随着地球资源能源枯竭与深空探测技术的进步，世界各国纷纷规划了针对月球、火星、小行星等地外天体的诸多深空探测任务。抢占深空探测相关科技制高点至关重要，而保障深空探测任务圆满完成更是重中之重。梳理了世界各国近期深空探测任务的时间节点、任务目标和涉及的相关岩土力学与工程问题。地外天体岩土材料赋存于特殊重力、温度、辐射和大气环境，同时受流星体撞击等扰动的影响，与地球岩土材料相比有其特殊性。在文献调研的基础上，探讨了“四特一扰动”的赋存环境与特殊形成过程导致的地外天体岩土力学特性转变。基于当前深空探测任务规划，总结了任务中不同特定需求面临的若干岩土力学难题及研究进展，包括无人勘探与原位力学测试、极端环境试验平台搭建、极端环境岩土材料力学特性、工程机具与岩土相互作用、地外岩土原位资源利用，以期助力我国深空探测任务顺利开展和推动岩土力学向地外天体岩土力学方向拓展。

压缩空气储能（compressed air energy storage，CAES）技术是一种新型的物理储能技术，也是一种具有广阔发展前景的大规模储能发电技术。大规模压缩空气储能通常需要配置大容量的地下储气装置。在现有的地下储气库类型中，内衬式人工硐室地下储气库因其选址灵活、限制条件少成为近年来的研究热点。在当前国内对大规模CAES技术需求迫切的背景下，对人工硐室储气库的理论研究成果和技术发展现状进行了全面梳理和评述，分析了现有地下储气库稳定性分析理论、内衬硐室密封方案和热力学过程分析方法等的优点和不足，并讨论了内衬式人工硐室储气库工程的设计要点和注意事项。最后，提出了影响内衬式人工硐室储气行业发展面临的挑战。

地下内衬硐库的压缩空气储能，以其发电时间长、规模大、建设周期短、选址灵活、工程造价低、运行周期长、环境友好等优势，在新型储能领域展现了较强的生命力，将有力地促进新型电力系统的构建和新能源的高质量发展。与传统地下空间的运行特点有较大不同，在充放气过程中，储备有压缩空气的地下内衬硐库不仅需要承受交变高内压膨胀压力，同时伴随着显著的温度变化。围绕地下内衬硐库，阐述了其工作原理以及柔性密封结构的设计理念，针对高压、交变应力和温度变化等荷载特征，系统分析了地下内衬硐库相关理论与分析方法等方面的研究进展，主要包括库内温压响应与密封结构传热特性、围岩应力路径与力学响应、钢筋混凝土衬砌开裂与控制标准、上覆岩体稳定性与安全埋深、密封层及密封堵头等，并对地下内衬硐库基本原理与分析方法的发展趋势进行了展望。

以沅麻盆地红层软岩为研究对象，开展不同饱水时长下的岩石单轴压缩试验、电镜扫描试验、弹性纵波波速测试，研究饱水红层软岩力学性质、微观结构、弹性纵波波速随时间的变化规律；采用数字图像处理技术对岩石微观结构特征进行量化处理，定量分析岩石微结构变化特征；基于损伤力学理论，构建水化作用下红层软岩损伤模型。研究结果表明，红层软岩饱水1、2、3、5 d后强度分别下降了14%、27%、39%、80%。随着饱水时间的增加，红层软岩单轴抗压强度单调递减，其破坏模式从脆性破坏模式逐渐往延性破坏模式发展，破坏时岩石破裂面与水平面夹角逐渐变小，主贯穿剪切裂缝周围的次生裂纹数量呈先增大后减小的趋势。红层软岩岩样缺陷面积占比随着饱水时间的增长逐渐增加，孔隙数量与孔隙平均尺寸呈负相关，孔隙数量表现为先升高再降低的趋势，红层软岩缺陷面积占比增量与饱水时间呈线性递增关系；同时，随着饱水时间的增长，红层软岩纵波波速降低，expdecl函数适用于拟合红层软岩纵波波速与饱水时间的关系。建立了红层软岩饱水损伤模型，并将模型计算值与试验值进行对比，验证了模型的准确性。该模型能以无损检测的方式准确预测不同饱水时长下岩石的单轴抗压强度，能较好地描述红层软岩饱水后的损伤特性。

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。

我国盐穴地下储库建设起源于江苏金坛盐矿并获得成功，初步构建了我国盐穴储库建设首个技术标准体系。但是，我国各地盐矿的品位、埋深、矿层厚度和夹层特性等地质条件与金坛盐矿相差甚远，盐穴储库建设面临诸多挑战，不能照搬“金坛模式”。着眼于盐穴储库地质设计、造腔工程、注气排卤方案等方面，首先总结盐穴储库建库的“欧美模式”，以及基本上借鉴“欧美模式”发展形成的我国“金坛模式”的基本特征，然后结合我国已开展和正在开展的其他多座盐矿的盐穴储库建设的研究和工程实践，提出几种基于“一地一议、因矿制宜”原则的典型盐穴储库建库的“XX模式”。“XX模式”意味着是不同于金坛模式并有极大突破和变革的新型建库模式，是应对我国各地盐矿地质复杂性所带来挑战的技术方案和新思路。最后，对于下一步应对盐矿复杂地质条件带来的挑战需要突破和创新的关键理论和技术进行了展望。

深入认识桩打入过程的桩-土作用机制对准确计算打入桩的竖向承载力十分重要。为探究砂土中开口管桩在循环打入时桩-土作用机制及打桩结束后的竖向承载特性，开展了直径为0.273 m的开口钢管桩静压循环打入过程的大比例尺（1:10）模型试验，砂土的相对密实度约为40%，通过采用光纤光栅（fiber Bragg grating，简称FBG）应变传感器和薄膜压力传感器等先进监测手段，研究循环打桩过程中土塞高度、桩身应变、轴力和侧摩阻力以及桩-土界面应力变化规律。打桩结束后，进行了休止时间分别为10 d和30 d竖向受压静载试验。随后，将基于静力触探试验CPT的ICP-05法和UWA-05法预测桩竖向承载力与静载试验测量的承载力进行对比分析。结果表明：开口管桩在静压循环打入过程中土塞效应逐渐增强，贯入结束后土塞呈部分闭塞状态；随着贯入深度的增加，靠近桩尖的应变会出现“反点”，即由贯入最后阶段的压应变转为静止稳定阶段的拉应变，而桩尖处的应变在两个阶段均为拉应变；桩身径向应力在桩尖处最大，随着h/R（h为传感器距桩尖的高度，R为桩半径）的增加而逐渐减小，具有明显的h/R效应；休止时间为10 d和30 d的极限承载力分别为289 kN和323 kN，承载力提高约12%，桩承载力具有明显的时间效应；采用ICP-05法和UWA-05法预测桩尖附近的侧摩阻力被低估，而桩尖以上侧摩阻力与实测值吻合较好，ICP-05法和UWA-05法预测桩基承载力偏保守，UWA-05法更接近实测值。

岩石的短期和长期力学性能和变形特性对工程长期稳定与安全有着重要的影响。传统的本构模型难以统一描述不同岩石材料的短长期力学特性，而基于深度学习方法的理论可在不引入其他弹塑性参数以及本构规律的情况下预测不同岩石的力学特性。长短期记忆（long short-term mernory，简称LSTM）深度学习算法适用于处理具有时间序列的数据任务，用于预测岩石短长期力学特性具有显著优势。通过引入LSTM算法，分别根据三轴压缩加载路径和应力松弛随时间变化的规律构建序列数据，建立了灰砂岩在常规三轴压缩以及应力松弛下的力学特性预测模型。与试验数据进行对比，可以证明基于深度学习的岩石短长期力学预测本构模型的准确性。为进一步提升模型工程应用价值，将LSTM本构模型嵌入到有限元法（finite element method，简称FEM）框架中进行数值实现，并应用于灰砂岩变形特性的模拟。对比结果表明，LSTM-FEM方法具有较好地预测岩石短长期变形特性的能力。

为进一步研究饱水、干燥砂岩损伤破坏异常前兆时序信号以及声、热信号的动态敏感性变化，开展不同含水状态砂岩单轴压缩试验，并实时监测砂岩内部声发射信号和表面热红外信号。研究表明：饱水砂岩热红外异常信号率先出现，声发射异常信号滞后出现；而干燥砂岩则相反；饱水砂岩声、热两类异常信号首次出现的时间差小于干燥砂岩，该时间差对于判断砂岩内外损伤加剧程度有重要参考意义，水减少了该时间差，增加了对饱水砂岩损伤破坏的监测难度；饱水砂岩声、热信号动态敏感性指标强弱顺序为：声-热联合信号>热红外信号>声发射信号；干燥砂岩声、热信号动态敏感性指标强弱顺序为：声-热联合信号>声发射信号>热红外信号。声-热联合信号敏感性明显高于声、热信号，因此在实际工程中分析失稳前兆时，对声、热信号耦合分析是十分有必要的。

地下内衬硐库是压缩空气蓄能电站储气装置的主要方案，鉴于其高内气压的荷载特征，硐库上覆岩体稳定性评价是工程设计的关键环节之一。针对隧道式储气硐库，基于极限平衡理论和Mohr-Coulomb强度准则，建立了上覆岩体极限状态下被动岩土压力的力学模型，通过应力边界积分建立了三力矩平衡方程组，提出了可计算任意形态破裂面的安全系数求解方法。结果表明，安全系数主要受埋深、硐库半径、储气压力和地应力系数等因素控制，与埋深呈非线性正相关，与储气压力呈非线性负相关，与半径呈非线性负相关。针对III级岩体条件下，给出了埋深、硐径和最大储气压力等3个设计参数满足稳定性要求的取值范围，对工程设计具有重要指导意义。

深部地层断层破碎带分布广泛，通常夹杂断层泥、岩屑等充填物，可显著降低岩体强度，为围岩稳定控制带来严峻挑战。断层破碎带充填型节理的剪切力学特性复杂且受多种因素的影响，如岩石类型及力学特性、节理面粗糙度、充填物矿物组分及力学性质、流体作用（如地下水）。通过回顾充填型岩石节理剪切力学行为的研究历程，对国内外关于充填型岩石节理剪切力学特性的研究现状进行了系统的总结，从室内剪切试验、数值仿真方法、抗剪强度准则及本构模型理论等方面分析了充填型岩石节理剪切力学特性关键科学问题及研究进展，并剖析了不同研究方法中存在的问题及发展趋势。目前普遍认同充填度、充填物矿物组分及力学性质是区别于无充填节理的最重要特征；地下水作用、法向应力、节理壁粗糙度等因素对充填节理力学特性有显著的影响。目前通过宏观唯象方法建立的抗剪强度理论难以精确应用到工程实际中，未来的研究关键及难点主要包括：多尺度充填型岩石节理剪切力学特性、基于充填节理的剪切破坏形成的细观机制、不同种类充填节理的剪切破坏准则及其对应的数值仿真本构模型及细观参数取值方法等。考虑多场耦合条件下多尺度充填节理的复杂行为将是未来充填型岩石节理剪切行为研究的重要发展方向。

管桩作为一种常用的桩基础，在实际工程中被广泛应用，其动力响应分析具有重要研究价值。基于弹性动力学原理和黏弹性饱和土模型，考虑了土骨架的非流动黏性和管桩的横向惯性效应，研究了分数阶黏弹性饱和土中大直径管桩在竖向动载荷作用下的动力特性。首先，基于Biot动力固结理论和分数阶标准线性固体（fractional-order standard linear solid，简称FSLS）模型，建立了分数阶黏弹性饱和土在柱坐标系下的波动方程。其次，基于Rayleigh-Love杆模型并考虑管桩的横向惯性效应，推导了管桩的桩顶动阻抗解析解答。最后，通过算例分析，研究了分数阶模型参数、管桩横向惯性效应、桩长和土体渗透力对管桩桩顶动阻抗的影响规律。结果表明：饱和土体骨架FSLS模型参数中分数阶数和应变松弛时间的增大以及应力松弛时间的减小都会增大桩顶动阻抗；管桩的横向惯性效应在高频区段对降低桩顶动阻抗尤为明显；缩小管桩外半径和扩大其内半径以及增加桩长，降低土体渗透性均有助于提高桩顶动阻抗。

中高应变率下砂土的动力特性对防护工程、桩基贯入、船舶抛锚、飞机降落等问题具有重要意义。综述了砂土霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar，简称SHPB）冲击试验及数值模拟研究现状，总结了目前砂土冲击特性研究存在的主要问题，归纳如下：(1) SHPB试验对于散体材料仍存在不确定性，如试样尺寸尚不规范统一、边界条件难以控制、三轴试验方法还不成熟等，未来三轴SHPB试验需要解决试样径向变形测量和围压恒定问题；(2) 由于试验条件下排气和排水不确定，且存在惯性效应，导致应变率效应无法准确判断；(3) 含水率对冲击特性的影响与孔隙水压力、孔隙气压力变化相关，但相关变量测量困难，结果难以分析，需要开发完全不排气、不排水的装置以消除边界条件影响；(4) 现有方法如有限元法、离散元法、耦合方法无法统一模拟波传播连续性和颗粒破碎，需要克服计算量限制，建立考虑复杂机制（如含水、颗粒破碎）的数值模型来研究砂土冲击特性；(5) 需要建立考虑应变率效应的本构模型，实现水分、颗粒破碎等复杂机制的模拟，完善中高应变率土力学理论框架。

随着三维数值极限分析得到日益关注，亟需发展适用于岩土常规三轴应力状态的Drucker-Prager（DP）准则。当前尚无适用于岩土常规三轴条件的DP准则的精确解，而是使用近似的等面积圆DP-3₁准则，该准则偏安全。基于岩土三剪能量准则，推导了该准则最高点（即该准则与摩尔-库仑准则的切点）对应的罗德角的表达式，进而通过最高点建立了岩土常规三轴DP-3₂准则，并将其应用于常规三轴条件下土体的极限荷载计算与边坡稳定性分析。研究表明：DP-3₂准则计算的常规三轴下土体极限荷载为实测值的87%～97%，DP-3₂准则与DP-3₁准则计算的极限荷载之比可达1.19，且随着围压减小、黏聚力c 增大或者内摩擦角φ 增大，二者计算结果的差异增大；DP-3₂准则计算的土质边坡稳定安全系数为DP-3₁准则计算结果的1.01～1.04倍，且二者差异随着坡度增大而增大。这些结果表明DP-3₂准则适用于岩土常规三轴应力状态下的数值极限分析。

基于国内外典型地震中155个土石坝地震震害调查样本数据，分析了土石坝震陷规律，并基于灰色关联度分析法对土石坝地震关键影响因素进行了研究。结果表明：震陷率上包线随地震动峰值加速度和震级的增大而增大，随震中距的增大而减小，近场范围内震陷率较大，震中距达到100～150 km时，震陷率已很小；土坝的震陷率上包线值最大，其次是心墙堆石坝，面板堆石坝最小；修建时间越早，震陷率上包线值越大，反映出施工设备和筑坝施工方式的演变所带来的大坝填筑质量的差异；地震动峰值加速度、震级、坝型、修建年份、震中距5项因素对震陷率的影响依次减小，但不存在绝对主导因素。依据震陷规律和关键影响因素分析结果，结合水工抗震规范对土石坝地震残余变形预测和控制进行了讨论，给出了土石坝抗震安全变形控制标准及设计原则，可为土石坝抗震设计、地震残余变形预测和控制提供指导。

静力触探试验被广泛用于确定原状土的工程性质。黏性土中探头的连续贯入引起超静孔压积累，贯入停止后孔压逐渐消散。在结构性粉质黏土、黏质粉土或粉土中，贯入过程可能发生部分排水现象，导致其后续的孔压消散响应相较于不排水贯入时更复杂。将结构土剑桥模型引入有效应力形式的大变形有限元方法，模拟结构性土中静力触探试验的贯入－消散全过程，得到部分排水或不排水贯入后超静孔压消散曲线的归一化表达。通过与现有离心机试验对比，验证了大变形方法的可靠性。大量变动参数分析发现，可以合理忽略土体类型、土体初始结构和消散深度对归一化消散曲线的影响，该曲线可用于确定有效固结系数，进而预测常规固结系数。

中国大多数CO₂储层具有非均质性、低渗等特征，仅在单一储层内进行CO₂封存难以满足中国减排的需求。为了实现大规模CO₂地质封存，多层注入技术被提出以增加CO₂地质封存量。为探究CO₂多层注入条件下盖层密闭性的主要影响因素，通过渗流-应力耦合模拟分析，以孔压、位移和库仑破坏应力增量ΔCFS作为评价盖层密闭性状态的依据，并采用龙卷风分析法进行敏感性分析，筛选出对盖层密闭性影响较大的因素。研究结果表明：注入层数越多，盖层的位移、孔压和ΔCFS越小，盖层密闭性越好，但层数超过3层，层数带来的增效将不再显著；盖层密闭性的主控因素有盖层泊松比与杨氏模量、储层厚度与渗透系数和注入速率；最厚盖层的位置在整个地层的最上部时，盖层密封效果最好，产生垂直位移、孔压和ΔCFS最小。

固结系数是软基沉降计算和稳定性分析的关键参数，现有固结系数原位测试方法存在耗时长且精度低的缺点。根据孔压静力触探试验（piezocone penetration test，简称CPTU）贯入机制与锥肩超孔隙水压力消散模式，采用圆孔扩张理论和轴对称固结方程描述CPTU锥肩超孔隙水压力的形成、发展和消散过程，利用神经网络自动微分功能将轴对称固结方程嵌入深度神经网络，通过物理方程损失函数、边界条件损失函数和初始条件损失函数形成神经网络的物理信息约束，同时将CPTU孔压测试数据作为数据驱动项，以最小化超孔隙水压力损失函数为优化目标，建立了CPTU孔压测试数据反演场地原位固结系数的物理信息神经网络（physics-informed neural networks，简称PINNs）模型。通过已有离心模型试验数据反演验证了PINNs模型反演场地原位固结系数的有效性，并利用CPTU孔压测试数据分析了PINNs模型反演原位固结系数的鲁棒性。结果表明：提出的PINNs模型能够有效利用CPTU孔压测试数据快速准确地反演场地原位固结系数；由于模型融入了物理机制约束，所需训练数据量少，且对有噪声的孔压测试数据具有较强的鲁棒性和泛化性能，为准确、快速可靠测试场地原位固结系数提供了有效途径。

工程中广泛使用的水泥浆液是一种非牛顿流体，在裂隙内扩散时表现出复杂的宏观非线性渗流特征，在细观流场上也因屈服应力的作用呈现出柱塞流等特殊流动现象。配制符合Herschel-Bulkley（H-B）模型的模拟浆液，利用粒子图像测速（particle image velocity，PIV）技术开展平直裂隙内的可视化渗流试验，同时求解H-B-P（H-B-Papanastasiou）方程开展浆液渗流有限元数值模拟。基于平直裂隙中单相屈服幂律流体渗流解析解，从理论、试验、模拟相结合的角度分析了平直裂隙内注浆压力与流速的非线性关系；通过对流速剖面图的对比，分析了H-B流体的柱塞流特征；通过与Bingham模型的对比证明了H-B流体更符合实际浆液流动规律。通过原创的可视化测试手段验证了理论和数值模型，提出了参数取值依据，对提升复杂工程岩体中的注浆工艺具有参考价值。

陆相页岩普遍发育黏土质、长英质及方解石质等不同组分的纹层，在水力压裂刺激页岩裂隙网格结构过程中，界面过渡区（interfacial transition zone，简称ITZ）的存在严重地影响了裂纹的扩展方向和形态。然而，目前缺乏针对页岩纹层ITZ分布范围的有效量化方法。针对页岩微观力学参数曲线的离散特征，通过置信椭圆标定ITZ范围内的离散数据，使用线性拟合与置信椭圆交点的投影长度作为定量页岩纹层ITZ的新方法。借助扫描电子显微镜与矿物定量评价系统，获得页岩表面形貌和矿物分布情况，对划痕试验后矿物破坏形式进行分析。基于纳米划痕试验结果，通过断裂韧性确定了不同岩性矿物的分布长度，并将其与扫描电子显微镜识别结果进行对比。结果表明：伊利石等塑性矿物在划痕试验过程中呈现出碎屑在两侧堆积的破坏模式，而钠长石和石英等脆性矿物则呈现出锯齿状的破坏或点状的崩裂。由于ITZ的存在，扫描电子显微镜识别出的塑性矿物分布长度大于断裂韧性曲线的定量结果。摩擦系数法受到表面粗糙度的影响，拟合置信度较低，定量结果偏大。与摩擦系数法相比，断裂韧性法具有更高的数据连续性和拟合置信度，但是考虑因素较为单一。无量纲参数法综合考虑了断裂韧性、硬度、摩擦系数和划痕深度的影响，曲线离散度较低，拟合误差较小。相比于传统单个力学参数的识别手段，基于无量纲参数对ITZ分布范围的量化准确度有较大提升。

疏浚淤泥含水率高导致干化和固化成本过高。充分利用膨胀珍珠岩（expanded perlite，简称EP）的多孔吸水性，局部分离淤泥中的自由水，使其变为不均匀分布，营造泥-水分离的固化环境。试验发现，掺入EP可以有效提高固化淤泥的无侧限抗压强度（unconfined compressive strength，简称UCS），但其掺入方式影响固化强度的增长速率和孔隙分布特征。焖料方式最有利于提升固化效果，即把EP先掺入到淤泥中，混合24 h后再加水泥固化；养护28 d时，焖料试样的强度是直接固化试样（EP掺入后直接加水泥固化）强度的1.56倍，是仅掺入水泥固化试样强度的2.15倍，说明EP营造的局部泥-水分离环境可有效提高固化淤泥的强度。同时，水化热试验结果表明，EP促进了水泥水化作用。EP-淤泥固化土的孔隙分布曲线和表观形貌照片显示，虽然掺入EP引入了气孔，但也为水化产物提供了生长空间，使得淤泥和EP界面形成嵌入式胶结，共同构成固化土骨架。EP调控淤泥含水率属于物理方法，方便快捷，并且EP是高硅轻骨料，与淤泥相容性好，兼具环境友好性。

荒漠化土地大量分布是沙尘天气频发的根源之一。为有效防沙固沙，需要解决两个关键难题，一是把沙尘固定住，防止沙尘飞起；二是长效固沙，提高固沙的长效性。生物矿化方法是解决长效固沙的一种创新技术。通过室内试验和现场验证，证明生物矿化技术实现长效固沙的可行性和适用性。研究包括脲酶活性试验、钙化试验、固沙风蚀试验等，分析了脲酶活性、胶凝液浓度、pH值、灌注次数、灌注量、温度对生物矿化固沙效果的影响，在此基础上提出了生物矿化-植物-栅栏的联合固沙技术体系，并通过生物矿化固沙风洞试验和现场工程固沙效果进行验证分析，验证表明了联合固沙技术体系的固沙长效性。现场晴天进行生物矿化作业的固沙效果最好，更有利于长效固沙。

在干热岩水力压裂过程中，高温会弱化热储岩体裂隙壁面强度从而表现出裂隙错动的行为特征，而这种弱化现象与黏聚力和内摩擦角的热变特性相关，因此，了解花岗岩在高温下的力学特性对于干热岩开发过程中热储岩体的稳定性评价具有重要意义。在不同高温条件下进行了粗、细颗粒花岗岩变角剪切试验（45°、55°、65°），分析了高温对不同粒径花岗岩黏聚力和内摩擦角的影响，结合扫描电镜与低场核磁共振试验，进一步研究了热力耦合作用对花岗岩微裂纹与孔隙结构演化规律的影响。研究结果表明：花岗岩的黏聚力随温度升高呈现先增加后降低的趋势，内摩擦角变化规律受温度影响较小，300 ℃为花岗岩黏聚力发生转化的阈值温度。在温度阈值前，粗颗粒花岗岩黏聚力增幅约为细颗粒花岗岩的5.73倍，温度强化效应对粗颗粒花岗岩影响更为显著。随着温度的升高，花岗岩微裂纹形式由晶内裂纹向沿晶裂纹发展。核磁共振T₂谱曲线存在多个间断性峰值，温度升高使粗颗粒花岗岩大孔隙受到压实作用，导致弛豫效应减弱，而热力耦合作用对细颗粒花岗岩大孔隙发展影响有限。该研究结果有望为干热岩热储岩体稳定性评价提供参考。

利用微生物诱导碳酸盐沉淀修复重金属污染场地是一种具有较大潜力和应用前景的修复技术。然而，由于在生物矿化应用于西北地区污染场地时黄土中富含的碳酸盐、各种矿物以及周围环境酸碱度（pH值）对重金属赋存形态影响甚剧，其中的内在影响机制仍有待更进一步的探究。通过一维土柱试验考虑不同Cu(II)浓度（500、2 000 mg/kg和4 000 mg/kg）来制备污染黄土试件，后通过注入不同体积（50 mL和100 mL）的细菌胶结液对其进行修复，以Tessier顺序提取、土壤pH值测量和X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）分析不同深度土样的修复效率。结果表明，注入细菌胶结液可将可交换态的Cu转变为生物毒性更低的赋存形态（比如碳酸盐结合态Cu），然而当Cu(II)浓度较低（500 mg/kg）时，未见类似的Cu赋存形态转变。因为土柱不同深度土样Cu赋存形态的转化与周围环境pH值紧密相关，且pH值与注入细菌胶结液的体积呈正比关系，碱性环境进一步促进了Cu和黄土中矿物的配位吸附，但是当碱性环境进一步提高时，修复效率因铜氨络合物的生成而显著降低。这些发现强调了将微生物诱导碳酸盐沉淀（microbially induced carbonate precipitation，MICP）技术应用于铜污染场地复原治理的潜力。

静压桩的贯入挤土效应导致桩侧土压力升高，探究桩贯入挤土导致的桩侧土压力变化对建立合理的桩贯入阻力计算方法具有积极的意义。因此，采用大变形数值模拟方法和南水本构模型对桩在砂土中的贯入过程进行了分析，探究了桩侧土压力系数K的变化规律。结果表明：桩贯入过程中土体受力可划分为加载、卸载和应力稳定3个阶段，在桩端到达土体所在深度时土体的应力达到峰值，远离后土体发生应力卸载，最后趋于稳定；在深度方向的最大扰动范围为5D（D为桩直径），沿径向最大扰动范围为6D。桩贯入完成后的桩侧土压力沿深度方向近似表现为线性分布，在桩端处出现极值。桩径的变化对土压力的影响不显著，不同直径的桩侧壁土压力接近。随着界面摩擦系数的增加，桩侧土压力逐渐增大。基于数值分析结果提出了考虑桩−土界面摩擦系数的桩侧土压力计算方法。

为研究裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响，以及粗糙度对水动力弥散系数DL和溶质运移速度Vt的控制作用，基于分形理论计算了不同裂隙的粗糙度和定水头下的水力开度，讨论了裂隙面粗糙度对粗糙裂隙中溶质运移过程的影响以及不同分形维数裂隙的渗流量和流速。通过耦合Navier-Stokes方程和对流−扩散方程（advection-diffusion equation，简称ADE）获得了裂隙中溶质运移穿透曲线，利用ADE经典解析解耦合直接模拟的穿透曲线，得到了水动力弥散系数D_L和溶质运移速度V_t，讨论了D_L和V_t 对溶质的控制作用及其与粗糙度的相关性，建立了基于分形理论的粗糙裂隙中溶质运移预测模型，并将该模型与直接模拟和基于几何特征的预测模型进行了对比验证。研究结果表明：分形维数D 和幅度参数K_v 表征裂隙面粗糙度的效果较好，D_L和V_t与分形参数DK_v的相关性较高，所建立模型对于岩体粗糙裂隙中的溶质运移模拟具有很好的适用性和准确性。

沙漠-黄土高原过渡带的砂质黄土遇水后会产生明显的湿陷变形，广泛分布于陕北靖边的长庆油田工程遭受砂质黄土湿陷危害严重，揭示砂质黄土湿陷特性及湿陷机制是长庆油田工程建设迫切需求。为此，以陕北靖边沙漠-黄土高原过渡区Q₃砂质黄土为研究对象，通过室内基本物理性质、X射线衍射和湿陷试验，研究砂质黄土基本物理特性和物质组成，厘清湿陷特性、影响因素及其规律。在此基础上，通过扫描电子显微镜试验和孔隙及裂隙图像识别分析手段，探究砂质黄土湿陷前后的微观结构，孔隙大小分布、方向频率及丰度变化，从微观角度揭示砂质黄土湿陷机制。研究表明：靖边Q₃砂质黄土具有湿陷性，且湿陷系数随着轴向压力的增加先增加后减小，随着干密度、含水率的增加而逐渐减小，轴向压力为150 kPa时湿陷系数达到峰值；靖边Q₃砂质黄土以石英、钠长石、白云母以及方解石为主，颗粒形态多以棱角状亦或次棱角状为主，具有架空排列结构和架空孔隙，以点-点接触为主，黏粒胶结物多分布在骨架颗粒接触处。靖边Q₃砂质黄土的架空孔隙结构崩塌是砂质黄土湿陷变形的本质，为湿陷提供主要空间，黏粒胶结物包裹少量碎屑颗粒形成的凝块结构产生的沉降变形为砂质黄土湿陷变形提供了增量。研究成果为长庆油气田工程建设区砂质黄土湿陷性评价提供了数据依据。

通过对各向同性固结不排水试样进行循环三轴试验，研究了饱和重塑砂土的液化行为。试验采用恒幅正弦载荷，通过测量剪切模量、阻尼比、轴向应变和超孔隙水压力比的变化，评估了加载频率（分别为0.1、0.5、1.0 Hz）和压实度（分别为0.95、0.90和0.80）对砂土液化行为的影响。试验结果表明，对于压实度为0.95的砂样，在5 000次加载循环中，0.1 Hz的加载频率对液化过程影响甚微；而对于压实度为0.90和0.80的砂样，此频率的影响显著。对于压实度为0.80的砂样，当频率增加到0.5 Hz时几乎一加载就直接发生液化。这表明增加加载频率会加快液化速度，而增加压实度则会减慢液化速度。因此，通过一系列的试验可以模拟现场砂土在不同频率下的动荷载条件。试验结果表明，饱和砂土的液化行为由以下因素决定：（1）试样的压实度越低，液化越容易发生；（2）加载频率越高，液化越容易发生；（3）循环轴向应变越大，发生液化所需的循环次数越少；（4）超孔隙水压力随加载循环次数增加，直至试样完全液化。

当活动断层发生错动时，穿越活动断层的隧道会发生不同程度的破坏。以往的研究大多未考虑隧道埋深、高应力对跨活断层隧道的影响，结果不太能贴切实际。充分讨论了解决深埋隧道抗错断问题的必要性，通过跨活断层隧道模型试验，对比深埋隧道与浅埋隧道的破坏差异，并通过深埋铰接隧道错断试验，分析了隧道外部应力变化、衬砌应变与破坏形态。结果表明：（1）在深埋与浅埋环境下隧道整体变形皆呈“S”型变形，破坏较严重的区域都集中在断层带位置，其中深埋隧道的破坏模式主要以剪切拉伸破坏为主，产生了较大的挤压变形，破坏区域较大，而浅埋隧道主要以剪切破坏为主，在跨断层位置隧道被剪断。（2）在对深埋隧道进行铰接设计后，隧道由“S”型变形转化成“阶梯”型，隧道应变与外部岩体应力峰值得到降低，破坏程度显著减小。（3）通过对隧道衬砌裂纹分布分析，发现无铰接隧道为贯穿型破坏，裂纹影响至整个衬砌，铰接隧道裂纹影响范围约占隧道总长的66.6%，短铰接节段隧道裂纹影响范围约占隧道总长的33.3%，故深埋环境下采用更短的铰接节段对隧道的抗错断效果更佳。（4）通过对比前人研究的浅埋铰接隧道得出，浅埋铰接隧道在断层带外也会发生变形，而深埋铰接隧道破坏主要集中在断层带内位置，因此对于深埋隧道抗错断保护措施应当多集中在断层带位置。

自然条件下形成的地层中，岩土体的强度参数分布往往具有空间变异性。利用有限的强度数据预测大型潜在滑坡的滑动距离，难以全面反映大型滑坡滑动距离的变化范围，因此有必要结合强度参数的统计特征和分布规律开展滑坡滑动距离的随机分析，为滑坡灾害的防治工作提供参考。对此，基于宾汉姆模型、等效黏度和摩尔-库仑破坏准则，构建了滑坡大变形滑移过程的光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics，简称SPH）方法。利用中心点法生成内摩擦角的随机场样本，通过蒙特卡洛模拟对滑动距离进行随机分析，从而获得了大型滑坡滑动距离的分布特征。选取羊宝地滑坡作为研究案例，通过模拟验证了SPH方法的可行性。通过建立和分析具有不同随机场参数的地层模型，验证了内摩擦角随机场离散的准确性，并校准了模拟参数。在此基础上，通过改变内摩擦角随机场变异系数、竖向波动范围和水平波动范围，分析了不同条件下滑坡滑动距离的极差和分布规律。结果显示：变异系数增大导致滑坡距离的极差增大，滑动距离表现出更强的离散性；竖向波动范围的增大会增大强度参数分布团块的尺寸，从而增大滑坡距离的极差；水平波动范围、竖向波动范围及变异系数均与滑动距离标准差呈正相关性，且水平波动范围的影响最小。

煤岩系统中煤层与岩层之间的层间薄弱带是裂隙分布的主要区域，这些裂隙贯穿于两岩层，严重影响着煤岩系统的力学性质与工程稳定。为探究贯穿裂隙对煤岩系统力学性质的影响，对5种裂隙长度、5种裂隙角度的裂隙煤岩组合体开展轴向加载试验，结果表明：（1）随裂隙长度的增加，抗压强度、弹性模量、峰值能量、冲击能量指数呈线性减小。随裂隙角度的增大，抗压强度、弹性模量、峰值能量、冲击能量指数先减小后增大。（2）试样破坏声发射活动均经历平静期、活跃期、剧烈期3个阶段。随裂隙长度的增加，声发射累计能量先增加后减小。随裂隙角度的增大，声发射峰值能量和累计能量先增大后减小。（3）裂隙长度和角度对翼裂纹、次生倾斜裂纹、次生共面裂纹、斜裂纹、次生衍生裂纹、翼裂纹衍生裂纹、远场裂纹以及剥落现象有一定影响。（4）随裂隙长度的增加，黏聚力和内摩擦角逐渐降低。随裂隙角度的增加，黏聚力和内摩擦角先减小后增大。（5）构建了考虑裂隙长度和裂隙角度的Drucker-Prager强度准则，合理性验证发现：试样误差在1.367%～5.055%合理范围之内。（6）基于耗散结构理论，分析了组合体失稳破坏机制，组合体破坏主要经历了准稳态、亚稳态、失稳、新稳态4个阶段；构建了裂隙煤岩组合体能量运移模型，分析了裂隙煤岩组合体失稳破坏过程中的能量运移规律。裂隙两端是能量积聚的主要区域，煤组分裂隙端破坏时，一部分能量运移到岩石组分裂隙端，以岩石组分破坏或变形的形式释放出去。研究结果可为探究深部煤岩力学性质、揭示煤岩动力灾害发生机制提供有益参考。

基于变分极限平衡法，对设置竖向增强体的复合地基极限承载力开展了理论研究。首先，以竖向增强体复合地基中滑动土体的静力学平衡方程为基本方程，结合变分原理建立了地基极限承载力泛函极值的等周约束模型。在此基础上，利用欧拉方程得到了以潜在滑动面、滑面上法向正应力以及拉格朗日乘子等为基本未知量的控制方程，并通过引入辅助变量将可动边界转化为固定边界。最后，利用打靶法对该耦合的两点边值问题进行了数值求解，得到了问题的精确解答，并与复合地基设计中简化的等效强度指标法进行了比较，且分析了置换率、增强体黏聚力和内摩擦角对地基极限承载力的影响。数值分析结果表明，简化的等效强度指标法可以有效分析竖向增强复合地基极限承载力。

动水作用下岩体裂隙中的颗粒运动是引起渗透破坏的常见原因。针对天然岩石裂隙的随机性与隐蔽性，采用三维Weierstrass-Mandelbrot分形函数构建随机裂隙通道，并采用3D打印方法获得透明裂隙模型实体，使用微流体控制仪开展动水作用下颗粒在裂隙中的运动试验，分析裂隙粗糙程度、颗粒粒径与裂隙开度的比值（简称粒径隙宽比）、渗流水压力对颗粒在裂隙中起动、运移的影响规律，进而推断岩体裂隙发生渗透破坏的可能性。研究结果表明：颗粒在岩石裂隙中的运动规律与裂隙粗糙程度、水压力、颗粒粒径隙宽比3个因素有关。裂隙粗糙程度越大，或颗粒粒径隙宽比越大，颗粒越不容易开始运动，即裂隙发生渗透破坏的可能性越低。同时，水压力是颗粒运动的主导因素，颗粒粒径隙宽比对颗粒运动的影响与水压力有关。存在一特定水压力临界值，未达到该水压力时，颗粒粒径隙宽比对平均运动速度的影响不明显，超过该水压力后，影响程度显著增大，且该临界水压力值的大小与裂隙粗糙程度有关，裂隙越粗糙，临界水压力越大。

盾构穿越富水砂性地层时易出现排渣不畅或喷涌等风险，仅采用泡沫改良往往无法有效改善级配不良渣土的流动性与抗渗性，归因于泡沫易消散和流失，故须引入膨润土泥浆进行组合改良。正确认识土舱压力环境泥浆-泡沫组合改良级配不良砂土的剪切大变形行为有助于优化满足盾构安全掘进的渣土组合改良方案。因此，开展了泥浆-泡沫组合改良级配不良砂土的加压十字板剪切试验，研究结果表明：在土舱压力环境下，组合改良砂土的初始孔隙比和饱和度随泥浆注入比（bentonite injection ratio，简称BIR）增加而增大，有效应力降低，进而导致峰值强度和残余强度降低；然而剪切强度的剪切率相关性和有效内摩擦角对BIR的敏感性较弱；BIR增加还使大变形后改良砂土的屈服应力有所降低。此外，对比常压下流动性相似的3类不同改良砂土带压剪切大变形行为，表明带压环境下提高BIR或泡沫注入比（foam injection ratio，简称FIR）均可提高孔隙比且减小有效应力，但相较于纯泡沫改良砂土，组合改良砂土具有更低的有效应力和剪切强度。该类级配不良砂土的合适组合改良参数为FIR=20%、BIR=10%～15%。最后，细观成像结果揭示了膨润土对改良砂土剪切强度的双重削弱作用：①吸附砂土颗粒表面，降低颗粒间摩擦力；②延缓泡沫衰变，使得小粒径气泡较均匀分布于孔隙中，进而有效削弱土骨架强度。

断层错动诱发上覆土体破坏对跨越断层的埋地管道结构安全构成巨大威胁，是复杂环境地下管线设计中不可忽略的场地因素。既有成果较少涉及正断层和逆断层错动影响下的解析解分析，且针对断层-管道相互作用的理论研究一般将管道结构视为连续管道，较少考虑管道接口的影响。首先，在简化SSR（静止区stationary zone，剪切区shearing zone，刚体区rigid body zone）土体变形模型的基础上，结合erf函数和erfc函数，得到了正断层和逆断层错动影响下的土体位移曲线；其次，引入双参数Pasternak地基模型，对管道微元进行受力分析，借助有限差分法求解得到埋地管道结构的变形和内力；最后，将理论解析解和已有的试验结果及数值模拟结果进行对比验证，获得了较好的一致性。此外，针对断层倾角、断层与管道交点位置和接口转动刚度等关键物理特征参数进行了敏感性分析。结果表明：断层倾角会改变管道位移曲线和轴向应力曲线位置，但其位移最大值和轴向应力最大值基本一致，而断层与管道交点位置不仅会改变管道位移曲线和轴向应力曲线形状，其轴向应力最大值也将发生改变；随着接口转动刚度增大，管道最大轴向应力值随之增大，当接口转动刚度足够大时，可将非连续管道视作连续管道进行计算。

为研究含水率对松软煤体超声波波速与破坏特征的影响，针对不同含水状态型煤试样，采用岩石力学试验机（mechanical testing & simulation，简称MTS）、超声波监测仪，结合图像处理技术（digital image correlation，简称DIC）开展单轴压缩条件下煤体波速、表面形态监测试验，分析波速及变形演化特征；运用计算机断层（computed tomography，简称CT）扫描试验系统进行破坏煤体细观结构观测试验，获取三维裂隙分布形态和特征参数；探讨初始波速和破坏煤体波速随含水率变化规律。研究结果表明：（1）随轴向应变的增加，各含水率下煤体波速均呈现平稳－缓慢下降－急剧下降－再平稳4个变化阶段，且随含水率的增加，波速变化的缓慢下降、急剧和再平稳现象均推迟启动。（2）煤体初始波速及破坏后波速随含水率的增加均先增后减，荷载作用后煤体波速降低值与含水率呈线性关系。（3）随含水率的增加，破坏煤体内部裂隙表面积、裂隙体积及三维分形维数均具有线性增大的变化趋势，煤体由剪切破坏向拉伸破坏转变。（4）微观结构是导致各含水率下煤体初始波速差异的主要原因，而破坏煤体波速由微观结构和细观裂隙分布共同决定。研究结果可为揭示注水煤体声学力学响应特征，防控失稳灾害提供试验依据。

针对不同有效应力下泥岩盖层二氧化碳（CO₂）突破压力演化机制不清的问题，以中国渤海湾盆地粉砂质泥岩盖层为研究对象，开展了不同有效应力下突破压力和渗透率试验，研究了泥岩盖层CO₂突破压力演化过程，讨论了孔隙水膜对突破压力的影响机制。研究结果表明：CO₂注入时，盖层有效应力由27 MPa减小至7 MPa，盖层渗透率由从1.46×10⁻⁶ μm²增加至1.81×10⁻⁶ μm²。当有效应力为5.2 MPa时，盖层突破压力的最小值为3 MPa，其值高于盖层最小封闭界限值2 MPa，表明盖层具有CO₂有效封闭能力。孔隙水膜的分离压力和分布特征是影响突破压力的主要因素，CO₂运移阻力随水膜分离压力增加而增大，导致CO₂突破压力大。渤海湾盆地泥岩小孔径范围为0.1～2.5 nm，对应的水膜分离压力为5.2～50 MPa，水膜对CO₂运移的束缚能力较强。

随着城市地下空间开发规模不断扩大，盾构施工诱发的地层扰动对地下既有建（构）筑物及周边环境的安全产生了重要的影响。通过自主研发盾构掘进试验装置，实现了不同地层应力水平的加载，分析了不同埋深条件下盾构施工地层扰动的变化规律及影响范围。研究结果表明：隧道周围地层中土压力变化率随着距隧道水平距离的增大而逐渐递减；盾构掘进完毕后土压力相对于初始土压力减少了约20%～40%；埋深比变化对拱顶、拱底处的土体应力路径影响较小；定义了基于土压力力变化的地层扰动度，随埋深比的增大，地层扰动度逐渐减小，说明深埋条件会降低盾构开挖对地层的扰动作用；盾构掘进完毕后，扰动作用的竖向影响范围高度介于隧道上下0.5D～0.8D（D为隧道直径）之间，当盾构到达监测断面时水平扰动范围宽度约为0.5D，盾构穿越远离后近似为1.2D～1.5D。

在高内压下，压缩空气储能地下洞室钢筋混凝土衬砌的开裂问题难以避免，为了控制混凝土衬砌的裂缝宽度，衬砌的配筋率往往非常高，甚至高到难以配筋。这不仅增加了地下洞室的建造成本，也降低了压缩空气储能系统的压力上限。为了解决这一问题，提出了高压储气洞室的预设缝衬砌结构，通过对衬砌预设缝释放环向拉伸变形进而降低衬砌所受拉力。但由于衬砌与初期支护间的剪切应力也会对衬砌结构产生拉应力，在预设缝附近（15º范围内）衬砌内钢筋的拉应力得到了有效降低，但远端处衬砌拉应力仍较大。因此，在衬砌和初支之间设置了滑动层，以达到减摩降阻的目的。滑动层的剪切刚度对钢筋应力影响很大。滑动层剪切刚度越小，衬砌钢筋的应力越低。由于滑动层无法实现完全光滑，在高内气压下衬砌钢筋应力仍然很大。为了进一步降低衬砌结构拉应力，提出了分层变形释放的高压储气洞室结构方案，即在衬砌结构预设缝的基础上，初期支护也采用预设缝结构，且初支的预设缝与衬砌的预设缝设在相同位置处。计算结果表明，高压储气洞室采用复合式预设缝结构后，初支与围岩之间发生了相对剪切变形，进而初支与衬砌间的相对剪切变形得到了一定程度的降低，相应的衬砌最大裂缝宽度也得到减小。因此，在高内压条件下，可以采用预设缝钢筋混凝土衬砌结构，衬砌与初支之间设置滑动层；内压进一步升高后，还可以采用初支、衬砌均设置预设缝的复合式衬砌结构分层释放变形，以降低衬砌拉应力。

聚合物砂浆（polymer mortar，PM）因其良好的气密性、抗裂性和变形适应性被认为是一种极具发展潜力的建造压缩空气储能（compressed air energy storage，CAES）人工硐室储气库密封层的可选材料之一。为探究聚氨酯类聚合物砂浆（polyurethane polymer mortar，PPM）与人工硐室储气库衬砌混凝土之间的黏结性能和变形适应性，采用室内试验和数值模拟方法，研究了PPM中粉料和聚合物含量以及配比变化对PPM−混凝土界面的黏结性能和变形性能的影响规律，并分析了界面的破坏特征和破坏机制。研究结果表明：PPM−混凝土界面破坏型式主要表现为界面两侧材料的分离；界面剪应力−位移关系在应力峰值前呈现两阶段近似线性变形特征，界面破坏剪切应变最大值可达11.05%；粉料和聚合物含量以及配比变化对界面黏结强度都有重要的影响，最高黏结强度约为1.21 MPa，最低平均黏结强度为0.237 MPa。PPM−混凝土界面强度和变形性能可满足CAES地下储气库的建库要求。