基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元，建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合“空气单元”的概念，对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象，还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟，分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明，在非饱和裂隙土中，存在两个主要的渗流过程：一是水沿裂隙优先流动；二是水不断从裂隙吸入基质中，基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比，基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程，而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力，从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响，当超过裂隙土的入渗能力时，多余积水沿地表流走，断面入渗率随时间趋于稳定值。

以EDEM软件的Hertz-Mindlin with bonding（HMB）接触模型为基础，对岩石离散元模型构建方法进行了研究。首先，确保HMB岩石模型的黏结键全部为弱键，即黏结键抗拉强度小于其法向极限应力，然后通过仿真试验，分别建立了岩石模型的弹性模量E、泊松比 和抗拉强度 与颗粒和黏结键参数之间的3个回归关系式。根据上述3个回归关系式，构建了用HMB模型拟合真实岩石E、 、 的数学模型。对HMB岩石模型的抗压强度 ，当黏结键的极限应力比（法向极限应力 /切向极限应力 ） 在1～2范围内时， 受到 、 以及二者比值 的共同影响，特别是 在1.5附近时，单轴压缩仿真试验的破坏形式与试验结果吻合的较好，且 一定时， 与 呈线性关系。综合上述成果，提出了一种拟合真实岩石试样的弹性模量E、泊松比 、抗拉强度 、抗压强度 以及岩石试样破坏形式的HMB岩石模型构建方法，并给出了详细拟合步骤。最后通过实例验证了按照此方法构建的砂岩和花岗岩模型既能够拟合岩石的静态力学特性，也可用于分析岩石的动态力学特性。

热性质是岩土体基本的物理性质之一，用以评价热量在其中的保持、传导和分布状况，以导热系数、比热容和热扩散系数最为常见，这些参数也是地热能管理与开发、工程冷冻开挖、寒区工程设计与施工的重要参数。已有研究表明，土壤热参数与土质、来源、含水率、密度等因素有关。通过广东湛江某工地粉质黏土和黏土的热参数测试结果分析发现：随含水率的增大，粉质黏土导热系数和热扩散系数的变化趋势是先增加至最大值，然后减小，而比热容基本呈线性增大。干密度对粉质黏土导热系数的影响与含水率大小有关，当含水率不超过20.0%时，其随干密度的增加而增大，而当含水率超过27.5%后，其随干密度的增加有减小趋势；当含水率在24.5%（液限）左右时，基本没有规律可循。干密度对粉质黏土热扩散系数影响规律不明显。黏土的导热系数和比热容都随含水率和干密度的增加而增大；热扩散系数随含水率的升高整体表现为非线性增加至稳定，在低含水率下干密度的影响不明显，在较高含水率下随干密度的增加热扩散系数先增大后减小。较大颗粒的存在导致粉质黏土的导热性较黏土复杂。

颗粒形貌是颗粒最为重要的特征之一，其与力学性质间的相关性已经受到了越来越多的关注。为了更深入系统地梳理颗粒形貌对集合体力学性质的影响规律，对颗粒形貌的物理表征、数值模拟及室内试验等方面的研究成果进行了综述分析。研究结果表明：基于3个尺度（形状、棱角度及表面纹理参量）上对颗粒形貌的定义方法是最为理想的表述颗粒形貌特征的方法；数值方法可以模拟单个凸形颗粒的形貌及其集合体的排列结构，但对于凹形颗粒的刻画精度不理想；颗粒形貌与孔隙结构、天然休止角、界限孔隙比和粒径大小间存在着相关性；在相同级配和孔隙率下集合体的渗透系数较大程度上受控于颗粒的形貌特征；由于颗粒间咬合作用及接触点数量的不同，在均一粒径中颗粒形貌不仅会对集合体小应变强度、峰值强度及残余强度产生影响，同时还会影响其剪胀性。最后对颗粒形貌研究中存在的问题进行了讨论并对未来的研究工作进行了展望。

为探究锚杆对裂隙岩体的锚固效应及其对裂纹扩展的影响，分别制作裂隙倾角为15o、30o、45o、60o、75o以及90o的无锚和加锚类岩石试块，利用MTS816岩石伺服试验机进行单轴压缩试验，并采用声发射和数字照相技术对裂纹扩展过程进行同步监测和记录。此外，使用颗粒流软件PFC3D进一步研究不同锚固角对裂纹扩展的影响。结果表明：锚固体的峰值强度、弹性模量以及起裂应力较无锚试块均有提高。锚杆的存在降低了拉伸裂纹萌生和扩展时的应力强度因子，能够有效限制拉伸裂纹的萌生和扩展，并且抑制剪切裂纹的出现。拉伸裂纹的萌生和扩展过程可分为初始阶段和加速阶段，加锚试块预制裂隙两端特征点的位移明显小于无锚试块。根据PFC3D模拟结果，锚固角? = 45o时，锚杆锚固作用最明显，随着锚固角度?的增加，拉伸翼裂纹发育程度先增高后降低，预制裂隙试块破坏模式由剪切破坏转为拉剪复合破坏，再转变为剪切破坏。该研究结果可为分析岩体工程的稳定性提供一定的参考。

未来人类的地外天体勘探、太空资源开发、地外基地建设等活动都离不开岩土工程技术的发展。目前，人类获得太空岩石样本仅有太空飞行器取样和收集陨石两种途径。由于陨石存量稀少、价格昂贵、尺寸小并且形状任意，因此难以加工成传统力学试验与模拟（mechanical testing & simulation，简称MTS）材料试验机等宏观岩石力学试验所需要的高质量标准岩样。基于微观岩石力学试验和统计分布模型，发展了适用于小尺寸陨石的力学参数测量新技术。首先，应用矿物自动定量分析系统（TESCAN integrated mineral analyzer，简称TIMA）获得NWA13618陨石成岩矿物组成、含量和分布。然后，利用网格纳米压痕技术进行大量压痕试验获得多点弹性模量；之后，利用高斯混合模型，统计求解NWA13618陨石中4种主要矿物的力学参数。橄榄石、辉石、铁镍金属、长石的弹性模量分别为116.73、101.77、87.24、70.74 GPa；最后，基于岩石力学试验结果，采用Mori-Tanaka均质化方法获得NWA13618陨石宏观cm尺度弹性模量为90.48 GPa。提出的微观岩石力学试验技术和尺度升级方法为预测L4型陨石母星小行星的力学性质提供了理论基础和技术手段。

传统的宽（全）吸力范围内的土-水特征曲线（SWCC）测量方法动辄耗时数月。为了更好地使非饱和土力学理论指导工程实践，SWCC的快速测定显得尤为关键。为开发宽（全）吸力范围内SWCC的快速测定方法，联合压力板法、并行滤纸法、露点水势仪法进行了两种不同土体的宽吸力范围内SWCC的测定试验。试验结果表明：（1）并行滤纸法与串行滤纸法的试验结果能较好地吻合，故可采用并行滤纸法代替串行滤纸法以缩短测量时间；（2）当测量的试验数据满足SWCC的大致形状时（或满足工程设计需求时），可适当减少试验数量，以提高测定效率，联合测定方法测量一条完整的SWCC仅需要10～12个点即可完成；（3）联合测定方法可将SWCC测量时间由数月缩短至7～10 d。所提出的联合测定方法实现了宽（全）吸力范围内SWCC的快速、精准测定，有望使得SWCC的测量成为常规的土工试验。

将Mohr-Coulomb准则与能量耗散理论相结合，考虑了加载过程中岩石的硬化、软化特性，采用非关联塑性流动法则描述岩石的塑性变形，通过损伤过程中耗散能与损伤耗能率相除的方法求解损伤变量，建立了损伤-塑性本构模型。通过常规三轴加-卸载试验，分析了岩石损伤过程中耗散能-损伤变量的关系，建立了损伤耗能率表达式，同时标定了模型参数。利用所提的新模型模拟岩石的常规三轴试验，将模拟结果与试验结果进行对比，探究了模型的合理性。在此过程中得到如下结论： （1）损伤耗散能在线弹性阶段随着轴向应变的增长，呈现上凹型曲线，增长速率不断增大，在应力峰值附近增长速率达到最大值，在峰后残余阶段，损伤耗散能与轴向应变近似呈现线性关系；（2）采用与弹性模量相关联的损伤变量定义方法，试验结果表明，存在一个小于或等于1的损伤变量极限，随着围压的增大，损伤变量极限逐渐减小；（3）所提的新模型能够反映出在加载过程中不同围压条件下岩石的强度、硬-软化特性，数值模拟结果能够描述应力-应变关系、损伤耗散能规律以及损伤演化规律。

基于微生物或脲酶诱导碳酸钙沉淀（MICP/EICP）的土体固化技术是近年来岩土和地质工程领域的研究热点之一。在系统回顾基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化技术发展历程的基础上，重点阐述了MICP/EICP固化机制、土体孔隙结构、菌液和脲酶性质、胶凝液性质和固化方式等方面对碳酸钙特性影响的研究进展。研究结果表明：土体孔隙越小，越不利于微生物或脲酶入渗，固化均匀性越差；土颗粒接触点越多，可为碳酸钙提供的沉积点位越多，碳酸钙与土颗粒间的黏结和桥接作用越强，固化效果越好；一定菌液或脲酶浓度或脲酶活性范围内，碳酸钙的生成速率和生成总量随浓度及活性的增大而增大，但过高的浓度或活性易导致碳酸钙生成速率过快，从而在土体注入端发生堵塞；低浓度胶凝液得到的碳酸钙晶体更小，在土体中的分布更均匀；采用合适的注浆饱和度可提高具有黏结作用的碳酸钙的占比；采用多层交替注入或单相低pH值注入可提高碳酸钙在试样中分布的均匀性。基于碳酸钙沉淀特性的影响因素，提高固化土体的均匀性，验证其耐久性，室内试验结果在现场尺度的适应性和改进方案应该成为以后研究的重点。

利用自主研发的水分迁移和冻胀试验装备，研究了不同初始含水率、冷端温度、干密度对砂土水分迁移规律的影响，分析了三因素作用下砂土水平冻胀力和冻胀量的变化规律，确定了冻结锋面位置。研究表明：初始含水率和冷端温度对砂土的水分迁移和冻胀效果影响明显；初始含水率从0%增加至10%，试样含水率峰值增大了5.00倍，水平冻胀力和冻胀量不断增大，冻结锋面位置上移至2.5 cm高度处。冷端温度从?5 ℃降低至?15 ℃，试样含水率峰值增大了4.38倍，水平冻胀力和冻胀量不断增大，冻结锋面位置上移至2.6 cm高度处。干密度对试样水分迁移和冻胀特性影响相对不明显，整体呈现出在较小干密度下，试样含水率、水平冻胀力和冻胀量增幅稍大的趋势，冻结锋面集中在2.2～2.5 cm高度处。针对不同影响因素提出了水平冻胀力和冻胀量预测公式，为认识水汽补给下砂土水分迁移规律及合理预防冻胀提供参考。

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。

岩石破裂是裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程，为了研究受载岩石发生变形破坏时其内部裂纹动态扩展演化过程，利用工业CT对岩石破裂过程进行阶段性观测扫描，通过CT图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型，并对裂纹结构特征参数进行统计分析，定量化表征岩石破裂过程中裂纹扩展情况。在此基础上，提取裂纹扩展路径上的局部破坏形态特征，结合岩矿鉴定试验进行细观尺度分析研究。研究结果表明：利用裂隙体积V、表面积S及分形维数D等参数可以将三维裂隙扩展过程量化，且参量呈现基本不变—小幅增大—大幅激增的变化规律；CT切片图像中裂纹面积可以表征岩石局部裂纹扩展特征，且与同阶段三维裂隙的扩展演化特征相对应；岩石细观结构对裂隙扩展影响较大，裂隙扩展遇到砾石将形成绕砾扩展、穿砾扩展及分叉扩展3种方式。该研究成果将为岩石失稳破坏、工程岩体致灾预警工作提供研究基础。

为了从剪切磨损角度探索剪切强度各向异性的机制，定量分析了粗糙节理在不同法向应力下的强度特征与破坏特征。研究发现，节理的剪切强度和破坏体积表现出与形貌特征相似的各向异性特征，且两者的各向异性特征随着法向应力的增加而逐渐削弱。另外，调查了锯齿节理的倾角特征和高度特征对剪切行为的影响。分析表明：两者都与剪切强度存在正相关的关系，且倾角特征还决定了剪切过程中节理接触区域的局部性。粗糙节理的表面由很多微凸体组成，不同剪切方向上表面接触区域的不同以及该区域内微凸体高度特征和倾角特征的差异是造成剪切强度各向异性的本质原因。而随着法向应力的增加，节理表面越来越多的微凸体的破坏由滑移磨损演化为剪断破坏，在不同剪切方向上破坏体积的差异也逐渐减小，进而导致剪切所需的能量逐渐趋于一致，这是剪切强度各向异性特征被法向应力削弱的主要原因。

土石混合体−基岩界面的抗剪强度是控制坡体稳定性的重要参数之一，是工程设计的重要参数。为探究块石尺寸对土石混合体−基岩界面剪切力学特性的影响，开展了含不同块石尺寸的土石混合体−基岩界面室内大型剪切试验。结果表明：接触界面的破坏模式受块石尺寸和法向压力的影响不显著，均表现为应变硬化特征；法向压力会削弱块石尺寸效应的影响；随块石尺寸增加，抗剪强度和抗剪强度指标（φ、c ）先增加后减少，既存在着正尺寸效应，又存在着负尺寸效应，尺寸效应对内摩擦角φ 的影响有限，整体在29º波动，而对表观黏聚力c 影响较大；不同块石尺寸试样在不同法向压力作用下均表现出了明显的剪缩行为，法向压力能够增强土石混合体的剪缩特性；土石混合体−基岩界面为薄弱的潜在滑移面，随着块石尺寸系数的增加，薄弱破坏面有向土石混合体内部转化的趋势。

为了提高我国南海钙质砂地基的抗液化性能，提出利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术联合纤维加筋技术对钙质砂进行改性处理。通过开展动三轴试验，对比分析了改性前后钙质砂试样的动应变、动孔压、应力−应变滞回曲线以及动弹性模量的发展规律和演化特征，并结合扫描电镜（SEM）试验探究了MICP和纤维加筋技术对钙质砂的联合改性机制。研究结果表明：（1）MICP技术可以明显改善钙质砂试样的抗变形与抗液化性能，相比于未胶结处理试样，仅MICP处理试样的动应变和动孔压分别降低了95.74% 和 92.46%；（2）纤维的掺入进一步提升了MICP的改性效果，相比于仅MICP处理试样，MICP和纤维加筋联合处理试样的动应变和动孔压分别降低了 74.32%和 74.18%；（3）MICP 和纤维加筋技术通过减轻试样在循环荷载作用下的循环活动强度和能量耗散、提高试样的动弹性模量和减小动弹性模量的衰减速率，从而实现试样抗变形与抗液化性能的显著提高；（4）SEM 试验分析结果表明，MICP 与纤维对钙质砂动力特性的改善具有协同作用。纤维的掺入为细菌提供了更多的附着场所，促进了碳酸钙晶体的生成量，该部分碳酸钙不仅增加了颗粒间的胶结强度，同时也将纤维固定在砂颗粒上增强了纤维网的约束作用。

我国软岩工程涉及能源开采、水利、交通、国防等重要工程领域。随着我国能源开采逐渐向深部延伸以及交通、水利、隧洞等工程的发展，大量隧道、巷道需穿越软岩地层，高地应力、围岩破碎软弱等问题突出，软岩大变形灾害频频发生，造成重大安全隐患和经济损失。对我国现阶段软岩支护的研究进展做了系统的总结，从4个方面概括分析了软岩大变形灾害控制技术与方法的研究现状，包括：（1）以改进型刚性或可缩性支架、复合型衬砌为代表的被动支护方法；（2）以高强预应力锚杆、锚索为代表的增强型主动支护技术；（3）以注浆改性为主导思想的软岩改性技术；（4）让压技术；（5）多重改进方法联合支护技术。阐述了不同支护技术和方法的发展现状，分析了不同支护手段的适用条件、技术优势与不足。采用单一支护手段的改进通常难以满足软岩大变形控制的需求，如何实现不同支护措施之间的高效协同控制，以及实现对围岩变形应力场的实时精准监测等问题是目前我国软岩大变形灾害防控亟待解决的难题。最后，基于上述研究成果，分析了我国软岩大变形灾害控制技术的发展趋势并提出了建议。

为了合理解决岩石类脆性材料损伤状态的描述及其演化问题，探讨了基于应变等效假设的弹性模量法各参数物理含义及其模型应用的局限性，进行了灰岩三轴循环加卸载试验过程中模量变化研究，讨论了卸荷模量替代法以及统计损伤演化模型在损伤演化分析中存在的缺陷。研究结果表明，现有弹性模量法仅能够用于反映单轴压缩条件下岩石损伤演化过程，卸荷模量替代法无法正确描述岩石损伤状态及其演化规律，统计损伤本构模型仅可视为统计损伤演化模型数值[0，1]范围下的理论自洽解决办法。根据上述研究，提出了考虑损伤应变阈值影响的岩石损伤表征变量及其演化模型，建立了损伤应变阈值前本构模型以及损伤应变阈值后损伤本构模型，进行了模型参数敏感性分析。研究结果表明，新模型和方法不仅能够合理阐释三轴压缩条件下岩石损伤破坏机制，也能够准确模拟岩石全应力?应变过程，具有较好的合理性与可行性。

采用Bingham流体模型描述泥石流的动力学行为，将桥墩视为地形条件，在光滑粒子流体动力学（smooth particle hydromechanics，简称SPH）方法的框架上引入边界斥力改进边界条件，构建了泥石流冲击桥墩的三维数值计算模型。基于水槽试验对不同黏性的泥石流冲击桥墩的堆积过程及冲击力时程曲线特性进行了分析，根据水槽试验建立物理模型，实现了不同流变参数和重度的泥石流冲击桥墩的三维动力演化过程模拟，并对不同流变参数的泥石流堆积过程及冲击力时程曲线模拟结果进行了分析。从流体力学的角度对模拟结果进行分析，指出忽略湍流形成的能量耗散是导致稀性泥石流运动过程模拟与试验结果差异的主要原因，并讨论了不同黏性条件下泥石流冲击桥墩的防护措施。研究成果为泥石流冲击桥墩三维数值计算模型的进一步优化提供了理论支撑。

柱状节理岩体的特殊节理网络使其各向异性显著，准确掌握其变形及强度特性对工程安全至关重要。针对柱状节理岩体自然结构特征，采用石膏等材料制作具有不同柱体走向角及倾角的四棱柱、五棱柱及六棱柱柱状节理岩体试样。通过开展单轴压缩试验，研究柱体截面形状、走向角及倾角对柱状节理岩体各向异性特性的影响。结合试样最终破坏形态，总结柱状节理岩体典型破坏模式及机制。根据试验结果，提出柱状节理岩体变形及强度经验公式。结果表明：柱体截面形状主要影响具有不同走向角的试样变形及强度参数，而对具有不同倾角的试样各向异性影响较小；四棱柱、五棱柱及六棱柱柱状节理岩体分别表现出正交各向异性、正交各向异性及准横观各向同性的特征；试样最终形态表现出4种典型破坏模式，且截面形状主要影响仅考虑走向角的试样破坏模式；同时，所提出经验公式的计算结果与已有成果吻合效果较好，具有较高的工程使用价值。

断裂是材料、构件最常见的破坏失效形式之一，它极大地制约着工程设计，研究和掌握岩石等工程材料内部裂纹的扩展和演化规律对于工程建设具有重要意义，目前的数值分析方法在解决此问题时或多或少的存在一些局限，如裂纹路径的网格依赖性，经典断裂准则难以处理裂纹分叉合并等。近年来，相场法在模拟裂纹扩展方面得到了广泛的应用。相场数值流形法则整合了相场法和数值流形法的优势，并用于模拟岩石裂纹扩展。论述了相场数值流形法的数值离散方法，并通过模拟半圆盘三点弯曲试验和巴西圆盘试验验证了相场数值流形法模拟岩石裂纹扩展的可行性。在此基础上，模拟了含有不同岩桥倾角的预制裂隙的岩石在单轴压缩下的多裂纹扩展过程，与室内试验和PFC模拟的结果均吻合较好。结果表明，相场数值流形法在模拟岩石裂纹扩展具有广阔的应用前景。

城市地铁隧道施工不可避免地对围岩产生扰动引起地表沉降，动态预测隧道开挖引起的地表沉降是确保地表建构筑物与隧道施工安全的重要基础。针对隧道施工过程中地表沉降难以准确动态预测的问题，在定义纵向开挖度系数? 的基础上，建立横向地表沉降动态预测模型。该模型能够描述同一监测位置沉降曲线随掌子面推进而不断变化的规律，实现施工现场沉降动态预测。结果表明：在特定约束条件下，该模型能够退化为Peck模型以及随机介质理论预测模型；通过现场施工验证了该动态预测模型的准确性与适用性；基于纵向开挖度系数? 将隧道沿纵向分为强烈、中度和轻度共3个影响段，较好地反映了开挖掌子面在不同位置对同一监测截面的影响程度；通过分析建筑物和隔离桩对地表沉降曲线的影响可知，建筑物与其附近地层呈现出协同变形、共同承载的特征，在隧道一侧添加地质钻隔离桩对该侧地表沉降值的减小程度可达71.9%。研究成果对滇中引水工程现场施工与类似工程具有一定指导和借鉴意义。

高温会使岩石产生热破裂现象，从而影响岩石的渗透性能。为了探寻温度对岩石微结构及渗透性能的影响，对50～800 ℃高温热处理后花岗岩开展了气体渗透率试验，并结合CT扫描技术，对高温热处理后花岗岩内部的微结构进行三维重构及特征分析，深入讨论了花岗岩受热后微结构的变化规律。在此基础上，对Kozeny-Carman模型及其改进模型在高温下的适用性进行讨论与验证，最后结合孔隙分形模型提出了高温后花岗岩温度?渗透率模型。结果表明：（1）温度升高过程中，花岗岩内部微结构发生明显变化，在400 ℃之前，矿物热膨胀性不均，岩石颗粒之间产生微小孔隙，构成了孔隙结构；而随着温度继续增加，孔隙端部产生裂纹并迅速扩展、连通，形成孔隙?裂隙网络结构。（2）当热处理温度不高于600 ℃时，花岗岩内部微结构形状因子概率分布曲线基本保持一致；当温度高于600 ℃时峰值对应的形状因子左移明显，其平均形状因子降低较大。（3）在孔隙结构阶段，花岗岩的渗透率变化不大，约为10?18 m2；在孔隙?裂隙网络结构阶段，花岗岩的渗透率随着裂隙的扩展而呈指数型增长，800 ℃时的花岗岩渗透率是常温下的8×104倍。（4）在应用4种孔隙率?渗透率模型对50～800 ℃孔隙率和渗透率的拟合结果中，Bayles模型和Costa模型描述高温后花岗岩更合理，拟合结果较K-C模型和S-R模型更高。（5）在温度低于600 ℃时，花岗岩内部微结构的形状基本没有变化，可以认为K-C形状系数保持为常数，说明对于花岗岩，Bayles模型和Costa模型在温度低于600 ℃时是适用的。（6）在Costa模型的基础上，结合高温后花岗岩孔隙分形特征，得到了高温后花岗岩温度?渗透率模型。将50～600 ℃的试验数据代入新模型进行验证，结果表明拟合度较好，达到0.99以上。

定向钻技术起源于石油钻井工业，经多年发展已拓展至隧道工程地质勘察及灾害处置、煤矿底板含水层改造、蓄能电站抽水通道施工、市政管道铺设等多个领域。地面注浆技术结合定向钻长距离精准穿越的优势，可实现地下工程不良地质高效预加固与灾害安全处置，具有广阔的应用前景。系统综述了定向钻注装备技术的发展历程、研究现状和待突破关键技术。首先，介绍了定向钻与地面注浆技术的发展历程；其次从重大科研项目、学术论文、授权专利以及工程实践等方面进行了分析与总结。结果表明：我国现阶段定向钻注技术总体已达到自主化、实用化的国际先进水平，但在千米级长距离快速钻进、复杂地质条件精准导向、地下工程精准注浆处置等核心技术方面仍存在“卡脖子”难题。面向战略性重大工程建设需求，提出了超长距离定向钻注一体化装备“预报、钻进、注浆、检测”四大功能模块，围绕随钻感知预报、快速钻进与卡钻预测、精准导向技术、远距离凝胶可控注浆材料、稳压控制分段注浆工艺、随钻检测系统六方面，开展了分析与讨论，可为我国定向钻注一体化装备技术发展和地下工程灾害防控提供参考。 关 键 词：地下工程；定向钻；地面注浆；钻注一体化装备；注浆技术

处在高温环境下的岩石力学性质可能发生劣化进而导致岩体稳定性降低，因此研究高温作用下岩石的本构行为具有重要意义。基于现有岩石统计损伤本构模型研究，引入Weibull分布函数和热损伤变量，在微元体强度服从Mohr-Coulomb（简称M-C）准则的条件下，建立了高温作用岩石统计损伤本构模型，并确定了参数表达式。验证阶段首先与文献中的理论曲线进行对比分析，验证了模型的合理性，最后采用不同温度条件下（25、80、100、150 ℃）砂岩三轴压缩试验结果对模型进行了验证。结果表明：建立的高温岩石统计损伤本构模型理论曲线与文献中的理论曲线具有相同的趋势，体现了本构模型的合理性和准确性。同时模型理论曲线与砂岩三轴试验曲线具有较高的吻合度，说明本构模型能够反映出砂岩的破裂应力?应变过程，能够体现出模型的适用性，且本模型不包含非常规力学参数，物理意义明确。研究成果可为高温热处理岩石力学的相关计算与数值模拟提供理论支撑。

锚-土界面剪切应力松弛是引起锚杆（索）预应力损失的关键因素。首先，研制了锚-土界面剪切应力松弛试验装置；然后，针对红黏土锚固单元体试样，分级施加恒定的界面剪切位移，获得了锚-土界面剪切应力松弛全过程曲线，并采用坐标平移法将分级加载曲线转化成分别加载曲线；再引入分数阶微积分理论改进黏壶元件，建立了红黏土-锚固体界面剪切分数阶M||N（由Maxwell体和Newton体并联组成）松弛模型，选取部分剪切位移水平下的松弛试验曲线回归分析得到了各模型参数，同时还拟合得到了各模型参数随剪切位移的变化关系；最后，采用建立的松弛模型，对另一部分剪切位移水平下的松弛曲线进行预测。研究结果表明：相比于整数阶M||N模型、Burgers模型以及五元件模型（H||M||M），提出的分数阶M||N松弛模型不仅具有结构简单、参数较少等优点，也具备更高的拟合及预测精度。

分散性土属于一种水敏性土，具有遇水分散流失的特征。通过分散性试验、力学性质试验、化学性质试验、微观结构试验及模拟降雨冲刷试验，研究了木质素磺酸钙改性分散性土的影响因素及其改性机制。试验结果表明，随着木质素磺酸钙掺量的增加，改性土的分散性、崩解性和抗冲蚀性均逐渐改善，在掺量达到3.0%时即有着良好的改性效果；无侧限抗压强度先增大后减小，压缩系数呈先减小后增大的趋势，均在0.5%掺量时取得极值。随着养护龄期的延长，改性土的分散性和崩解性逐渐降低，压缩系数显著减小，抗压强度逐渐增大。28 d龄期时，0.5%掺量和3.0%掺量改性土的抗压强度较分散性土分别提升了50%和20%。木质素磺酸钙主要通过双电层厚度降低、阳离子桥接、颗粒胶结和疏水基斥水作用来改善分散性土的工程特性，但掺量过高时，木质素磺酸钙会优先与自身结合并减弱土颗粒间的吸引力，使得土体孔隙率增大、力学性能下降。研究表明，木质素磺酸钙对分散性土具有良好的改性作用，可显著改善黏性土的水敏性，提高土体的水稳性和抗冲蚀性。

经典的Richards入渗控制方程属于偏微分方程，具有强烈的非线性，难以求得解析解。以入渗时间为最小作用量，基于Richards方程建立关于入渗路径的时间泛函，将考虑重力项的非饱和土垂直入渗问题转化为泛函极值问题，并构造等价的Euler-Lagrange方程进行求解。计算结果表明，扩散系数D（?）与概化湿润锋距离具有函数关系，当扩散系数D（?）形式已知时，可求得最优路径下湿润锋处含水率、较远处湿润锋最小含水率、土壤含水率最大熵分布3个问题，并基于最优路径检验了本研究条件下，Boltzmann变换和线性变换求解Richards方程的精度。求解过程未引进新变量化简Richards方程，不改变原方程结构，因此其解具有普遍性，可作为非饱和土力学计算的一个补充。

基于连续介质模型并考虑桩-土运动相互作用，将单桩视为一维线弹性梁，研究了竖向入射S波作用下的单桩水平地震响应问题。将竖向入射S波模拟为基岩水平位移，基于平面应变模型建立的土体控制方程，推导出地震作用下土体水平动力阻抗函数表达式。将土体阻抗代入单桩控制方程并联立桩-土接触条件及桩顶和桩底的边界条件，得出了竖向入射S波作用下单桩的地震响应解析解。通过将所得解与已有文献理论解和有限元结果进行对比，验证了该方法的合理性。基于所得理论解进行参数分析得出：桩-土模量比的增加可以明显降低桩-土运动相互作用因子的最小值，而较大桩身长径比以及土体滞回阻尼对桩-土运动相互作用因子的影响较小；对于桩顶水平地震放大因子来说，桩-土模量比的增加仅在高共振频率处抑制其幅值，较大桩身长径比对其影响较小，而滞回阻尼比的增加会显著抑制共振频率处的幅值；桩身地震响应仅在较小桩径比时受桩-土模量比的影响明显，并随桩-土模量比的增加而降低。

为研究节理密度对岩体强度特征及破坏模式的影响，以石英砂和呋喃树脂为打印基材，采用3D砂型打印技术制备含有不同节理密度的类岩石试件。对3D砂型打印试件进行单轴压缩试验，采用数字图像相关（DIC）方法进行非接触式全场变形测量，从细观力学角度定量分析裂纹萌生、扩展以及贯通行为。试验结果表明：3D砂型打印完整试件的应力?应变曲线形态、压拉强度比与真实岩石相似，属于一种类岩石材料；不同节理密度试件的应力?应变曲线变化过程大致相似，可划分为初始压密、线弹性变形、破裂发展以及残余强度4个阶段；试件力学参数随着节理密度εf的增加而减小，两者之间呈指数衰减关系；通过计算试件表面应变场和位移矢量分布，发现试件变形场分布、裂纹扩展演化均与节理密度密切相关；随着节理密度的增大，试件破坏模式由轴向拉伸破坏（?f = 0.280%）过渡到混合破坏（?f = 1.193%），最后转变为拉贯通带破坏 （?f ≥ 1.712%），而当节理密度超过阈值2.739%，拉贯通带内的块体发生转动，重现了书斜式断层旋转这类地质构造。

相比于传统的小变形锚杆支护材料，负泊松比锚杆/索材料具有大伸长量、高强高韧、高恒阻力、吸能等优异力学特性。在宏观负泊松比（NPR）锚杆/索研究和应用基础上，何满潮研发了新一代微观NPR钢材料和微观NPR锚杆。目前微观NPR钢材料的静力学特性研究较少，微观NPR锚杆在城市地下隧道工程的适用性有待于现场应用验证。通过室内静力拉伸试验对微观NPR钢的力学特性进行了研究，结果表明本批次微观NPR钢平均伸长率为34.68%；恒阻力值范围为203.9～ 240.7 kN；拉伸全过程表现为均匀拉伸变形；无屈服平台，破断时无明显颈缩现象。通过理论推导，建立了微观NPR锚杆在微静力拉伸条件下的弹塑性增量本构模型。以某路地铁站风道段为工程背景，介绍了微观NPR锚杆施工工艺，现场测试了极限拉拔力、伸长率及锚杆轴力等方面，结果表明，微观NPR锚杆具有高恒阻力及大伸长量等优势。在围岩大变形隧道开展了支护应用试验，验证了其具有良好的围岩大变形控制效果。

为综合评估炭质页岩的路用性能，充分认识炭质页岩的颗粒破碎行为，测试了炭质页岩块在循环压实过程中各粒组含量的演化规律，结合室内击实试验阐述了颗粒破碎对炭质页岩击实性能的影响，确定了最佳填筑级配，并依据最佳级配进行三轴湿化变形试验，从颗粒破碎角度分析了炭质页岩填料湿化变形的变化规律，最后对炭质页岩现场填筑效果进行了验证。结果表明：炭质页岩压实过程经历结构调整、颗粒破碎、压缩变形3个阶段，形成的相对稳定级配结构为其用作路堤填料提供了基础；填料最大干密度形成机制受颗粒破碎过程中粒径为20～40 mm与粒径小于2 mm颗粒含量变化的影响较大，随粗料含量增加，试样相对破碎率线性增大，最大干密度呈先增大后减小变化，最优粗料含量约为70%；湿化变形是混合料颗粒破碎的外在表现，浸水湿化后混合料强度降低约40%，可采用相对破碎率 B_r 预估混合料遇水产生的湿化变形量，并建立了相对破碎率与围压、应力水平间的数学关系式；现场填筑过程中路堤压实度检测与沉降观测表明，炭质页岩路堤的最佳铺松厚度约为40 cm。

为探究相变储能充填体孔隙结构特征及其对充填体强度劣化的影响，以硬脂酸丁酯为相变材料，膨胀珍珠岩为吸附介质制备复合相变材料，将其与水泥、尾砂混合制备不同复合相变材料添加量的相变储能充填体，并采用CT（电子计算机断层）扫描、MRI（核磁共振成像）分析、单轴压缩试验等方法得到不同添加量相变储能充填体的强度特征和结构特征，分析其影响机制。研究结果表明：（1）相变储能充填体孔隙率随添加量增大逐渐增大，其中大孔孔隙率近似线性增加，大孔占比逐渐增加，孔隙趋近球体。（2）随着相变材料添加量增加，充填体连通性增大，孔喉长度增加，大孔径孔隙数量增多，孔喉配位数集中在5以下，分形维数先下降再大幅上升，孔隙分布复杂。（3）当复合相变材料的添加量为5%时，受大孔隙及孔隙连通性增大的影响，充填体单轴抗压强度下降了30.2%；当复合相变材料的添加量为10%时，孔径分布趋于均匀，充填体单轴抗压强度下降了48.9%。

在已有的锅盖效应研究的基础上，针对实际工程中由上至下具有覆盖层（相当于“锅盖”）、碎石层、黏土层结构的路面和跑道等，研究锅盖效应导致的增水规律。通过开展室内试验，模拟实际工程中的道基结构，在开放和封闭两种条件下，分别分析土层增水规律。试验结果表明：两种试验条件下存在锅盖效应水汽循环现象，两者的水头循环峰值不同。对水头进行计算，解释了两种试验条件下产生水汽循环的内在机制。对封闭系统的循环水量进行计算，验证了两组试验在半个循环内产生的循环水量大致相等。锅盖效应导致的增水规律与碎石层下部是否平坦有关。若碎石层下部不平坦，碎石层里的水会不断累积；若碎石层下部平坦，当碎石层里的水增加到一定量后，水量不会再增加，定量的水在碎石层里进行水汽循环。工程中应该设计有利的道基结构防止道面下大量增水。

衬砌劣化普遍存在于隧道工程，对隧道运营安全产生威胁。针对流变岩体中运营隧道衬砌劣化现状，建立了考虑围岩流变及衬砌劣化特性的时效解析模型，分析了隧道全寿命周期内围岩位移、支护反力变化规律。通过数值建模验证了解析模型的正确性，借助本模型对衬砌劣化系数、衬砌厚度、支护时间及围岩流变特性等参数进行敏感性分析，最后对隧道服役性能进行了探讨。研究表明：在围岩流变效应下支护压力随时间增大，而支护结构在服役环境下力学性能逐渐降低，两者的耦合作用缩短了结构达到屈服强度发生破坏的时间；获取了支护荷载及承载能力时程曲线，建立了围岩流变及支护性能劣化耦合作用下隧道服役寿命预测模型；明确指出支护?围岩关系是隧道结构长期安全性的核心内容。

研究花岗岩残积土压缩变形过程中微观结构的演化规律，对于深入理解风化土的变形机制、结构特性对其力学性质的影响，建立微观结构特征与宏观力学行为的联系均有重要意义。对厦门花岗岩残积土原状样与重塑样进行了一维压缩试验，对不同荷载作用下的试样进行扫描电子显微镜测试，提取表征颗粒团聚体与孔隙的体积、形状与定向性等微观结构参数，对比分析这些微观结构参数在压缩变形过程中变化的规律，提出了花岗岩残积土的压缩变形机制。结果表明：厦门花岗岩残积土具有明显的胶结效果，压缩曲线呈现明显的弯点，当荷载超过拟先期固结压力后，压缩曲线逐渐向固有压缩曲线（ICL）靠近；原状土的压缩变形主要由大孔隙压缩引起，而重塑土是大、中孔隙向小孔隙转化；原状土的颗粒团聚体具有相对较差的圆度，随着压缩变形逐渐增大，颗粒团聚体形状向偏圆形发展；压缩变形会引起颗粒团聚体向垂直于加载应力方向偏转，造成颗粒团聚体定向性增加。花岗岩残积土的压缩变形机制可归结为微观结构的不断自我调整以趋达到稳定有序状态。该研究可为我国南方地区的花岗岩残积土的基础变形分析提供理论支撑。

浆液在多孔介质中的扩散路径对渗透扩散范围和注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析，以分形特征与宾汉姆流体在多孔介质中的渗流运动方程为基础，揭示了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制，并利用团队前期开展的渗透注浆试验对其进行了验证。分析了多孔介质孔隙率、宾汉姆水泥浆液水灰比、多孔介质渗透系数、注浆压力、地下水压力等对扩散半径的影响变化规律。同时，基于Comsol Multiphysics平台，采用计算机编程技术二次开发得到了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制的渗透注浆三维数值模拟程序，并以此开展了宾汉姆水泥浆液在多孔介质中渗透扩散形态效果的数值模拟。研究结果表明：与不考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆球形扩散公式获得的扩散半径理论计算值相比，采用考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值更接近试验值。该研究成果可为实践注浆工程提供一定的理论支撑。

为探究脲酶诱导碳酸钙沉淀（enzyme induced carbonate precipitation，EICP）技术修复重金属污染土的环境耐久性，分别对EICP修复后的锌、铅污染土进行酸液浸泡、冻融试验和雨淋试验，探讨了EICP修复锌、铅污染土在不同环境条件下的耐久性及其影响规律。结果表明，在不同浓度、不同类型酸液条件下，EICP修复后的锌、铅污染土中可交换态和碳酸盐结合态的重金属离子浸出量随pH值降低，碳酸盐结合态含量降低，可交换态含量逐渐增加，且硫酸环境下的稳定性大于硝酸环境下的稳定性；随着冻融循环次数的增加，EICP修复后的锌、铅污染土中可交换态离子浸出量增加，碳酸盐结合态含量减少；在大雨条件下，Zn²⁺、Pb²⁺主要在前20 min内进行释放，并由上往下迁移；经EICP修复重金属污染土在酸液、冻融循环和雨淋条件下具有良好的耐久性。

近年来，工业和科技的快速发展使得重金属污染土固化/稳定化的修复研究成为热点。运用微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术联合吸附材料对锌铅复合重金属污染土进行固化/稳定化的修复，通过无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验，评价处理前后污染土的固化效果与重金属的稳定化效果，结合扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等检测手段，揭示MICP技术处理锌铅重金属污染土的修复机制。研究结果表明，采用MICP技术对锌铅重金属污染土进行固化/稳定化之后，可以有效降低污染土中有害重金属的浸出性。当矿化时间为10 d时，试样无侧限抗压强度为942.5 kPa；铅的浸出浓度为 4.20 mg/L，比未处理时降低了44.81%；锌的浸出浓度为4.31 mg/L，比未处理时降低了46.19%，效果显著。在此基础上，添加10%的多孔硅吸附材料后，试样无侧限抗压强度可达到1 021 kPa，强度提高了8.3%；铅的浸出浓度为2.45mg/L，与未经处理时相比，降幅达到了67.81%，与单纯MICP方法处理时相比，铅浸出浓度被二次降低了41.67%；锌的浸出浓度仅为 2.93 mg/L，与未经处理时相比，降幅达到了63.4%，与单纯MICP方法处理时相比，浸出浓度被二次降低了31.9%。多孔硅吸附材料的添加明显提升了MICP技术对锌铅复合重金属污染土的修复效果，由于多孔硅吸附材料对重金属离子的固定与吸附，污染土中重金属的浸出浓度减小，同时，吸附材料还可以作为碳酸钙晶体沉积的核位点，加速矿化反应。该研究提出了处理重金属污染土的新技术并揭示了其修复机制，为MICP技术联合多孔硅吸附材料对现场锌铅复合重金属污染土的修复与应用提供了理论与试验依据。

采用地聚合物对黄土进行固化处理，通过三轴试验研究了干湿循环下不同掺量地聚合物固化黄土抗剪强度的劣化规律，提出了固化土强度劣化的经验公式。结合X射线衍射（X-ray diffraction，简称XRD）、电镜扫描（scanning electron microscopy，简称SEM）和压汞（mercury intrusion porosimetry，简称MIP）试验，分析了水化产物、固化土微观形貌演化与孔隙分布，探讨了地聚合物固化黄土的劣化机制。三轴试验结果表明：相较于素土，固化土的抗剪强度随地聚合物掺量增加而显著提高，黏聚力及内摩擦角最高提升260%和43%；固化土抗剪强度与孔隙率 对地聚合物体积含量 的比值 呈幂函数关系；地聚合物可有效提高固化土的抗干湿耐久性，在9次干湿循环后10%和15%的地聚合物固化土抗剪强度仍保持初始强度的75%以上，但5%的地聚合物固化土在干湿作用下劣化明显，经历9次干湿循环后其强度接近素土；干湿循环对固化土峰值偏应力与黏聚力影响较大，对内摩擦角影响较小。综合考虑地聚合物掺量、围压及干湿循环次数的影响，提出了地聚合物固化土强度劣化经验公式并验证了其准确性。XRD、SEM和MIP试验结果表明：地聚合物的主要水化产物是水化硅酸钙（calcium silicate hydrate，简称CSH）和水化硅铝酸钙（calcium aluminosilicate hydrate，简称CASH），其胶结和充填作用增强土体黏聚力并使土体形成致密的微观结构，从而提高固化土的强度；干湿循环使得土体孔隙扩张并产生新裂隙，导致土颗粒间的胶结破坏，进而劣化固化土宏观强度。

Terzaghi于1922年提出的有效应力概念是土力学的基石性概念，其历史迄今已有百年。值此百年之际，有必要对有效应力的概念起源、物理意义、方程形式及其力学作用进行总结和分析。可知饱和土Terzaghi有效应力方程已得到了广泛的认同，而非饱和土Bishop型有效应力方程的具体形式尚未统一。有效应力方程中应力变量的物理意义仍未形成共识。通过进一步的分析，认为存在于土骨架上的应力可以分为3类，第1类是由总应力引起的沿土骨架传递的应力，即有效应力；第2类是由孔隙流体压强引起的作用在土颗粒横截面上和土颗粒间接触面上的应力，它们不沿土骨架传递；第3类是由范德华引力、双电层斥力、收缩膜表面张力（对非饱和土而言）和胶结物作用引起的颗粒间局部应力，它们也不沿土骨架传递。因此，这3类应力对土体抗剪强度和体变的贡献应分别考虑。