针对膨胀土分布区公路边坡常浅层坍滑现状，选取南、北方3种典型膨胀土样，模拟干湿循环并计及边坡破坏时滑面的上覆压力，改变常规试样吸湿及施剪条件开展试验研究，以获得较符合实际的膨胀土抗剪强度及其衰减规律。结果表明：不同上覆压力对膨胀土抗剪强度的影响为荷载越大其强度绝对衰减率越小；用双直线能较好表征其抗剪强度线特征，强度指标c、? 宜按高、低应力段分别获取；随干湿循环次数增加，c值呈指数函数衰减，是造成边坡浅层坍滑的主要原因；? 值随作用次数增加虽有减小趋势，但降幅不大；通过控制基本相同的试验条件，实测得3种膨胀土的最终抗剪强度均降至某一幅值范围。研究结论为解读膨胀土坡为何多浅层坍滑提供了有价值的信息。

为提升地铁盾构隧道的防灾减灾能力，以北京某典型地铁盾构隧道及邻域的基坑工程为基础，应用相似材料模型试验与数值模拟相结合的方法，研究了上方基坑开挖卸荷-加载作用下地铁盾构隧道的变形特征及围土压力分布规律，并对基坑底部与盾构隧道顶部净距和基坑加载强度的影响进行了分析。研究结果表明：盾构隧道上方基坑开挖卸荷-加载过程中，随着基坑开挖卸荷的进行，盾构隧道逐步上浮，基坑开挖至底部时，竖向位移达到最大值；随着基坑加载的进行，竖向位移可得到适量恢复，最大竖向位移差及最大水平位移差均出现在基坑开挖卸荷完成阶段，此时应尽早完成基础底板封闭施工。基坑开挖卸荷-加载过程中，盾构隧道围土压力始终呈葫芦型对称分布，盾构隧道顶部及底部土压力较大，腰部土压力较小，基坑开挖卸荷完成后，长轴方向土压力明显减小，基坑加载完成后，土压力有所恢复，但并未达到最初状态。随着基坑底部与盾构隧道顶部净距的增加，盾构隧道结构位移、拱顶与拱底竖向位移差及水平收敛均逐步减小，当净距大于3 h（h为基坑深度）时，上方基坑卸荷-加载对盾构隧道影响逐步趋于轻微。在基坑加载强度为卸载强度的2倍时，盾构隧道竖向位移可恢复至最初状态。

岩体节理在受到应力波扰动时端部受力会发生不同程度的连续性变化，为具体分析这种动态变化与应力波入射角度之间的关系，引用岩石非线性法向本构关系与线性切向本构关系的组合模型以及相应的在P波斜入射节理的应力波传播方程，结合岩石断裂力学中Ⅰ、Ⅱ型裂纹尖端应力和位移场的相关理论，得出组合形式下的节理端部应力场和位移场随质点振速变化的计算公式。通过不同入射角的模拟脉冲信号作用对端部应力位移的变化分析：应力波斜入射节理导致节理端部上、下两侧应力与位移场非对称分布，随着入射波质点振速的增减变化，应力集中位置会出现变化；计算并整理模型中节理端部上、下两侧0.005 m位置的数据，节理法向刚度由入射波质点振速带来的变化直接影响到应力波的透射与反射，进而会导致端部的应力与位移出现滞后效应；节理端部横向位移值与入射角度并非单调变化，而竖向位移会随着入射角的增大呈现下降趋势。

尺度效应在水土科学定义中原是指土壤特征(水分和盐分)的变化对采样网格尺度大小的依赖，某一种采样尺度只能揭示相应的变化规律，某一种空间结构特征只能在一定采样尺度下才能表现出来。指的是在不同的观测尺度（微观、细观、宏观）下黄土体结构损伤的演化规律。冻融循环作用是季节性冻土地区工程发生病害的关键因素，为探究冻融环境下黄土体结构损伤的尺度效应，取延安市黄陵县黄土为研究对象，以初始含水率及冻融循环次数为变量，通过扫描电镜、CT扫描、表观结构试验，探究黄土体在不同初始含水率、不同冻融循环次数下结构损伤微观、细观及宏观表现特征。 基于Leica Qwin、Canny算子边缘检测、分形维数、彩虹码伪彩色增强技术、显著性理论对试验结果进行分析，试验表明：随着冻融循环次数的增加试样微结构单元发生了明显变化，具体表现为颗粒尺寸均一化，骨架连接方式发生转变，由面-面接触转变为点-面、点-点接触，粒间连接减弱，细观表现为试样高密度区不断减小、中低密度区不断增多，冻胀力、迁移力不断显现，使得黄土体完整性降低，迁移通道不断发育，造成宏观析冰量不断增大；随着冻融循环次数的增加面孔隙度、分形维数不断增大，冻融循环10次后趋于稳定，试样在冻融环境下内部微、小孔隙不断向中、大孔隙转化；伪彩色增强技术显著提升了CT 图像辨识率；造成黄土体结构损伤的因素不只有初始含水率、冻融循环次数，它们之间的交互（耦合）作用也会对土体损伤产生显著性影响。

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响，以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象，设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验，重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明：在10次水-岩作用过程中，砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势，前4次水-岩作用的劣化速度较快，占总劣化度的70%左右，而后，劣化趋势逐渐趋缓；随着水-岩作用次数的增加，同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低，围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短，非线性突变阶段逐渐变长、变缓，岩样的脆性特征逐渐减弱，塑性逐渐增强；水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤，微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集，宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。

基于离心模型试验成果，建立软土地基刚/柔性组合墙面加筋土挡墙离散-连续耦合数值模型，采用离散单元颗粒流程序PFC和有限差分程序FLAC分别模拟加筋土挡墙和软土地基，分析挡墙的变形、筋材拉力分布及内部破坏演化过程，并与刚性地基上挡墙情况进行比较，以探讨刚/柔性组合墙面加筋土挡墙的内部破坏机制。研究结果表明，数值模型计算结果与离心模型试验结果吻合，其内部潜在破坏面经过连接件锚固端位置，各层筋材拉力均在连接件锚固端位置最大；软土地基上挡墙和刚性地基上挡墙的内部破坏面均一致，且筋材均由下而上依次断裂；软土地基上挡墙内部破坏面与地基圆弧滑移面贯通，为复合滑动模式，而刚性地基上挡墙整体破坏模式为折线型，连接件埋深范围内加筋体沿其底部连接件水平滑出。

地下工程中破碎岩体往往处于三向应力状态，此类岩体具有孔隙率大、渗透性高等特点，在地应力与高水头作用下易发生渗流失稳破坏，诱发突水灾害。为研究三轴应力下破碎砂岩的渗透特性，运用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统，采用稳态渗透法进行5种粒径破碎砂岩的渗流试验，得到了三轴应力下破碎砂岩渗透特性变化规律，推导了有效应力与渗流速度之间的关系。试验结果表明：三轴应力下破碎砂岩的有效应力与渗流速度呈线性关系，且轴向位移越大时，随有效应力的增加渗流速度减小的幅度越小；三轴应力下5种粒径破碎砂岩的孔压梯度与渗流速度服从Forchheimer关系，两者之间的相关系数达0.95以上；轴向位移恒定时，随着围压的增大，破碎砂岩渗透率k减小，非Darcy流β因子增大，各级轴向位移下，破碎砂岩的渗透率与围压之间呈指数函数关系；随着孔隙率的减小，5种粒径的破碎砂岩渗透率呈减小趋势，非Darcy流β因子整体增大，且渗透率量级为10-14～10-11 m2，非Darcy流β因子的量级为106～1012 m-1。

目前已被广泛应用的煤矿开采的关键层理论对煤矿岩层控制提供了重要理论依据，并合理解释了煤矿开采矿压显现现象。该理论认为煤矿开采引起的岩层破断、失稳后形成的铰接结构控制了覆岩的运移规律，但其忽略了层与层之间剪应力对覆岩破断运移规律的影响。基于岩层间存在剪应力这一假设，建立了覆岩组合梁力学模型，获得了非均质组合梁剪应力理论解；提出了考虑层间剪应力的关键层判断步骤，并修正了煤矿开采关键层破断距的计算公式；研究认为关键层控制的上覆岩层并不一定同时随其破断；基于双层岩层开采模型，分析提出了柔性控制层概念：即关键层破断后起到类似关键层作用而控制上覆一层或几层岩层变形的一类岩层；进一步提出了柔性控制层的判别方式，探讨了柔性控制层对关键层复合破断和矿压显现规律的影响，分析认为柔性控制层的存在一定程度上减弱了周期来压强度并产生二次伴随来压现象；结合工程案例，验证了该假设的合理性。

强震作用下常规锚索往往会因材料变形能力不足导致应力过载而被拉断，一旦锚索失效将直接危及整个锚固结构的安全。为研究自适应锚索的动力响应规律以及在自适应锚索支护下锚固边坡的动力特性，以新型抗震锚索为原型，设计自适应锚索锚固岩质边坡试验模型，并利用振动台试验系统对试验模型进行加载。试验中采用正弦波、天津波、EI波以及Taft波等4种地震波进行研究，监测锚索的应变和边坡动力响应。结果表明：锚索的轴力和地震波幅值、类型、地震激励频率等因素密切相关；锚固边坡坡面加速度及位移沿边坡高程均有不同程度的放大，相对于无锚索支护边坡，锚固边坡坡面加速度和位移峰值均有减小；自适应锚索随着预设滑移恒阻力的不同，锚索会产生不滑移、瞬间滑移、逐步滑移3种工况，对应的锚索应变时程曲线和锚固边坡动力安全系数时程具有显著不同的特征；自适应锚索滑移工况下，滑体的安全系数虽然有局部减小的阶段，但是锚固结构的安全储备较大，可适应边坡大变形和瞬态冲击荷载的作用。试验结果可为强震区路堑边坡的支护和自适应锚索抗震设计提供一定参考。

利用自行研制的高压固结试验系统，对重塑黏土试样进行了竖向压力从0.25 MPa到12.00 MPa的一维固结试验；并利用三轴设备对该土样进行了0.3～2.5 MPa的等向固结试验。试验结果表明：一维固结试验获得的各级压力固结曲线均有明显的次固结阶段，重塑黏土的次固结系数随竖向压力增大而非线性变化；具体而言，当固结压力小于2 MPa，次固结系数随竖向压力增大而显著减小，当固结压力大于2 MPa后，次固结系数则几乎不变；等向固结试验获得的次固结系数则远小于一维固结试验获得的相应值，其随固结压力的变化规律也与一维固结不同。此外，从微观角度对试验结果进行的分析表明，高压下黏土次固结变形的物理机制不同于低压。即低压下黏土次固结变形的主因是颗粒间的相对滑移，而高压下则是结合水膜的蠕变；而且低压下偏应力对次固结变形有控制性影响，但高压下其影响很小。

在改造的高压低温三轴仪中采用过量气法制备了气饱和状态的含CO2水合物砂样，并进行了三轴压缩试验。以水合物饱和度为指标对过量气制样法的可重复性进行分析后发现，受孔隙阻隔效应的影响，虽然利用高的初始水饱和度的砂样可以制成高的水合物饱和度的含水合物砂，但是制样的可重复性低；试验表明，采用过量气法制取水合物饱和度低于40%的含水合物试样的可重复性较好。三轴试验结果表明，含水合物砂的剪切和变形特性与水合物饱和度和净围压密切相关：随净围压的增大，试样的强度、刚度、塑性和压缩性都增大，随水合物饱和度的增加，试样的强度和刚度增加，塑性和压缩性降低；黏聚力随水合物饱和度的增加而增加，但摩擦角并没有明显的变化。

研究地震作用下黄土-泥岩边坡动力响应特征，对边坡的稳定性评价和抗震设计具有重要指导意义。基于边坡的离心机振动台试验和数值模拟分析，研究地震波振幅对边坡地震动响应的影响规律，结果表明：由坡体深部至浅表层，黄土-泥岩边坡的水平向和垂向加速度放大效应呈非线性增加，且水平向大于垂直向，在坡体顶部到达最大，表现为趋表效应和高程效应；在边坡内部岩性接触部位，黄土层内动力响应较大，泥岩中动力响应较小，表现为岩性效应；随着输入地震波振幅的增加，坡体动力响应表现为先增大后减小的趋势，当输入振幅达0.3g时，坡体动力响应最大。黄土-泥岩边坡的变形破坏过程为：随输入地震波振幅增加，坡顶逐渐形成拉张裂缝，不断扩展，坡体中上部溜土，产生向临空面方向的位移，坡体中部发生鼓胀隆起，局部坡体振动松散，岩土体滑落至坡脚堆积。

采用南海北部区域油田场址钻孔原状土样，开展黏土循环动力特性试验研究。结合共振柱与应变控制的循环单剪试验，获取动剪切模量和阻尼比随循环剪应变的变化规律，将最大动剪切模量与原位静力触探的计算结果进行对比。开展应力控制的循环单剪试验，采用对称加载方式获取土样动强度阈值，基于该阈值，通过单、双向加载方式获取土样动强度包络线，并将试验结果与Drammen黏土及世界范围内其余区域黏土进行对比。该研究初步获取了南海北部区域性黏土的循环特性及动力学参数，为南海北部区域油气田结构设计和地质风险评估提供基础资料，掌握了循环动力特性试验方法，为岩土工程动力学试验研究及数据分析提供技术参考。

地震中基岩走滑断层活动引起跨断层地下结构物破坏，上覆土层的非一致响应机制尚不明确，隐伏裂缝影响规律认识不足。基于可模拟走滑断层活动的层状剪切箱，针对黏土地层展开两个离心机振动台试验，对比上覆土体中隐伏裂缝的影响。试验结果表明，当地层中不存在隐伏裂缝时，基岩走滑断层错动对两盘地层的非一致振动的影响不显著。当地层中存在隐伏裂缝，错动盘一侧土体的振动加速度幅值随振动循环次数的增加逐渐减小，固定盘和错动盘两侧土体出现非一致振动响应，固定盘一侧土体产生的超静孔压大于错动盘一侧。隐伏裂缝对土体非一致振动响应的影响范围受限于其在地层中的分布范围，探明隐伏裂缝上断点的埋深具有重要工程意义。

堆积体边坡动力响应特性复杂，影响因素众多。已有的大型动三轴试验结果表明，含水状态对堆积体的动剪切模量比与阻尼比有重要影响。针对含水状态这一因素，开展了2组不同含水率的1:12比尺的大型振动台堆积体边坡模型试验，对比分析了其在连续地震荷载序列作用下的加速度响应特性与坡顶位移发展趋势。试验结果表明：2组边坡模型均表现出第一阶自振频率随着加载序列递减、阻尼比随着加载序列增大的现象，但含水率为6.6%时，边坡第1阶自振频率与阻尼比均大于含水率为0.7%的堆积体边坡。堆积体边坡含水率为6.6%时的输入地震动峰值加速度（PGA）放大系数大于堆积体边坡含水率为0.7%时的工况。2组模型坡顶水平响应加速度的傅里叶频谱特征相似，均表现出输入地震波的特征频率越接近模型第1阶自振频率，坡顶水平加速度放大效应越明显，而且从低频侧接近第1阶自振频率的响应比从高频侧接近的要显著。含水率为6.6%的堆积体边坡在多级地震荷载作用下的坡顶永久位移均大于含水率为0.7%的边坡，堆积体边坡含水率为6.6%，坡顶永久位移对输入地震波的频谱特性更敏感。研究结论有助于增强不同含水状态对堆积体边坡动力响应规律影响的认识。

采用缩尺模型试验研究了无黏结预应力加筋土技术中水平土压力的大小及分布对预应力加筋体力学性能的影响。试验采用钢砂模拟中砂，解决了缩尺模型相似比的问题。完成了两个工况的试验，一个普通加筋土工况，一个具有单根无黏结预应力筋的工况。对比分析表明：对无黏结预应力筋施加预拉力前加筋体的顶部沉降小于普通加筋体的顶部沉降，施加预拉力后却增加了顶部沉降，但在堆载后具有单根无黏结预应力筋的加筋体的竖向变形更小；随着预拉力的增加，与无黏结预应力筋相邻的玻纤格栅应变相应减小，在距离墙面板较近位置测点玻纤格栅的应变减小得尤为明显，而底部玻纤格栅应变逐渐增加，在距离墙面板较近位置测点增加得较为明显；在堆载过程中，无黏结预应力筋的预拉力保持不变，堆载完成后略有增加。

天然岩体中常含有多组相互交叉的贯通节理，它们的存在极大地削弱了岩体的力学性质。为了研究含两组交叉贯通节理岩体的强度及破坏特征，基于弹塑性数值流形方法，对不同应力状态下，节理倾角和节理间距不同的岩体压缩试验进行数值模拟。结果表明：岩体强度随节理倾角的变化曲线呈现出多波峰、多波谷特点，岩体强度随节理间距变化曲线符合负指数函数形式。根据节理状态，两组节理岩体的破坏模式可以分为3种：岩块破坏、沿一组节理滑移和沿两组节理滑移。两组节理均会影响岩体强度，一组起主要作用，另一组起次要作用，并且节理组之间存在相互影响。通过对数值计算结果进行回归分析，基于一组节理岩体强度预测模型，量化节理组之间的相互影响，提出适用于含两组交叉贯通节理岩体的强度预测模型。模型形式简单，使用方便，可为实际工程中正确评估岩体强度提供指导性意见。

为研究泥皮、粗糙度对桩-土接触面力学特性的影响规律，根据灌注桩成孔后的孔径-深度曲线，应用统计分析法获得了桩侧凸出尺寸和粗糙度的分布频率规律，以此构建了表面光滑和梯形凹槽混凝土板来模拟实际桩侧表面粗糙度。在此基础上，开展了不同泥皮厚度、粗糙度条件下的混凝土-砂土接触面大型直剪试验。其研究结果表明：无泥皮条件下粗糙接触面，其剪切应力-切向位移关系曲线呈软化型；泥皮厚度为5、10 mm条件下，呈硬化型。剪切模量G0.02随泥皮厚度增加而衰减。对光滑混凝土板，其接触面峰值剪切强度和峰值摩擦角随泥皮厚度的增加呈指数关系衰减；对粗糙混凝土板，峰值剪切强度和峰值摩擦角随泥皮厚度的增加近似呈线性衰减。初始泥皮越厚，试验后的泥皮土和泥皮越厚，接触面剪切强度越低。无泥皮条件下粗糙度对接触面峰值剪切强度的影响规律：存在一个临界粗糙度Icr =10 mm，当混凝土板的粗糙度I< Icr时，接触面峰值剪切强度和峰值摩擦角随粗糙度的增大而增大；当I≥Icr时，二者随着接触面粗糙度的增大而减小，泥皮存在会影响改变这一规律。

路堤下刚性桩复合地基普遍存在的负摩阻力对桩-土相互作用特性影响显著。基于极限剪切位移受应力水平影响较小而受试样尺寸影响较大的试验结果，提出了桩-土界面剪切刚度随应力水平变化的等单位长度极限剪切位移理想弹塑性模型，针对桩-土相互作用的上部负摩阻力塑性区、中部协调变形弹性区和下部摩擦承载塑性区3区段模式，建立了塑性区非均匀、弹性区非线性的摩阻力分布图式；以均布路堤荷载下等桩长复合地基中单桩等效加固单元体为研究对象，利用单元体荷载传递微分方程，结合桩-土-垫层压缩变形协调条件，推导出了中性面位置及桩-土应力比的解析表达式，分析了路堤荷载及垫层柔度系数的影响。研究表明：中性面位置随垫层柔度系数增加而下移，随路堤荷载增大先下移后上抬；桩-土应力比随垫层柔度系数增加而减小，随路堤荷载提高先增大后降低，据此提出了采用最大桩-土应力比进行桩体布置和垫层设计的技术思路。

为研究复杂应力路径下冻土的强度与变形特征，采用冻土空心圆柱仪（FHCA-300）对不同负温状态下的饱和冻结黏土开展定向剪切试验，基于不同剪切方向下冻结黏土的轴向和扭剪分量的应力-应变关系，探讨土样的剪切变形特征、各向异性属性以及剪切带的演变规律，并考察温度、大主应力方向角、平均主应力以及中主应力系数等因素对冻结黏土强度的影响。结果表明：平均主应力p值对冻结黏土的应力-应变关系影响显著，尤其是p=4.5 MPa时具有较高的剪切强度，且该值可能为压融临界p值；大主应力方向变化会诱发冻结黏土的各向异性，随着大主应力方向角的增加，冻结黏土剪切强度逐渐降低，并有明显的剪切带产生；中主应力系数的增加使得轴向强度有逐渐降低的趋势，但对剪切强度影响不明显；随着温度的降低，冻结黏土强度逐渐增大，试样发生脆性破坏并出现剪切破裂面，其剪切强度主要取决于冰颗粒和土颗粒的胶结力。

能源桩是将地埋管换热器置于建筑桩基础中来实现地下换热的一种新型的地源热泵技术。然而，不同季节运行条件下，冷热变化导致的能源桩桩身混凝土的膨胀和收缩会影响能源桩的持续使用甚至危及建筑的安全。因此，寻找到一种温度和轴向应力作用下变形性能较好的桩身混凝土对能源桩技术安全使用和推广至关重要。探讨了桩身素混凝土和掺入不同含 量的钢纤维，聚丙烯纤维桩身加筋混凝土在温度和应力下的变形特性。导热系数测试表明，钢纤维的掺入能提高能源桩桩身混凝土的导热系数，聚丙烯纤维的掺入降低了能源桩桩身混凝土的导热系数。钢纤维掺入量为1.3%时，导热系数最大，为2.44 W/(m·K)；热力学梯级加温试验表明，能源桩桩身混凝土掺入钢纤维，聚丙烯纤维均能有效减小应变，钢纤维最大应变减少量为62.43%，聚丙烯纤维最大应变减少量为61.11%；热力学全过程试验表明，钢纤维能有效减少制冷收缩应变，全过程中应变最小。综合对比3种能源桩桩身混凝土热物性参数及温度和应力作用下变形特性可知，钢纤维加筋混凝土更适合作为能源桩桩身材料。

针对波浪引起的饱和砂质海床土体和管线相互作用问题，将Biot动力固结理论与笔者课题组提出的砂土液化变形弹塑性本构模型相耦合，较为合理地再现了简谐波浪作用下较浅饱和砂质海床中管线周围可液化海床土体的超静孔隙水压力瞬态累积变化规律与液化过程。数值计算结果与Sumer等的试验规律一致。结果表明：由于管线的存在，改变了饱和砂质海床液化区域的空间分布。液化首先由管线下部土体开始产生，随着波浪荷载的持续作用，液化区域沿着管线外壁向上演化；同时海床表层土体产生液化并向深层发展，最终管线周围土体都发生液化，这是导致空管上浮的主要原因。当饱和砂质海床中存在管线时，管线附近海床土体液化深度明显变深。超静孔压累积和渗透力变化的耦合作用是导致饱和砂质海床土体产生液化的原因。与将海床土体视为饱和弹性多孔介质相比，可考虑液化全过程的弹塑性动力分析能更为合理地揭示实际波浪作用下饱和砂质海床土体的渗流场和应力场的瞬态时空演变规律。

突水灾变演化过程中伴随着防突结构内的岩土体的信息变化，通过对潜在突水通道围岩多物理场信息进行深度融合分析，揭示了多元信息的逻辑共生关系，建立了突水演化状态判识的理论方法。从岩体渐进破坏突水与充填结构失稳突水两种典型的突水相似模型试验入手，建立了多元监测信息与量化表征函数的关联性。基于主成分分析理论揭示了多参量间的逻辑共生关系，确定了围岩多物理场信息对突水灾害的影响权重，这为突水灾害监测设计与预警提供了理论依据。结合函数拟合曲线中表征函数变化趋势发生转变的极值点与驻点，建立了突水灾害演化状态综合判识方法，最终将两种突水类型的演化阶段划分为：平静期、发展期、突变期和灾后期，并提出了任意时刻下突水灾害发生概率的能量判别方法，该理论方法为隧道及地下工程突水灾害监测预警提供了参考。

新庄煤矿立井采用冻结法施工技术，在井筒开挖的过程中，由于侧向卸荷作用导致围岩产生卸荷变形。从新庄煤矿立井现场采集白垩系中粒砂岩，对加工后的岩样进行饱水处理，然后利用GCTS电液伺服控制高低温高压岩石三轴测试系统进行冻结（-10 ℃）条件下的恒轴压、卸围压三轴试验，模拟在井筒开挖过程中围岩的应力变化路径，探索冻结砂岩的变形特性。研究表明：侧向卸荷条件下冻结砂岩表现出弹-脆性特征，轴向表现为压缩变形，径向表现为膨胀变形，径向变形量约为轴向变形量的2倍；当卸荷速率一定时，岩样的卸荷变形随初始围压的增大而增大，尤其是径向变形最为显著，这可能与卸荷回弹变形及岩样内部聚集的能量大小有关；围压卸荷到同一应力水平时，高卸荷速率下岩样的卸荷变形量较小，而变形速率较大；卸荷作用导致岩样变形模量减小，横向应变与纵向应变之比增大，卸荷速率越小，初始围压越大，应变之比变化越大。

以在建的成都－兰州（成兰）铁路某隧道出口仰坡为研究对象，研发了大型落石冲击边坡模型试验系统，该系统由模型试验台架、落石三维空间释放装置、高速摄影系统等组成，结构强度高并能满足试验过程的可视化需求。根据现场岩样实测物理力学参数，采用凡士林、硅油、水泥、细沙、重晶石粉、石膏以及滑石粉等原料，研制出现场千枚岩和砂岩的相似材料，并用于模拟边坡和落石。通过开展物理模型试验研究了近长方体落石初始滑移角度、形状、质量等3种因素对碰撞恢复系数这一落石运动轨迹模拟中关键参数的影响，同时在落石下落冲击的过程中，利用高速摄影仪和坐标卡尺记录落石完整的运动轨迹，后期通过视频处理软件分析落石与边坡碰撞前后的速度变化，根据公式计算出落石法向和切向的碰撞恢复系数。试验结果表明：随着初始滑移角度的增加，板状试件的法向、切向恢复系数分别呈减小和增大的趋势，且切向恢复系数变化更加明显；落石法向恢复系数随质量的增加呈明显减小的趋势，而切向恢复系数值变化不大；对于近长方体落石，立方体试件的法向和切向恢复系数大于厚板状试件，条形试件的两向恢复系数值受碰撞接触形态的影响，呈现两极化的趋势。最后，结合试验现象以及前人的研究成果对落石运动冲击机制进行了初步探讨。

斜坡上的桩基础的承载性能是复杂多变的。对于四川西部山地地形较广泛，且地基覆盖层多为特有的碎石土地层来说，水平受荷桩的相关研究还较少。为了研究碎石土地基斜坡上单桩基础的水平承载特性及桩土间的相互作用，通过现场水平静载荷试验在坡度为0°、15°、30°、45°的条件下，探讨桩身变形、桩身弯矩、土压力的变化。运用FLAC3D有限元分析软件得出水平荷载作用下，碎石土斜坡不同坡度的桩基础与桩周土之间的应力云图、位移云图的变化特点。将数值模拟结果与现场试验结果进行了对比，提出了单桩水平临界荷载和极限荷载在不同坡度区间内取值时的折减系数，为实际工程提供一定的参考。

浅层岩溶土洞塌陷和浅埋隧道施工等时常会引发浅层地基出现局部沉陷，导致地基可能承受不完全土拱效应作用。如何定量分析不完全土拱效应对浅层地基竖向应力的影响尤为重要。统计了国内外浅层活动门试验，将浅层地基滑移面概化为塔形，同时考虑了浅层地基不同深度处土层差异沉降及主应力偏转过程。通过建立主应力偏转角与活动门相对位移之间的数量关系，量化了浅层地基不同深度对应的不完全土拱效应发挥程度，优化了考虑不完全土拱效应的浅层地基竖向应力计算方法。分析了主要参数对不完全土拱效应的影响，结果表明，随着浅层活动门高宽比及相对位移的增大，应力转移量增加，土体有效内摩擦角及滑移面倾角则相反。可为局部沉降作用下的浅层地基竖向应力计算提供理论指导。

非对称基坑开挖引起的卸载－再加载作用常常对下方已建地铁隧道产生不利影响。为明确基坑施工过程对既有隧道的扰动作用，运用土工离心试验系统开展离心模型试验，试验中考虑非对称基坑开挖的卸载－再加载过程，以及基坑与隧道的相对位置，并结合卸载－再加载过程的桩-土-隧道荷载传递机制，分析了不同开挖步和荷载施加对既有隧道位移和受力的影响。结果表明：基坑开挖引起了明显的地层损失，非对称卸载作用导致隧道发生上浮和偏移，基坑初次开挖对隧道的扰动较小，随开挖深度增加，扰动作用逐渐加强；距离基坑中心线近的左线隧道扰动作用更加明显，离基坑越远，基坑卸载－再加载扰动作用越不明显；荷载施加后，由于桩基荷载传递作用和隧道加筋阻拦作用，使得隧道衬砌应力重分布；位于两桩之间的断面扰动较明显，而位于桩侧附近的断面扰动较小，说明群桩效应对隧道扰动更明显。

白鹤滩水电站右岸地下多洞室间相互施工扰动，使得母线洞等交叉洞室围岩的微震活动规律及破裂机制十分复杂。引进南非IMS微震监测系统，研究高地应力、多面临空卸荷应力环境下交叉洞室围岩的微震特性及破裂孕育机制。根据地下厂房区围岩岩性、错动带及断层分布，选取监测效果较佳的传感器并合理布置；通过定点敲击试验进行波速反演，分析震源定位的精度；以10#母线洞掉块案例为工程背景，分析爆破开挖诱发的交叉洞室岩体破裂微震事件与能量释放时空演化规律，并基于S波和P波的能量比（ES /EP），归纳、总结了掉块发生过程中岩体破裂演化机制：大量张拉事件发生（爆破冲击诱发）→拉剪、压剪事件发生→张拉事件、剪切事件交替发生（集中应力和节理综合影响）→掉块发生（重力和节理综合作用）。研究结果有利于优化白鹤滩水电站右岸地下洞室群交叉部位的开挖方案，同时对类似工程的开挖和支护具有重要借鉴意义。

高铁路基作为列车和轨道结构支承体，直接暴露在复杂大气环境中，受降雨、蒸发等长期循环作用，含水率、基质吸力和剪切强度响应复杂，影响路基长期稳定性。建立了考虑大气作用的水-热耦合高铁路基水分迁移计算模型，通过法国鲁昂路基现场试验案例分析验证了计算模型。利用北京、上海两地2013年实测气象数据，对高铁路基含水率响应进行计算，研究了不同气候和填料类型对体积含水率变化的影响。结果表明：填料和气候类型对路基含水率响应影响显著。大气对砂土路基影响深度较浅（深度<3.0 m），浅层（深度≤1.0 m）受大气环境影响非常显著，含水率波动范围较大；粉土和黏土路基的含水率受大气影响的深度较深，超过3 m深度，但含水率波动范围较小。北京气候条件下路基含水率季节性差异较大，上海气候条件下路基含水率随单次降雨波动更明显。

砂土的天然休止角对土堆设计、基坑设计和边坡稳定性研判有重要的指导意义。砂土的天然休止角受土颗粒的摩擦特性、颗粒形状、粒径和含水状态等诸多因素的影响。开展了钙质砂的天然休止角试验，研究了多种因素对钙质砂天然休止角的影响规律。结果表明：钙质砂3种常见颗粒形状中，片状休止角最大，枝棒状次之，块状最小；钙质砂天然休止角随着粒径的增大而增大；当平均粒径相同时，天然休止角随着不均匀系数的增大而增大，随着曲率系数的增大而减少；通过与标准石英砂的对比试验发现，石英砂的天然休止角小于钙质砂天然休止角。对现场钙质砂边坡测量后表明，钙质砂地基经过振冲挤密后基坑开挖最大坡角略大于室内测得的天然休止角。研究结果对钙质砂土堆和基坑设计等工程实践有一定指导意义。

在中国西北，建设了许多灌溉水渠，由于水渠的灌溉引起了许多滑坡破坏，并带来了人员伤亡和财产损失。以高楼村水渠灌溉引起的黄土滑坡破坏为例，提出了滑坡破环渐进过程为：水的入渗在滑体中产生一定深度的水压力，引起黄土黏聚力和摩擦角下降，使滑坡体在一定深度产生剪破坏，紧接着滑体后缘产生拉剪破坏，致使后缘黄土处于破坏后区状态，并产生不平衡剪应力。该不平衡剪应力驱动滑体向前移动，直至滑面只有一点处于临界状态，随即整个滑坡发生破坏，并伴随着滑体解体，产生泥流。这种破坏过程可以概括为：滑坡先产生剪破坏，紧接着后缘产生拉剪破坏，当破坏后区产生的驱动剪应力大于滑体的摩阻力，会推动滑坡向前移动，直至滑坡发生完全破坏。以理论和试验论证了这种破坏机制的正确性，并验证了一种新剪应力本构模型的合理性。

煤层注水是煤矿开采过程中重要的增透卸压手段，而封孔长度是影响注水压裂效果的一个关键因素。为了确定出合理的封孔长度，根据Lippmann煤层失稳基本理论，选取了6种不同的弹性区本构方程，引入非线性动态瓦斯压力分布的表达式，构建了含瓦斯煤层力学理论模型，得到煤层垂直、水平应力和塑性区宽度的解析式，之后结合高家堡的现场情况，对比分析6种弹性本构方程下的煤层应力分布曲线及塑性区宽度，并进行了现场封孔试验。结果表明：封孔长度在9.5 m时孔洞漏水量小、未出现异常现象，封孔效果良好，最终确定出了合理的封孔长度为9.5 m；相对于其他3种弹性本构方程，选取第i、v、vi种弹性本构方程对封孔长度进行理论计算分析，更加符合现场实际情况。

建立了水下隧道流固耦合数值模型，通过正交试验优化计算方案，分析土岩复合地层和全断面岩层拱顶竖直方向上围岩压力拱的成拱规律，并据此提出以成拱临界板厚为判据求解水下隧道合理覆岩厚度的思路，建立水下隧道合理覆岩厚度回归模型，并通过BP神经网络模型对回归模型进行评价与校验，结合佛莞城际狮子洋隧道工程，进行了合理覆岩厚度回归模型的应用算例分析。研究表明：土岩复合地层上覆岩层岩性较好时，压力拱高度主要受覆岩厚度影响，上覆岩层岩性较差时，压力拱高度主要受上覆软土厚度影响；压力拱高度随覆岩厚度增加线性增加，达到成拱临界板厚时，逐渐减小随后趋于稳定，上覆岩层岩性越差，成拱临界板厚越大；全断面岩层压力拱高度随覆岩厚度的变化比土岩复合地层平稳。算例分析表明，以成拱临界板厚为判据建立的合理覆岩厚度模型能给出较优的覆岩厚度预测值，可为土岩复合地层水下盾构隧道的设计和施工提供参考。

岩脉侵入是一种普遍的地质现象，侵入岩脉及其风化壳对斜坡的渗流场和稳定性具有重要影响，但目前国内外在该方面的研究鲜见报道。我国东南沿海约50×104 km2的白垩系火山岩地层中广泛分布侵入岩脉及其风化壳，改变了该地区残积土斜坡的失稳机制。以浙江省文成县中林滑坡为对象，研究花岗岩脉风化壳对其渗流场和稳定性的影响。中林滑坡主要由凝灰岩及其残积土组成，后部有侵入的花岗岩脉及其残积土，利用室内土柱试验获取降雨作用下两种残积土渗透性质的差异，利用不同含水率下的直剪试验获取非饱和抗剪强度参数；利用Geo-studio软件中的Seep/W模块反演土柱降雨试验，获取两种土体的非饱和渗透参数；接着将上述参数应用于中林滑坡的渗流场模拟，获取降雨入渗下坡体的渗流场；将渗流场耦合到坡体稳定性计算中，获取了坡体的稳定性变化曲线及最危险滑面。结果表明，降雨通过侵入岩脉风化壳快速入渗，并顺着基覆面向凝灰岩残积土区侧向渗流，导致侵入区与原始斜坡的交界处以及基覆面附近的地下水位快速升高，孔隙水压力迅速增大，斜坡在该位置最易变形破坏，且失稳深度远大于普通的浅层残积土斜坡，可达6～10 m。该研究成果可为东南沿海地区有岩脉侵入的残积土斜坡的稳定性评价与防治设计提供理论依据。

深埋隧洞工程越来越多，但相关工程经验积累不足，设计和计算方法远未成熟，深埋隧洞工程设计和施工安全控制需要大量现场监测和测试数据的支撑，而现有的监测和测试设计方法均针对浅埋工程的特点提出，在深埋隧洞施工过程中应用时遭遇到极大挑战。为此，首先依据现场揭露现象和多种先进观测技术获得的成果，分析了深埋硬岩隧洞施工期围岩的开挖力学响应特征和运行期衬砌的力学响应特征，剖析了现今主流观测方法存在的问题，提出了6条关于深埋隧洞典型断面监测和测试设计的建议，为促进此类工程相关设计方法的完善提供参考。

基于Biot固结理论，运用解析层元方法求解竖向简谐荷载作用下二维层状饱和地基的动力响应问题。从直角坐标平面应变问题控制方程出发，通过Fourier-Laplace变换将偏微分方程组转化为常微分方程组，求解得到单层饱和地基的解析层元。结合层间连续条件和边界条件，组装得到多层饱和地基的总刚度矩阵方程，进而求得变换域内的解。借助Fourier-Laplace逆变换的数值积分方法，获得平面应变动力问题在物理域内的解，编制了相应的计算程序，其计算结果与已有文献结果吻合较好。通过算例分析了荷载圆频率、荷载作用深度及地基成层性对地基竖向位移的影响。计算结果表明：随荷载圆频率的增大，地基竖向位移先增加后减小；地基竖向位移在荷载作用点处呈现波峰，且受表层土性的影响较大。

通过定义距离势函数，提出一种适用于空间任意凸多面体单元的三维距离势函数离散单元法。该方法采用归一化的计算方式，将势函数表征为接触体间的距离函数，并基于此建立接触力计算方程，明确了势函数的物理意义，使接触力计算更加合理，无需对各种可能的接触形式进行差异化处理。新方法克服了原有势函数物理意义不明、接触力计算受单元形式影响等重要缺陷，并突破了四面体单元的限制，可采用空间任意凸多面体单元。通过若干算例说明新方法的正确性和有效性。数值模拟结果表明新方法能够很好处理空间任意多面体单元复杂接触变换过程，准确处理复杂非连续介质的运动过程。

能量桩是将地源热泵系统中的换热管埋置在桩体内部，桩同时起到承载和换热的作用，是一种新型的基础型式。为了合理分析黏土地基中能量桩的力学特性，需要了解能量桩运行过程中桩和地基土的温度响应，并考虑温度变化对土体力学性能的影响。基于有限元软件ABAQUS建立了能量桩传热分析三维有限元模型，把能量桩的传热简化为换热管内液体与管壁之间的对流传热、桩体中的热传导和地基中的热传导，将计算结果与常规理论和实测数据进行了对比验证。对热力耦合边界面本构模型进行了二次开发，通过算例验证了模型对土体压缩和剪切性状温度效应的模拟能力。利用所提出的能量桩传热分析方法和热边界面模型，考虑不同的桩顶工作荷载水平，对正常固结黏土地基中能量桩单桩的长期性能进行了研究，分析了温度循环对桩顶沉降、桩侧摩阻力和桩身轴力的影响。结果表明，工作荷载越高，温度循环次数越多，桩顶累积沉降越大。

泡沫混凝土作为隧道减震材料在抵抗地震压剪荷载方面具有重要作用，为了研究减震层-衬砌接触面在地震压剪荷载作用下的破坏特征与剪应力演化规律，利用RMT-150C电液伺服试验机开展了二者接触面在不同法向应力下的直剪试验，获得了剪应力-剪切位移、峰值强度、残余强度、剪切刚度的变化规律及接触面的破坏特征和物态变化。根据有限元模拟结果，探究接触面上剪应力的分布及演化规律。研究表明：泡沫混凝土-衬砌接触面的破坏特征受法向应力与泡沫混凝土密度共同影响，其剪应力-剪切位移曲线形态可归结为3种类型，且随泡沫混凝土密度和法向应力的变化可以相互转化；泡沫混凝土密度及法向应力对接触面峰值强度、残余强度及剪切刚度的影响是相互的，且法向应力的影响权重较大。根据剪应力-剪切位移曲线的变化规律，提出了复合指数模型来反映泡沫混凝土-衬砌接触面在压剪作用下损伤演化及摩擦滑移过程，研究结果可以为更加有效的抗减震设计提供一定参考。

采用颗粒离散单元法进行动力计算时，人工截断边界上需设置吸收边界条件，以防止波的反射。鉴于颗粒离散单元数值计算模型的人工边界上颗粒单元半径大小不一、边界面凸凹不平，在连续介质的黏性、黏弹性、自由场边界条件方程基础之上，推导出适用于离散介质的等效方程。在离散介质的黏性边界条件等效方程中引入微调系数，提出比值迭代法以快速确定其最优值，以实现对波的最佳吸收。采用二维颗粒离散单元计算软件PFC2D，分别建立黏性、黏弹性、自由场边界条件相关数值分析模型，探讨颗粒分布模式对黏性边界上颗粒单元半径、速度分布及比值迭代过程的影响；采用外源波动算例及经典Lamb问题算例验证黏弹性边界设置方法的正确性；通过隧洞算例检验提出的自由场边界条件设置方法的正确性。

为解决上覆流沙层隧道开挖面极易发生坍塌破坏的技术难题，以典型该地质条件下的青岛地铁M2号线啤苗区间（啤酒城站至苗岭路站）为研究对象，基于开挖面的实际破坏特征建立了开挖面失稳破坏力学模型，从功能转化平衡角度，进行了隧道开挖面稳定性上限分析，并利用强度折减与重力加载两种方式，提出了隧道开挖面安全系数，得到了不同开挖面土体黏聚力、摩擦角、重度、隔水层厚度及隧道开挖高度下的临界土体破裂范围及破裂模式。理论研究表明：随着开挖面土体黏聚力、摩擦角、隔水层厚度等参数的增加，开挖面安全系数不断增大，稳定性不断提高；随着土体重度、隧道开挖高度增加，开挖面安全系数不断减小，稳定性不断降低。通过建立不同工况的数值模型验证了理论研究的正确性，得到了上覆流沙层地质条件下开挖面的典型破坏模式和临界参数，并提出了相应工程建议。研究成果为青岛地铁M2号线的顺利贯通及该类地质条件下的隧道施工提供了理论指导和科学对策。

针对地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡典型模型，提出了一种地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡的极限分析改进方法，该方法考虑了边坡极限状态时锚索的受力变化。基于岩体刚性假设并考虑滑移过程锚索受力变化，结合极限平衡法推导出边坡加固预应力锚索的受力变化公式；地震作用仅考虑地震波传播至滑动面时产生的透射波对边坡稳定性的影响，从功率的角度出发，结合极限分析上限法与强度折减法，考虑预应力锚索受力变化，推导出地震作用下预应力锚索加固顺层岩坡的动安全系数计算理论公式；结合算例，采用考虑与不考虑滑移过程锚索受力变化两种计算方法，分析了在不同入射波波幅、入射角度及滑动面黏聚力、内摩擦角条件下两种方法计算结果的差异。算例结果表明：考虑与不考虑滑移过程锚索受力变化计算方法，计算得出的动安全系数变化规律一致，但考虑滑移过程锚索受力变化的改进计算方法得出的动安全系数动态变化幅度明显更小，反映了锚索的抗震作用效果，可为地震作用下该类型岩坡的预应力锚索加固设计分析提供参考。

提出了一种新的无网格数值模拟计算方法——广义粒子动力学法(GPD)，并在GPD算法中引入了粒子损伤理论。运用GPD方法，建立了TBM单滚刀、双滚刀作用下的完整岩体破岩模型，成功模拟了TBM滚刀破岩过程。通过与数值模拟结果及室内试验结果的对比分析，验证了GPD法模拟TBM滚刀破岩过程的有效性。同时，运用GPD方法建立了含节理岩体及高围压条件下岩体的TBM滚刀破岩模型，研究了节理及围压条件下TBM滚动破岩过程。得到了节理对TBM滚刀破岩效率的影响，既可能是促进作用又可能是抑制作用，高围压对TBM滚刀破岩过程中裂纹的起裂及扩展和破岩深度有较大的影响。

为了得到三维边坡的临界滑裂面，提出了6个参数控制的三维滑裂面构造方法，基于边坡三维最小势能稳定性分析方法建立目标函数，采用遗传算法实现了临界滑裂面的搜索，并开发了相应的搜索程序。为检验文中搜索方法的合理性，将其与其他方法得到的临界滑裂面以及最小安全系数进行比较，并且将室内模型试验得到的临界滑面与理论搜索的结果进行对比。研究表明：搜索方法可实现稳步收敛；针对算例进行多变量同时变化的搜索验算，得到了与极限平衡法较为接近的结果，表明提出的搜索方法是合理的；理论计算结果与室内模型试验坡面加载得到的边坡临界滑面较为接近，再次验证三维边坡临界滑面搜索方法是可行的。