C-S-H（水化硅酸钙）凝胶相互搭接形成了稳定的水化产物，从而提升了岩石承载力。

为研究静态加载条件下裂隙几何位置及相互作用机制对煤体力学行为的影响，采用数字图像相关方法作为全场观测手段，以原煤预制不同位置分布下的三裂隙试样为研究对象，利用MTS816岩石伺服试验机进行单轴压缩试验，并结合颗粒流程序研究了裂隙不同位置分布状态下多裂隙煤体的力学特性、裂纹演化规律及破坏特征。与此同时，基于断裂力学理论讨论了T应力对煤体多裂隙尖端的影响形式及适用性。研究结果表明：当裂隙由平行共线分布向平行重叠分布过度时，煤样的宏观强度具有逐渐增强的现象；裂隙的分布形式会影响煤体的承压状态，当裂隙间距离较远时，应力场中应力薄弱区会独立存在，并随着压力增加逐渐扩展融合；而当裂隙趋于重叠分布时，应力集中区和薄弱区都会各自形成统一的受力整体，相互影响。多裂隙共线或偏置分布时，裂隙面以剪应力为主，拉应力为辅的驱动方式导致煤样发生拉剪复合破坏，而当多裂隙趋于重叠分布时，裂隙面上的剪应力转化为岩桥区拉应力，从而形成以拉应力为主导的方式驱动试样发生拉伸破坏。考虑T应力影响时，包含3个T应力分量(T_x，T_y和T_xy)的起裂角理论预测值更适用于压剪应力状态下有限板多裂隙尖端裂纹扩展角度方面研究。

筏板基础下薄层土地基的承载力与均匀地基的承载力不同，不能简单地按通常的天然地基承载力方法来确定。通过现场压板载荷试验确定薄层土地基的强度指标和变形参数，把筏板基础分为若干网格。采用切线模量分层总和法计算各网格的地基刚度，把筏板基础看作为各网格支承下的弹性地基板，计算各网格共同作用下板底的压应力；将各网格的压应力与用薄层土地基强度参数计算的极限承载力比较，以判断地基强度承载力的安全性；再依据筏板的沉降变形，由薄层土地基的强度承载力和筏板基础变形控制确定这种含薄层土地基的允许承载力；通过与有限元方法进行比较，证明其是一种较合适的确定筏板基础下薄层土地基承载力的方法。

颗粒形貌是影响珊瑚砂力学性质的重要参数，研究珊瑚砂多尺度形貌特征有助于从细观角度阐释其力学特性。基于颗粒动态图像分析技术对不同粒径范围内超过20万个珊瑚砂和陆源石英砂（包括人工破碎石英砂和天然石英砂）颗粒开展颗粒形貌扫描和对比分析，提出了适用于珊瑚砂的颗粒形状分类标准，并从颗粒形状、磨圆度和凸度3个尺度上揭示了海相珊瑚砂与陆源石英砂颗粒形貌的差异性。结果表明：（1）珊瑚砂主要由块状、片状及棒状3种类型的颗粒组成，以伸长率和扁平率为0.5作为珊瑚砂颗粒形状的划分阈值进行颗粒形状分类，该分类方法的准确率可达90%。（2）珊瑚砂中块状颗粒占比最大，且含量大于50%。随着粒径增加，块状颗粒占比增加，片状颗粒占比下降，而棒状颗粒基本维持不变；随着粒径的增加，石英砂中的块状颗粒占比高于珊瑚砂，这是由颗粒的矿物性质决定的，而与颗粒的风化破碎方式无关。（3）人工破碎石英砂的磨圆度与珊瑚砂的较为接近，且略小于天然石英砂。块状颗粒的磨圆度大于片状颗粒，更大于棒状颗粒，因此块状颗粒占比越高，集合体的磨圆度越大。（4）珊瑚砂的颗粒凸度介于0.85～1.00间，石英砂的凸度大于珊瑚砂。随着粒径的增加，珊瑚砂的凸度减小明显，而石英砂的凸度变化不大。

筋-土界面动力剪切特性会影响加筋土石混合料路基的稳定性和耐久性。采用室内大型动态直剪仪，对5种含石量（0%、25%、50%、75%和100%）下的土石混合料-土工织物界面进行了一系列静、动力直剪试验，分析了法向应力振幅（10、20、30、40、60 kPa）和法向加载频率（0.5、1.0、2.0 Hz）对界面剪切响应的影响规律，并在试验的基础上建立了界面摩擦系数的经验公式。结果表明：界面上、下界抗剪强度随含石量的增大表现为先增大后减小的趋势，并与法向应力振幅呈正相关关系，与法向加载频率呈负相关关系；增大含石量会使界面剪胀效应增大，增大振幅和频率会使其减小；含石量和振幅的增大会导致界面摩擦效应增强；在试验的基础上建立了与含石量、振幅、频率相关的界面摩擦系数经验公式，与试验结果吻合较好。

由于孔隙分布曲线的复杂性，在非饱和过程中黏土的孔隙结构变化规律尚不明晰，这导致基于孔隙分布模型计算土-水特征曲线存在较大的误差。针对这一问题，基于干缩试验与压汞试验，对单孔与双孔结构重塑黏土在脱湿过程中孔隙分布曲线的变化规律进行了定量分析。研究表明：在脱湿过程中孔隙分布曲线存在平移、缩放等变换。构建了t分布和双t分布函数，提取了孔隙分布曲线的自由度、峰值、峰值对应的孔隙直径作为特征参数来表征孔隙分布变化规律，发现了特征参数和土样孔隙比之间存在较好的线性关系。基于试验结果，建立了含水率-孔隙比-孔隙分布曲线关系，提出了一个考虑孔隙结构变化的重塑黏土土-水特征曲线计算框架。最后，与试验测得的土-水特征曲线进行比较，验证了所提出的计算方法的准确性。

准确分析隧道挖破坏区的范围对合理确定支护参数有着重要的指导作用和工程意义，主要围绕连续介质分析方法和以有限元-离散元耦合方法（finite element-discrete element coupling method，简称FDEM）为代表的连续-非连续方法开展了隧道围岩破坏区判识方法研究。研究了连续介质分析方法与FDEM识别围岩破坏的判别标准；将岩体划分为弹性的岩石单元和弹塑性的界面单元，基于等效连续模型的思想，推导了界面单元力学参数与岩石单元及岩体单元力学参数的关系表达式，首次建立这两种方法参数取值的联系，解决了连续-非连续方法取值难的问题；对比了两种方法模拟不同岩性、断面铁路隧道开挖过程中围岩破坏区范围。基于规范中各级围岩的力学参数取值范围，给出了各级围岩下以FDEM中罚参数和断裂能等围岩主要破坏参数的取值范围；FLAC^3D为代表的连续介质方法和FDEM两种方法对不同岩性、断面铁路隧道开挖过程模拟结果表明，连续介质方法得出的塑性区和以塑性极限应变得出的破坏区域和连续-非连续方法得出的裂纹扩展区和破坏区在分布范围、形态及破坏形式上基本一致，验证了提出的FDEM围岩破坏参数取值方法是合理可行的。

为研究具有负泊松比效应（negative Poisson’s ratio，NPR）的恒阻大变形锚索在地震作用下的吸能特性与动力响应规律，利用振动台开展含断层隧道使用普通锚索支护以及使用NPR锚索支护的振动台物理模型试验，对比分析地震作用下处于不同围岩条件中以及使用不同锚索进行支护时隧道结构的动力响应规律。研究结果表明：在同一地震波作用下，使用NPR锚索进行支护的隧道结构破坏程度与使用普通锚索进行支护的隧道结构相比有明显的改善，表明NPR锚索在地震作用下具有良好的吸能特性，能够为隧道结构提供有效支护；通过对比分析普通锚索与NPR锚索的锚索轴力时程曲线可知，在地震波作用下，普通锚索会发生破断现象，轴力突降至零，而NPR锚索的高恒阻力能够持续提供有效支护；分析隧道结构各测点的加速度、应变、土压力等动力响应可知，隧道断层区域在地震作用下的动力响应更为明显，隧道结构在地震作用下呈现出拱肩→拱腰→拱顶的破坏规律，这一研究成果为类似隧道工程的支护对策提供了理论参考。

相似物理模拟是研究地下工程变形破坏问题的重要手段，然而经典相似理论关于相似模型与工程原型之间的几何相似比和材料力学参数相似比的相互约束，导致室内物理相似模型尺寸和材料力学参数一直面临难以完全满足相似准则的困局，从而产生力学畸变和模拟试验结果解译困难。为此，提出了地下洞室变形破坏物理模拟的力学相似畸变映射处理方法，引进畸变系数和映射系数，通过耦合解析法或数值法来映射畸变效应，实现地下洞室物理模拟结果对原型力学行为的定量解译；以圆形隧洞为工程原型，采用水泥基3D打印隧洞物理模型进行相似物理超载试验，基于提出的耦合力学相似畸变法与解析法对物理模拟结果进行了定量分析和对比验证；以某水电站地下洞室群为研究原型，通过砂岩3D打印洞室群物理模型的超载试验获得洞室破坏的变形值，采用耦合力学相似畸变法与数值方法对物理模拟结果进行定量分析。实例分析结果表明，在物理相似模拟中几何相似比和力学相似比不满足经典相似准则条件下，该方法可实现圆形隧洞或复杂洞室群原型的相似物理模拟结果的定量映射分析，对非恒定相似比的地下洞室物理模拟畸变分析具有普适性。

压实膨润土砌块在我国高放射性废物处置中发挥着缓冲回填工程屏障的作用。然而，膨润土材料塑性极强，水分极易拌和不均，易导致压实砌块干缩开裂，显著降低了砌块质量。提出一种采用酒精代替纯水来湿化膨润土的新方法，以提高压实膨润土质量。对比喷水法，酒精湿化法中酒精浓度设计在5%～35%间。通过分析膨润土与酒精混合物的混合效率、黏附质量损失率、混合物中团聚体的含量、压实样干缩前后强度、干缩裂纹规律、干燥效率、膨胀性等指标综合评价酒精湿化压实膨润土样的适用性。试验结果表明：在相同含液率情况下，随酒精浓度增大，所得膨润土样的混合效率明显提高，黏附质量损失率及团聚体含量明显降低；压实样内团聚体与干缩裂纹及试样质量间具有较好对应关系。此外，酒精湿化法所得压实样在压实方向密度分布更均匀，干缩裂纹数量及宽度明显变小，风干试样剪切强度及膨胀性均与加纯水试样较为接近，压实样均匀性与完整性明显提高。新方法及相关成果可供我国高放废物缓冲回填砌块制备参考。

“治沟造地”修建水库，导致土地盐渍化，而盐渍土的渗透性是影响工程设计、施工安全的重要因素，因此阐明不同盐分含量及类型条件下的重塑黄土渗透性至关重要。通过制备不同盐分含量的钠、钙盐重塑黄土试样，开展一系列室内变水头饱和渗透试验，探析重塑黄土渗透系数随盐分含量的变化规律。结果表明：随盐分含量增加，重塑黄土饱和渗透系数逐渐减小，两者呈负指数相关，含盐重塑黄土渗透系数与不含盐重塑黄土相比均有不同程度减小；同一盐分含量条件下，钙盐黄土的渗透系数小于钠盐黄土的渗透系数。采用核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）技术，测取重塑黄土的孔隙水赋存状态与孔隙结构随盐分含量与类型的变化；当盐分含量小于2%时，随盐分含量增加，孔隙水赋存状态与孔隙结构的变化使重塑黄土渗透系数迅速减小；当盐分含量大于2%时，随盐分含量增加，孔隙水赋存状态变化使重塑黄土渗透性增加，而孔隙结构变化使重塑黄土渗透性减小且对渗透性的影响占主导，因此重塑黄土的渗透系数缓慢减小；同一盐分含量条件下，钙盐重塑黄土的孔隙水赋存状态和孔隙结构的变化比钠盐重塑黄土更显著。

黄土地区采用热减湿工法加固基坑边坡具有潜在应用价值，科学评价高温减湿黄土的裂隙演化是验证该加固工法可行性的关键环节。利用自制试验装置，进行了不同初始干密度和初始含水率的非饱和黄土在50～200 ℃温度水平下的裂隙演化试验，观察了土样含水率和表层裂隙变化，通过试验图像处理定量分析了裂隙率r、裂隙总长L、分形维数D、裂隙平均宽度W等裂隙指标随温度的变化规律。分析结果显示：随着温度水平提高，r、L、D均有所提高，W 变化不明显；初始干密度的提高使r、L、D 明显减小，使W 明显提高；初始含水率的升高使r、L、D、W 显著提高。高温作用显著改变土体的起裂模式，100 ℃临界温度作用下土体的起始裂隙快速出现，这可能与高压水蒸气的不均匀挤压有关。高温极大加快裂隙演化进程，但超过100 ℃后，继续升温对裂隙演化的加速幅度不大。从断裂力学的角度分析了高温作用下黄土裂隙开裂和扩展的力学机制，揭示了高温黄土裂隙演化机制。基于基质吸力对裂隙演化的重要影响，建立了考虑高温的基质吸力公式，在一定程度上揭示了高温对基质吸力的显著影响。

渗透性是指溶液在砂土体孔隙中渗透流动的性能，渗透系数K作为衡量土体渗透性的重要指标，其大小受多种因素综合影响，目前有关砂土体渗透特性的研究基本在淡水环境下开展，而钙质砂属于海相沉积砂，处于具有一定盐浓度的海水环境中。为探究盐溶液环境下，孔隙比、颗粒粒径及溶液盐含量对钙质砂渗透性的影响，基于KAST土壤饱和水力导度测量仪开展常水头和变水头渗透试验，并通过Zeta电位和接触角试验进行微观探讨。研究结果表明：钙质砂均值粒径对渗透系数影响最大，均值粒径变化将导致渗透系数产生数量级上的差异；渗透系数 K 与渗透液含盐量P 呈负相关关系，与孔隙率n 和均值粒径d_a 呈正相关关系。通过这些影响因素分析，建立了考虑渗透液含盐量因素在内的渗透系数计算模型，该模型可为中国南海人工吹填岛礁渗透性评估、地下淡水演化分析提供参考。

为实现稻壳灰资源化利用，将稻壳灰加入土体中用于提高土体强度。对稻壳灰改性土开展了大型动三轴试验，分析了稻壳灰掺量、动应力幅值和加筋方式对稻壳灰改性土轴向累计变形、动应力−动应变曲线和动弹性模量的影响。研究结果表明：随稻壳灰掺量增加，稻壳灰改性土的最大干密度下降，最优含水率增加；稻壳灰掺量对土体性能有较大影响，在5%～10%稻壳灰掺量下，稻壳灰改性土轴向累计变形较低，土体强度较优；动应力幅值和加筋方式对稻壳灰改性土轴向累计变形影响明显。随循环次数增加，试样滞回圈面积减小，动弹性模量逐渐增加；加筋筋材可以提高土体性能，对于单层加筋，格栅加筋试样优于其他试样。

为实现内陆干盐湖区盐岩集料基层级配组成的科学设计，以罗布泊盐岩为研究对象，分析了不同粒径及含卤水率条件下单粒组盐岩集料颗粒破碎演化特征，构建了复杂粒组下盐岩集料级配转移模型，提出了盐岩集料基层级配组成设计方法，验证了盐岩集料基层级配组成设计方法的合理性，并对比了不同级配组成及失水率下盐岩集料的工程性质。结果表明：击实作用下各粒组盐岩集料均发生颗粒破碎，随着击实能量增加，盐岩集料级配趋于稳定，卤水的赋存会降低单粒组盐岩颗粒破碎率。Weibull分布可有效表征盐岩集料破碎颗粒级配分布特征。推荐的盐岩集料基层级配组成设计方法可有效推演盐岩集料基层的级配演化特征并实现考虑卤水影响的级配修正。盐岩集料颗粒间卤水盐分结晶有利于盐岩集料基层强度形成，失水率为75%的盐岩集料无侧限抗压强度可达到4.1 MPa，盐岩集料可用于干盐湖区公路基层填筑工程。

为探究冻融岩石细观损伤累积及受载破裂过程，基于离散元提出一种水冰颗粒相变耦合膨胀方法，借助颗粒流程序实现岩石冻融过程模拟，结合室内试验验证模拟结果的可靠性，定量表征孔隙水颗粒冻胀评价指标λ_v，建立λ_v与冻融循环次数N之间的函数关系，并对冻融岩石受载过程中微裂纹−位移场−力链场演化及破裂特征进行评估。结果表明：（1）冻融循环作用下岩石内部孔隙水体积膨胀及持续补水是造成其损伤的本质原因；冻融过程中试样细观微裂纹由拉伸裂纹主导，呈“先慢后快”趋势演化，且外围岩石颗粒位移较内部更显著。（2）试样受载时微裂纹呈“慢→缓→陡”发展，冻融循环次数N 与受载产生的微裂纹数量呈正相关，但与微裂纹起裂应力σ_i却呈负相关。（3）冻融前后试样破裂过程与形态明显不一，受载趋于峰值强度σ_f 时，试样微裂纹分布−位移场−力链场有“异常信号”出现，可作为破坏前兆识别信息；冻融循环影响下，试样内部微裂纹空间排布方式更为复杂，由拉伸微裂纹主导破裂向拉−剪混合微裂纹主导转变。该研究可为探索冻融岩石破坏行为提供一种新的思路和方法。

目前还未建立适用于粗粒土渗透及渗透变形试验的缩尺方法，遵循缩尺前后粒径小于d30（颗粒级配中质量百分含量30%所对应的颗粒粒径）以及粒径小于5 mm的颗粒含量及组成不变的原则，基于等量替代法，提出了一种粗粒土渗透及渗透变形试验缩尺方法：如果原级配中5 mm以下的颗粒含量大于等于30%，则根据试样允许最大粒径以下的大于5 mm的各粒组含量，按比例等质量替换超粒径颗粒；如果原级配中5 mm以下的颗粒含量小于30%，则根据试样允许最大粒径以下的大于d₃₀的各粒组含量，按比例等质量替换超粒径颗粒。利用多组粗粒土渗透及渗透变形试验，论证了缩尺方法的可靠性。研究表明：提出的缩尺方法合理可行。缩尺后，土体渗透破坏型式未发生变化，渗透系数与原级配比较接近，渗透变形临界坡降和破坏坡降与原级配基本一致，缩尺级配的渗透及渗透稳定特性能够较好地反映原级配的渗透及渗透稳定特性。

以弱膨胀土为试验材料，开展了宽广吸力范围内非饱和土的持水和强度特性试验研究，并提出适用于宽广吸力范围的非饱和土强度模型。结果表明，在广吸力范围内，应力−应变曲线随吸力增加而增高，在低吸力范围呈现应变硬化，在高吸力范围呈现应变软化。低吸力范围，试样呈现剪缩变形；高吸力范围，试样在轴向应变2%处开始呈现剪胀趋势。此外，提出一种区分吸附水和毛细水的土−水特征曲线模型，并假设吸力引起的强度增强部分主要由毛细水决定。将有效应力系数用毛细水饱和度替代，并代入Bishop非饱和土强度公式，利用不同类型土剪切强度的实测数据和文献中剪切强度模型对比，表明该强度模型可以很好地描述宽广吸力范围内的非饱和土强度。

砂土不排水特性表现出强烈的初始状态依赖性，为深入探究砂土这一特性，介绍了e-lnp（e为孔隙比，p为围压）平面内砂土已有与不排水特性有关的初始状态特征线，即最松固结线（loosest consolidation line，简称LCL）、静态液化分界线（static liquefaction dividing line，简称LDL）以及准稳态分界线（quasi steady-state dividing line，简称QDL），并在引入砂土正常压缩线（normal compression line，简称NCL）的基础上，结合剪胀和屈服理论，补充论证了LDL的存在性，给出了QDL的简易确定方法。基于特征状态线，将砂土初始状态进行了分区，分别为I静态液化区、II应变软化区、III准稳态区、IV应变硬化区，使得砂土在同一初始状态特征区表现出相似的不排水剪切特性。分析了初始状态分区的应用，包括理论应用与工程应用，以期为砂土不排水特性初始状态依赖性的理解及相关工程实际提供指导。

强度折减法失稳判据研究是边坡稳定性分析领域的热点问题。特征点位移突变判据、塑性区贯通判据和计算程序不收敛判据这3类常用失稳判据被认为分别对应于重力势能降突变判据、耗散能增量突变判据和动能增量突变判据这3类能量突变判据。为了统一上述3类能量突变判据，基于最小势能原理，提出了强度折减法新的失稳判据-变分值判据。推导了数值模型总势能二阶变分值计算公式，发现了一种变分施加方式，编写了变分值计算程序，给出了基于变分值正负判断模型稳定与否的流程。通过典型边坡算例，验证了变分值判据和3类能量突变判据的统一性。通过改变数值模型的网格密度、边坡角度和边坡高度等典型参数，讨论变分值判据和3类能量突变判据统一性的一般性。结果表明：变分值判据计算结果与3类能量突变判据计算结果接近，彼此的相对误差小于5%。变分值判据统一了3类能量突变判据，为3类能量突变判据的统一性提供了力学解释。