为进一步深入分析饱和黏性土的一维流变固结机制，引入Koeller定义的弹壶元件修正Merchant模型，并以此描述土骨架的黏弹性变形行为；同时引入非牛顿指数渗流模型描述流变固结中的非达西渗流，推导出一个新的饱和黏性土一维流变固结方程，并用隐式有限差分法进行数值求解。通过与有关文献中退化模型结果的对比，验证了有限差分算法的有效性。在此基础上，分析非达西渗流模型参数以及分数阶Merchant流变模型参数对流变固结过程的影响。计算结果表明：分数导数阶数和黏滞系数对地基沉降的影响比对孔压消散的影响更为明显，且分数导数阶数越小或黏滞系数越大，地基沉降需要的时间越长。同时，比起达西渗流，非牛顿指数渗流会延缓地基中的孔压消散，使得沉降发展变慢。另外，考虑流变效应时地基沉降要慢于孔压的消散。

深部硬岩隧洞开挖卸荷常诱发高强度岩爆灾害，岩爆已成为影响隧洞工程安全建设的关键问题。物理模型试验作为研究深部隧洞开挖工程的重要手段之一，其材料的性质特征对试验结果影响很大，配制出适合开展岩爆物理模型试验的模型材料是研究的关键。在传统岩爆模型材料研制的基础上，通过引入岩爆倾向性指数和脆性评价指标，采用正交设计法和敏感性分析，开展低强度、高脆性的岩爆模型材料配比试验研究。试验选择石英砂含量、重晶石粉含量、高强石膏与水泥质量比和水含量4个影响因素，每个因素设置5个设计水平，共25组配比方案。每组配比方案均测定模型材料的强度、力学参数、岩爆倾向性指数和脆性评价指标，并研究这些参数和指标随4个影响因素在不同设计水平下的变化规律。最后，针对挑选出的岩爆模型材料，分析讨论了各影响因素与岩爆倾向性、脆性之间的相互关系。试验结果表明：基于岩爆倾向性指数和脆性评价指标，所配制的岩爆模型材料满足物理模型试验要求；配制岩爆模型材料重点要控制重晶石粉和水的含量，并合理调节高强石膏与水泥质量比。

以多孔介质理论为基础，研究了稳态条件下非饱和土中温度?水分?盐分多场耦合问题。考虑非饱和土的孔隙被液态水、溶解的盐分、水蒸气和干燥气体等填充，在质量和能量守恒的基础上获得了非饱和土中水分、气体、盐分的质量守恒方程以及能量守恒方程。考虑一维稳态问题，选取温度、孔隙气压、孔隙水压和盐溶液浓度以及它们的导数作为状态变量，得到了问题的状态方程组。在给定的边界条件下，采用打靶法求解了该强耦合的非线性变系数微分方程组，通过与已有的试验结果相比较，验证了模型的有效性。基于数值算例，参数分析了含水率、温度边界、孔隙率等条件对非饱和土中温度场、水分场和盐分场分布的影响规律。

堆石料颗粒破碎是引起高土石坝变形的重要因素。在大坝填筑、蓄水期，堆石料的应力路径和干湿状态均是变化的。通过大型三轴试验，系统地研究了应力路径和干湿状态对堆石料颗粒破碎规律的影响。试验结果表明：（1）相同初始条件下，按不同应力路径达到同一轴向应变停机时测定的颗粒破碎率是不同的，等围压?3试验产生的颗粒破碎最大，等平均主应力p试验的次之，等最大主应力?1试验的最小，但不同应力路径下的颗粒级配演化规律是一致的。（2）相同初始条件下，湿样的颗粒破碎率明显高于干样，且二者的差距随着围压的增大而增大，不同干湿条件下的颗粒级配演化规律同样是一致的。（3）建立的考虑母岩强度的颗粒破碎率与塑性功的关系可以较好地统一描述不同应力路径及干湿状态下的颗粒破碎。该研究成果可为建立复杂应力路径及干湿变化条件下考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型提供依据。

采用频率2 450 MHz多模谐振腔对11种常见主要造岩矿物试样进行了微波辐射试验。根据升温速率和温度增量对其微波敏感性进行了研究。对赤峰玄武岩、鞍山辉长岩和昆明砂岩进行了矿物成分测试，根据其矿物成分组成预测3种岩石的微波吸收能力，通过微波辐射试验对预测结果进行了验证。然后对3种岩石进行了单轴压缩强度测试，研究了微波辐射后岩石的强度折减与岩石微波吸收能力的关系。结果表明：主要造岩矿物的微波吸收能力可分为3类，且表现出非常不同的微波吸收能力；根据岩石的矿物成分组成可预测岩石的微波吸收能力，含有强微波吸收能力矿物的岩石也具有较强的微波吸收能力；岩石的微波吸收能力越强，微波辐射后岩石单轴压缩强度的折减程度越大。

粒间作用力是控制土体强度和压缩特性的重要参量，但由于黏土中矿物颗粒与孔隙水间存在复杂的物理化学作用，其粒间应力及其变化规律一直无法确定。对泥浆重塑样在不同水化学条件下进行了一系列黏土一维侧限压缩试验，探讨不同浓度的NaCl溶液对饱和黏土压缩过程的影响，并确定土中粒间应力的大小及其变化规律。结果表明：同一级固结应力作用下，随替换溶液浓度的增加渗透固结变形量增大；对于相同浓度的孔隙溶液，固结应力越大，相应的渗透固结变形量越小。根据太沙基有效应力原理，提出了一种利用渗透固结变形来计算平均粒间应力的方法，在此基础上确立了粒间应力（或广义渗透压力）相对变化量与浓度和孔隙比之间的定量关系。该研究提供了一种简单有效的确定饱和黏土粒间应力的方法，为今后校正和验证多场耦合下土本构理论模型奠定基础。

为了深入认识深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的发生机制，利用花岗岩材料加工含预制矩形孔洞（40 mm×40 mm）的立方体试样（100 mm×100 mm×100 mm），并采用TRW?3000岩石真三轴电液伺服诱变试验机进行了模拟试验研究。模拟试验中首先以深部1 000 m的地应力条件作为初始加载应力状态，保持孔洞径向和轴向的水平向应力不变，然后在竖直向加载直至孔洞两侧洞壁围岩发生破坏，并保证试样整体始终处于稳定状态。加载过程中利用岩样内部结构破坏实时视频监控系统,进行全程的实时记录和监测。试验结果表明，在竖直向为最大主应力和水平轴向为中间主应力的情况下，矩形孔洞两侧洞壁围岩整体发生明显的板裂破坏，破坏区域呈对称状，而顶板和底板始终保持稳定状态。侧壁围岩的破坏方向平行于竖直向，呈现典型的张拉板裂状破坏特征。整个破坏过程划分为平静期阶段、洞壁两侧上下肩角处颗粒弹射阶段、侧壁围岩裂纹扩展阶段和裂纹贯通板裂破坏阶段。当进入到裂纹贯通板裂破坏阶段时，无论是加载还是保载过程，板裂破坏都可能持续发展。试验过程中，试样洞壁两侧围岩的板裂破坏整体上呈现静态破坏模式，而且破坏区域沿水平方向逐渐向洞壁深部发展，最终形成沿轴向的贯穿型对称弧形槽。

饱和软土的自重固结涉及许多复杂的非线性问题，而现有分析方法一般基于线性假设，将固结控制方程简化，在沉降变形较大的情况下并不合理。基于Gibson大变形固结方程，推导在单面排水和双面排水条件下的边界条件，综合考虑饱和软土的自重特性与非线性压缩、渗透关系，采用稳定性较好的Crank-Nicolson型差分格式离散并求解非线性控制方程，并从孔隙比、沉降、孔隙水流速3个方面将数值解与CS2固结数值模型进行对比验证。结合工程实例，研究土层不同初始厚度和初始孔隙比对自重固结的影响。结果表明：初始厚度与初始孔隙比较大土层最终沉降也较大。与传统方法相比，该方法所得出的数值解精度较高，实现了高度非线性固结方程的快速求解，其成果更能广泛运用于实际工程的分析之中。

铁路台阶式加筋土挡墙的设计方法尚不成熟，现有设计方法不能满足铁路边坡工程实践的需求。潜在破裂面的确定是加筋土挡墙设计的关键，但现行规范仅对10 m以下单级加筋土挡墙的潜在破裂面有了明确的规定。为了研究台阶式加筋土挡墙在铁路荷载作用下潜在破裂面的特征，设计了1:4的大比例尺二级台阶式加筋土挡墙室内模型试验，以周期性加卸载的方式模拟铁路荷载，通过监测墙面水平位移、墙顶沉降及土工格栅筋带变形，分析确定潜在破裂面的位置和形状。试验结果表明：I级墙（下级墙）潜在破裂面形状与现行规范中的0.3H法破裂面类似，但位置更深，且下部破裂面更缓，表明潜在不稳定范围更大；II级墙（上级墙）潜在破裂面形状与朗肯主动破裂面基本一致，但并未从II级墙坡脚剪出，而是内移刺入I级墙体；研究结果可为铁路台阶式加筋土挡墙的设计提供理论参考。

为研究高应力水平条件下岩石卸荷扩容特性及其剪胀角变化规律，开展了若干不同初始围压水平的三轴峰前卸围压试验，同时进行了相应围压水平的常规三轴压缩试验。基于试验成果分析了卸荷应力路径对砂岩扩容的影响效应，总结了卸荷应力路径下剪胀角变化规律，进而提出了基于卸荷应力路径的剪胀角函数，并给出了其数值实现方法，最后通过对三轴峰前卸围压试验的数值模拟，验证了所提出的剪涨角函数的可行性与合理性。研究表明：（1）加载路径时，不同围压水平下峰前扩容体积应变值相差不大，而卸荷应力路径时，随着围压水平的增加，峰前扩容体积应变从最小值3.15×10?3增加到最大值9.65×10?3，卸荷路径下的峰前扩容体积应变约为加载路径的1.1～4.0倍；（2）卸荷应力路径下偏应力峰值对应的体积应变基本为0或接近于0，而加载应力路径下偏应力峰值对应的体积应变均为负值；（3）卸荷应力路径条件下峰前扩容体积应变在总扩容体积应变中所占比例显著大于加载路径；（4）两种应力路径下，剪胀角随塑性剪切应变增加均经历了先增加后减小的过程，并且低围压工况下偏应力峰值对应的剪胀角和最大剪胀角均大于高围压工况；（5）与加载路径相比，卸荷路径下的剪胀角更快达到剪胀角最大值，并且其偏应力峰值对应的剪胀角和最大剪胀角更大；（6）基于砂岩三轴卸荷试验成果，采用线性拟合方法得出了以围压和峰后塑性剪切应变增量为自变量的剪胀角函数，基于该函数与应变软化本构模型的砂岩三轴峰前卸围压试验的数值模拟结果与试验结果吻合较好，表明该函数能较好地描述三轴峰前卸围压条件下砂岩的扩容特性。以上结论可为深部地下工程变形预测、稳定性分析与支护设计提供理论基础。

针对多点非一致激励下埋地管道的破坏特性，首次设计并开展了多点非一致激励下埋地管道的三台阵振动台试验。首先根据试验条件及试验目的，通过专项研究确定了整个模型体系的相似比，设计了适用于长线型地下结构多台阵振动台试验的悬挂式连续体模型箱，确定了传感器的布置位置；其次对模型材料的选取、地震动输入及试验加载方案进行分析设计。最后，利用试验数据分析了模型箱的动力特性及边界效应，结果表明，对多点非一致激励下埋地管道振动台模型试验的设计方案是合理的。该研究为顺利开展多点非一致激励下埋地管道振动台试验奠定了基础，对同类试验也有一定的参考价值。

应用三轴加载煤岩渗流试验装置，对预制贯通裂隙煤样开展循环加卸载轴压渗透率试验，分析循环加卸载轴压作用下预制裂隙煤样渗透率的变化规律及其之间的差异。研究结果表明：预制裂隙煤样渗透率与轴压呈负指数函数关系，渗透率对应力敏感性随加卸载次数增加而降低。加载阶段渗透率差值与卸载阶段渗透率差值随加卸载次数增加而降低，渗透率差值与应力敏感性系数呈正相关性。加载阶段与卸载阶段渗透率存在明显差值，渗透率产生明显损失量，其随加卸载次数增加而降低。竖直裂隙煤样渗透率与应力敏感性系数明显高于水平裂隙煤样与完整煤样，水平裂隙煤样渗透性与完整煤样渗透性相差不大，但水平裂隙煤样应力敏感性系数高于完整煤样。竖直裂隙煤样渗透率差值与渗透率损失量明显高于水平裂隙煤样与完整煤样，水平裂隙煤样渗透率差值高于完整煤样，但两者渗透率损失量相差不大。循环加卸载轴压结束后，完整煤样渗透率损失率最大，水平裂隙煤样渗透率损失率居中，竖直裂隙煤样渗透率损失率最小；竖直裂隙煤样渗透率恢复率最大，水平裂隙煤样渗透率恢复率居中，完整煤样渗透率恢复率最小。

软弱围岩隧道施工中，常采用超前支护确保隧道施工的安全。为了评价超前支护下隧道稳定性，建立了超前支护作用下截锥体、对数螺旋线共同破坏模型，基于极限分析上限法和综合强度折减法并考虑初期支护未支护段的影响，推导出了隧道稳定安全系数的目标函数，并利用Matlab编制程序求解该函数以此判断隧道稳定性。与模型试验结果和已有理论研究成果对比分析，验证了计算方法的合理性，同时分析了影响隧道稳定安全系数的各个因素。研究结果表明：围岩黏聚力、内摩擦角的增加，掌子面锚杆、拱部超前支护的施作对提高围岩稳定性有显著的作用，而初期支护未支护段长度、开挖高度的增加不利于围岩的稳定；在围岩内摩擦角较小时，分台阶开挖降低开挖高度提高隧道稳定性的效果更好；在围岩内摩擦角较大时，掌子面锚杆加固强度的增加对隧道稳定性提高的作用更显著。最后给出了超前支护的施工设计建议图，可为工程中初步确定超前支护参数和施工方法提供参考。

为研究地震作用下黄土地基与密肋复合墙结构相互作用系统频域地震响应的基本规律，进行了1:15比例结构模型进行振动台试验。输入白噪声、El-Centro波、天津波，测试了结构与地基的动力响应。通过快速傅里叶变化得到频域响应曲线，分析了地基与结构的动力特性以及从7度至9度水平向地震波加载时的动力反应，对比了各加载工况下加速度及位移频域响应曲线，研究了地基、结构频域动力响应的基本规律及其影响因素。结果表明：地震波激励下地基土开裂，自振频率降低，对上部结构的嵌固作用减弱；地基表面与结构顶部加速度响应随烈度的提高而增大，峰值所对应频率的变化显著，地基对加速度的放大效应显著，上部结构对位移的放大效应显著。因此，考虑地基与结构相互作用后，动力放大效应与地基破坏状况及地震动特性密切相关。

目前能合理模拟软岩流变效应的相似材料很少，而采用模型试验法研究软岩工程的长期流变效应也处于探索阶段。为给软岩流变模型试验提供合适的相似材料，研制出一种以铁粉、重晶石粉和石英砂为骨料，松香酒精溶液为胶结剂，液压油为黏滞剂的软岩流变相似材料。该相似材料强度低，流变性强，不仅可模拟软岩的瞬时弹塑性性质，也能较好模拟软岩的流变特性。假定骨料比例恒定，调节松香酒精溶液浓度m和液压油含量w，开展了一系列梯度配比试验。研究表明：（1）该相似材料的主要瞬时强度变形参数和西原模型流变参数均受m和w两因素的双重影响；（2）松香酒精溶液浓度越大，试样强度越大，流变性越小；（3）液压油含量越大，试样强度越小，流变性越明显；（4）相比松香酒精溶液浓度m，液压油含量w对西原模型各参数的影响更大，起主控作用。最终，将该相似材料应用于神华新街软弱砂质泥岩煤矿盾构斜井的长期流变模型试验中，试验结果表明：该材料瞬时力学性能和流变特性均达到试验要求，为试验取得良好结果提供了材料保证。

锚固浆液的兼容性不理想、类型发展的滞后性成为制约土遗址锚固技术发展的关键问题。为了丰富锚固浆液类型和提高其兼容性，研究以传统材料生石灰为掺料，通过其与质量浓度为1.5%的SH黏结剂、黏土和粉煤灰拌和组成的SH-（CaO+C+F）锚固浆液进行流动性测试以及结石体进行物理、力学特性测试，确定了水灰比为0.5的浆液作为优选浆液。并以该型锚固浆液与2种不同材质的锚杆，在3种长度为变量的条件下组成的6种锚固系统开展原位试验。原位试验以获取6种锚固系统的破坏模式、极限荷载与极限荷载?位移特征以及锚固段应力沿锚固深度分布特征为目的，并对其进行分析与讨论。最后，通过对锚固力学机制的分析，对比并评价了该型锚固浆液的兼容性和锚固性能。该研究结果为土遗址锚固浆液的多样性选择提供了参考。

针对非完整硬岩应力松弛特性研究的不足，开展了含卸压孔的具有岩爆倾向性的辉长岩试样峰前加载、松弛和再加载、再松弛模式的应力松弛试验，得出了其峰前应力松弛特性、松弛模型和超声波变化规律，揭示了应力松弛过程的卸压孔作用机制。结果表明：含卸压孔硬岩应力松弛过程经历了迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段；随峰前加载载荷增加，其应力松弛度总体上呈现增加，能量耗散量增加，用于硬岩损伤破裂演化的能量比例增加；通过波速、波幅和波形变化对比分析可以反映含卸压孔硬岩应力松弛过程的变形损伤破裂演化进程；Burgers模型能较好地反映含卸压孔硬岩的应力松弛特性。经与完整辉长岩试样应力松弛试验对比分析，表明同等情况下含卸压孔硬岩的应力松弛度更大，松弛过程能量耗散量更多，耗散速度也更快。该研究结果对硬岩、含卸压孔硬岩长期稳定性分析、预测及岩爆解危具有很好的指导和借鉴意义。

孔口问题为力学领域中经典问题之一，也是岩土如隧洞、巷道等工程领域重要的问题之一。随断裂力学的发展，对含裂纹孔口问题的研究也不断深入。但是，以往研究多集中在二维问题或者含表面裂纹的孔口问题，含纯内裂纹的孔口问题研究报道较少。基于3D-ILC技术（对表面无任何影响的情况下，凭空生成任意参数的深埋内裂纹），在含有孔口的脆性材料中生成内裂纹，开展单轴压缩试验，与无裂纹完整孔口试样试验结果及已有文献进行对比，并开展理论与数值模拟研究。结果表明：（1）3D-ILC与传统方法相比，裂纹特征更为真实，为解决断裂力学中的三维内裂纹问题奠定了基础；（2）完整孔口试样裂纹形态主要有主裂纹与八字形裂纹；（3）含内裂纹试样裂纹形态以内裂纹扩展为主，主要有翼裂纹、次生裂纹、反翼裂纹、反向次生裂纹、竖向扭曲裂纹与主裂纹6种；（4）含裂纹孔口试样最终的破坏荷载比无裂纹孔口试样平均低76.49%，起裂应力较无裂纹孔口试样平均低96.72%；（5）通过数值模拟对完整孔口试样、含主裂纹孔口试样、含内裂纹孔口试样的裂纹扩展进行定性分析，与试验结论一致。该研究结果为含三维内裂纹的孔口脆性材料的断裂理论研究提供了物理试验基础。

通过对地表均布超载的模型试验实测既有盾构隧道上覆土层竖向土压力、土体沉降进行分析，结果表明：地表均布超载作用下，与隧道顶部的垂直距离越近，隧道上覆土层中的竖向土压力分布不均匀程度越大，同时土体沉降的不均匀程度也越大。隧道上覆土层出现不均匀沉降时，土体单元之间发生竖向相对位移而产生竖向剪力，隧道上覆土中表现出竖向土压力转移现象，从而使隧道上覆土层中的竖向土压力分布不均匀。隧道上覆土层中土体单元之间的竖向剪力大小与单元之间的竖向相对位移及土体力学性能有关，因此，地表超载作用下隧道上覆土沉降的不均匀程度及上覆土的力学性能对隧道上覆土层的竖向土压力分布不均匀程度有影响，进而对隧道变形产生影响。

选取3类不同宏观特征的武当群片岩岩样，分别制取不同片理角的标准圆柱试样。采用波速测试获取烘干、浸水处理后的试样的纵波速度，分析不同含水状态下武当群片岩波速各向异性特征，并结合偏光显微镜、扫描电镜下3类岩样的矿物组成与微观结构特征，探讨内外影响因素下的波速各向异性机制。结果显示：武当群片岩主要矿物为硬质粒状石英、长石与软质片状白云母，硬质矿物含量越高、孔隙率越小，则片岩纵波速度越大，反之越小；干燥样的纵波速度表现出显著各向异性，传播方向由垂直片理面向平行片理面变换时，波速逐渐增大，不同方向的波速值可用波速圆公式进行预测；波速各向异性本质上是微裂隙的定向展布、间隔分布的结果，可间接用白云母定向系数 评价各向异性程度k， 与 呈线性正相关，武当群片岩的k值上限为2.90；浸水后试样的纵波速度普遍增大，这是水充填空隙后对片岩等效体积模量的增加起主控作用的结果，片岩吸水后的波速增长效应受其孔隙率与微裂隙分布特征影响，引起不同类片岩间的纵波速度差异，导致同类片岩的波速各向异性程度与浸水时长呈负相关。

由于大多数黏土矿物是片状的，在沉积和随后的固结过程中黏土颗粒和组构单元趋向水平定向排列，使天然沉积黏土呈现各向异性的固结特性。通过垂直切和水平切试样的恒应变速率固结试验研究了日本有明黏土的各向异性固结特性。试验结果表明，水平切试样的先期固结压力pch与垂直切试样的先期固结压力pcv的比值在0.5～1.0之间，主要是因为天然沉积黏土各向异性的屈服轨迹以及垂直切和水平切试样所经历的应力路径不同；在正常固结阶段，水平切试样的固结系数ch与垂直切试样的固结系数cv之比约为1.43，水平切试样的渗透系数kh与垂直切试样的渗透系数kv之比约为1.40，水平切试样的体积压缩系数mh与垂直切试样的体积压缩系数mv基本相等。因此，有明黏土固结系数的各向异性主要是因为渗透系数的各向异性，而渗透系数的各向异性本质上是因为其微观结构的各向异性。

研究并提出一种以应变软化指标为基础的岩石非线性蠕变模型。首先，基于岩石三轴压缩试验结果，分析提出一种峰后应变软化指标R1来描述岩石峰后力学参数软化与塑性变形间的关系。接着，通过分析加速蠕变阶段与峰后段的联系，建立加速蠕变应变软化指标R2，并以此为基础构建非线性黏塑性体。然后，将其与Hook体和Kelvin元件串联，组建非线性蠕变模型，并将模型嵌入ABAQUS有限元程序。最后，针对砂岩和泥岩三轴蠕变试验建立数值模型，模拟曲线与试验曲线吻合良好，说明所建模型适用于硬岩/软岩加速蠕变现象的模拟。其中，参数 对加速蠕变曲线形态起调节作用，显示模型模拟脆性?延性流变破坏的特点。另外，模型参数均可由常规压缩破坏试验以及蠕变试验确定，易于获取。

从水头?诱导电位耦合驱动的角度，探讨分析黏土?水溶液体系的流体动力学性状。为此，借助动电输运原理，耦合Poisson-Boltzmann、Nernst-Planck、Navier-Stokes方程，建立了“广义力”驱动“广义流”的耦合关系。模型从黏土代表性单元体入手，计算确定各项耦合系数，用以定量考察离子迁移、流体运动的耦合性状。计算表明：采用Debye-Huckel近似计算黏土双电层电位将引起显著的误差；诱导电位产生的原因在于维持体系的电中性，其梯度大小正比于正负离子间因水头迁移性的差异而产生的潜在分离程度；诱导电位作用于离子迁移的方式在于阻滞正离子迁移，助推负离子迁移，而作用于流体运动的方式在于引起反向电渗，进而削弱水头驱动下的正向渗流；高表面带电密度的黏土矿物（如蒙脱土）处于低孔隙率的状态时，诱导电位对于渗流的削弱程度有可能异常显著。因此，建议相应的水头渗透系数的测定需要充分考虑诱导电位的影响，否则将导致较为显著的误差。

为了减小盾构机在粉砂地层中掘进时对地层的扰动及地表沉降的影响，针对粉砂地层渗透性大、内摩擦角高的情况，提出一种新型浓泥土压盾构施工技术，使用自制的土舱渗透试验装置，开展了3组不同泥浆添加量下混合土中泥浆渗透试验，研究混合土及地层中孔压的变化，分析应力的传递规律。基于室内试验结果开展了现场孔压监测试验，研究泥浆的添加对地层中孔压的影响。研究结果表明：泥浆添加量大于25%时，在开挖面表层处中出现泥膜效应；盾构掘进过程中泥浆添加量越大，地层中孔压的变化率越小，当添加量达到8 m3/环时，其孔压变化率仅为25%～45%；浓泥土压盾构泥膜类型只有渗透型泥膜，且渗透成膜前伴随泥浆颗粒损失。该研究结果对浓泥土压盾构在实际工程中的应用以及向砂砾石及砂卵石地层的推广具有重要的意义。

软黏土具有含水率高、压缩性强、泊松比大的物理特性。对于深厚软黏土地基而言，在竖向荷载的作用下很难保证侧向变形为0，适当考虑侧向变形的柔性约束条件可能更符合工程实际。因此，提出了柔性侧限条件下的竖向固结试验方法，对原状土样及重塑土样分别进行了不同侧向约束条件下的竖向固结对比试验，分析了侧限条件对软黏土沉降特征及变形参数的影响。试验成果表明，柔性侧限条件下土体的主固结变形量、次固结变形量均较K0侧限条件下的大，主固结完成时间较短，且等时曲线非线性化程度更高。基于试验成果及ε-lgp曲线，引入非达西渗流理论，对一维Terzaghi经典固结理论进行修正，建立了柔性侧限约束条件下的非线性控制方程，此计算模型参数通过柔性侧限固结试验获取，可计算一定侧向变形条件下土体的变形特性，通过对室内试验成果的模拟验证了模型的有效性。

开展钙质砂纵波波速与物理性质参数关系的试验研究，对珊瑚礁地基无损检测及工程物探具有重要的理论指导意义和工程应用价值。控制试样的物性参数状态，利用制样装置进行波速测量，揭示钙质砂纵波波速与物性参数的相关关系。试验结果表明：含水率是影响纵波波速的主要因素，与纵波波速呈二次函数关系。CT扫描结果表明，试样粒径越大，颗粒内部孔隙越丰富，这导致试样孔隙比越大，波速故而越小，与粒径、孔隙比呈负相关关系。在密实度相同、不均匀系数不同时，级配良好的砂样纵波波速差异不大。经过侧限压缩后，含水率一定时，粉土纵波波速与孔隙比呈二次关系，且与密度呈良好的线性关系。利用粉土易压缩且与纵波波速紧密变化的特点，可积极探索声波在粉土地基密实度检测的工程应用。

针对平动模式下墙背倾斜的挡土墙，假定墙后所形成的土拱为圆弧形，建立位移同内摩擦角、外摩擦角的非线性函数，并考虑土层间剪应力作用，通过水平层分析法，得出了挡土墙平动模式下非极限主动土压力分布、合力、作用点高度的解答，其解析解与试验值较其他方法吻合得更好，验证了该方法的合理性。结果表明：是否考虑土层间剪应力，土压力的大小均随墙体位移的增大而减小，不会影响土压力合力大小，仅影响土压力的分布，且考虑剪应力作用的土压力在墙体上部较不考虑剪应力要小，下部反之。剪应力对土体起阻碍作用，随内摩擦角的增大，剪应力出现先显著增大后略微减小的状态；随外摩擦角、位移的增大，剪应力增大；随着墙背倾角的增大，剪应力先减小，再反向增大，土压力随之增大。同时考虑土拱效应与剪应力所得出的合力作用点高度介于仅考虑土拱效应与库仑解之间。

黏性土渗透系数影响因素较多，甚至不同试验手段对试验结果都有较大影响。针对目前渗流试验中存在的问题，提出采用空心圆柱扭剪仪（HCA）测定软土渗透系数的方法，对其开展意义、可行性及试验步骤进行说明分析，并以重塑高岭土作为研究对象，开展一系列试验研究，探讨利用HCA开展渗流试验的标准，最终进行动力特性对软土渗透性影响的试验初步探索。结果表明：（1）以3 600 s作为单位时间，当连续24 h的单位时间内平均渗透系数差值小于2%，将该阶段中得到渗透系数平均值作为最终渗透系数较为准确；（2）综合试验效率、试验间的可比性以及试验结果准确性，建议利用HCA开展重塑高岭土渗流试验时可选水力梯度范围为10～15；（3）重塑高岭土经过交通荷载作用10万次后，其渗透系数比经静载压缩同等轴向应变后的渗透系数低12.79%，即研究动力特性对渗透系数的影响意义重大。

掌握基质吸力对非饱和离子型稀土抗剪强度的影响，对于认清水对矿体强度的弱化作用具有重要意义。现场测试了矿体的土?水特征曲线和抗剪强度，由此得到基质吸力对矿体抗剪强度的影响特性，即随着基质吸力的增大，矿体的内摩擦角略有增大，黏聚力大幅增大。同时，根据进气值所代表的物理意义进行分析可知，当基质吸力小于进气值时，基质吸力对抗剪强度的贡献速率可看成一稳定值；当基质吸力大于进气值时，基质吸力对抗剪强度的贡献速率逐渐减小。由此，以进气值为分界点，提出非饱和强度改进模型，通过改进模型计算得到的抗剪强度贡献值与现场实测值的误差绝对值基本在15%以内，且优于其他模型预测结果，表明本文的非饱和强度改进模型是有效的。

砂土及完整性较差、黏聚强度较小的破碎岩体中，浅埋隧道地层拱作用机制随地层变形发展而变化，受此影响隧道松动土压力也相应变化。常规方法忽略了地层拱不同阶段力学机制的不同，同时未考虑剪切面转动与大主应力旋转之间的相互关系，因此，不能解决浅埋隧道地层能否成拱、地层拱何时贯通至地表以及地层拱发展对隧道松动土压力影响等问题。针对这一情况，提出渐进地层拱力学模型以反映不同阶段地层拱的力学机制；其次，同时考虑主应力旋转、剪切面转动及二者相互关系，确定拱内土体应力分布；随后，优化了传统主应力偏转与地层差异沉降间的数学模型。在此基础上确定了渐进地层拱对隧道松动土压力的影响。改进方法结果与传统方法结果及试验结果的对比验证了改进方法的有效性与适用性。通过参数分析研究了隧道初始松动压力、随地层变形发展的松动压力以及地层拱贯通至地表时的极限变形等关键参数。最后，对下北山超大跨浅埋隧道的研究说明了改进方法的实用性。结论显示：（1）初始松动压力为初始松动区内土体重力，初始松动区范围不受覆跨比影响，而受地层强度影响，随内摩擦角增加而减小；（2）最大拱效应阶段以后，松动土压力随地层变形发展而增加，深埋、小跨度隧道（ ）增长速率较慢，反之较快；（3）极限变形随覆跨比、内摩擦角增加而增加，深埋、小跨度隧道地层拱效应更明显；（4）对于下北山隧道，初始地层拱存在，初始松动土压力为0.37 ，极限松动土压力为0.41 ，最终松动土压力为0.54 ，隧道变形应控制在5.7%以下避免地层拱贯通至地表。

以饱和度与有效应力为状态变量，通过引入描述不饱和与饱和土孔隙比差的状态变量，将Zhang等提出的饱和土体应力诱导各向异性动弹塑性本构模型推广到不饱和土体中，使其可描述不饱和土在动力循环荷载作用下的力学特性行为。通过对已有不饱和土体在完全不排水条件下的动三轴试验进行理论模拟，验证了所提出不饱和土本构模型的正确性。最后基于所提出本构模型，讨论了在不排水条件下初始饱和度对不饱和土动力特性研究。结果表明，不饱和土在动力荷载作用下，土体的孔隙比将减少，导致饱和度增加；当初始饱和度较高时，不饱和土会转化为饱和土，从而发生液化现象。该研究成果对研究不饱和土在地震等动力荷载作用下的力学特性行为具有重要意义。

基于栅格柱体单元构造出对称边坡滑面正应力分布的逼近函数，为在GIS（地理信息系统）中建立基于滑面正应力假定的极限平衡法提供了理论计算基础。结合GIS的强大空间数据分析能力，建立出一个基于栅格柱体单元的三维边坡稳定性分析极限平衡模型，且在无任何力的假设条件下，推导出基于栅格单元的滑面正应力分布构成。结合算例分析表明：在滑体滑动方向上，滑面正应力的分布一部分由滑体自重和外力构成，且对滑面正应力的贡献所占比例很大，为已知函数，另一部分由柱间作用力构成，所占比例很小，为未知函数，因此，柱间作用力分布可选用三阶拉格朗日多项式来近似逼近拟合；在垂直于滑体滑动方向上，滑面正应力分布采用抛物线近似逼近拟合；进而构造出对称边坡的基于栅格单元的滑面正应力分布逼近函数。并通过算例对该逼近函数的合理性进行了验证。

高陡边坡变形及其对坝体安全稳定的影响，是高山峡谷型流域水利工程施工建设与安全运行所普遍面临的重要科学问题。一是高陡边坡稳定性研究，通过坝体两岸高陡边坡变形监测理论和方法研究，为实现动态反馈提供可靠的分析数据，再评价高陡边坡安全稳定性。二是高陡边坡变形对坝体安全稳定影响研究，通过分析岸坡与坝体间的相互作用，明确高陡边坡变形对坝体安全稳定的影响机制、作用范围和作用程度。在总结上述研究内容进展的基础上，归纳了本研究方向亟需解决的4个关键科学问题：时变监控方法、高精度数值仿真、智能优化反分析、边坡对坝体影响的理论计算方法，认为应进一步开展高陡边坡与坝体间相互影响机制及加固措施研究，为高陡边坡变形及其对坝体安全稳定影响研究提供思路。

目前在群桩设计中仍大多数采用均匀等长布桩的方法，这种方法在基础受力、变形等方面存在较大的缺陷。考虑增大群桩轴向刚度和减小群桩基础差异沉降的条件下，将群桩基础位移函数与桩长优化函数相结合，在对基础采取行变换、平面变换的方式下，通过设置不同的桩长比值ξ、连接曲率值η设定不同布桩方案，分析不同方案下群桩基础轴向刚度比、差异沉降比的变化规律；并利用数值模拟法对所得优化结果的可靠性进行验证。此外，针对不同桩土刚度比、不同桩间距对群桩基础的轴向刚度比和差异沉降比进行了参数分析。研究结果表明：不同群桩基础优化变换方式、不同桩长对群桩基础优化结果会产生不同的影响；当优化目的是为增加群桩基础刚度时，应主要考虑行变换的优化方式，当优化目的是为减小基础差异沉降时，应主要考虑平面变换的优化方式；基础轴向刚度比随着桩土刚度比的增加而增大，随着桩间距的减小而增大；基础差异沉降比随着桩土刚度比的增加而减小，随着桩间距的减小而减小。

白鹤滩水电站左岸为强卸荷岩体三维复杂块体系统高边坡，采用三维地质力学模型试验，进行了边坡变形特性、失稳破坏过程、破坏机制、边坡稳定性及加固处理效果研究。模型试验表明，边坡失稳模式为块体滑动破坏，破坏形态表现为底滑面的剪切破坏和后缘结构面的拉裂破坏以及块体沿底滑面和侧滑面的滑动。边坡破坏过程为模型结构面初裂、结构面组合块体边界贯通、最终至边坡整体失稳3个阶段。采用地质力学模型试验综合法获得了左岸块体系统边坡整体稳定安全系数，典型块体稳定安全系数与三维刚体法及块体单元法（BEM）计算成果对比基本一致，模型试验综合法安全系数相对较大。同时，针对层内错动带LS337界面部位相对变位监测表明，深层混凝土置换洞加固有效地控制了底滑面的滑动变形，提高了相关结构面组合块体的稳定性，边坡加固效果较为明显。研究成果对白鹤滩工程左岸强卸荷区三维复杂块体系统边坡及类似工程边坡稳定性及加固处理具有重要的指导意义。

在土石坝工程中越来越重视岸坡与坝料之间的接触特性，将土体本构模型中使用较多的双曲线型硬化规律运用至接触面模型，提出了一个简洁的接触面本构模型，推导了接触面模型刚度矩阵表达式。通过对4组试验的预测结果与试验结果的对比，表明该模型可以较好地预测粗粒料的界面剪切试验。将提出的接触面模型嵌入有限元程序，应用于如美心墙坝河谷与坝料的接触分析。三维有限元计算结果表明：坝体两侧岸坡的剪切位移变化规律都是中间部分剪切滑移量较大，岸坡边缘部分相对较小，陡坡一侧最大滑移量大于较缓一侧。这些均符合粗粒料滑移的基本规律，可为岸坡?坝料接触特性研究以及土石坝工程计算提供参考。

工程弃渣、地震滑坡堆积体等松散介质，在降雨条件下所形成的饱和松散堆积体具有更强的流动性，其运动速度、危害范围大大超过预期，其内在机制一直是国际学术界关注的热点问题。采用Iverson基于极限状态土力学原理构建的饱和堆积体剪胀模型，并整合到Savage-Hutter滑坡运动演进物理模型中，采用有限体积法求解滑坡运动学方程，实现了饱和松散堆积体运动演进全程模拟，最后以深圳滑坡为案例研究了滑坡运动成灾过程。结果表明：剪胀效应是导致饱和松散堆积体快速运动的主要原因，饱和松散堆积体的初始状态（孔隙比或固相体积分数）对其运动-堆积演化过程有决定性影响。

为进一步提高堆石坝材料参数反演模型的计算精度与适用性，建立了基于量子遗传算法（QGA）与多输出混合核相关向量机（MMRVM）的自适应反演模型。通过引入混合核函数，使所构建的MMRVM能够高精度地模拟材料参数与大坝沉降间的复杂非线性关系，从而代替耗时较长的有限元（FEM）计算。通过利用参数较固化的QGA优化确定MMRVM核参数，使反演模型具有自适应性。以实测沉降数据为依据，充分发挥QGA的全局搜索能力反演筑坝材料本构模型参数。在分析模型所需测点个数与信噪比对计算结果影响的基础上，通过公伯峡堆石坝应用实例证明：QGA-MMRVM可快速、精确地反演堆石坝筑坝材料本构模型参数，模型凭借其自适应性在实际工程中具有良好的应用前景和推广价值。

提出多自由度模型分析法，构建金属矿采空区群类动力响应微分方程，引入剪切力作用修正因子矩阵λ和作用系数矩阵B，表征外部荷载作用下围岩剪切作用，研究爆破荷载激励下复杂立体采空区群动力响应问题。采用Newmark-β法对采空区群类动力响应微分方程迭代求解，利用Matlab自编程序实现快捷计算，解决了多自由度采空区群动力响应计算效率低、精度差的难题。以某金属矿3×3单元采空区为例，与数值模拟方法进行对比分析表明，该方法可直观地反映立体采空区群内部质点的动力响应规律，二者位移、速度时程曲线变化趋势基本一致，位移变化峰值的区域为爆破荷载施加部位。多自由度模型法计算结果与现场位移监测对比表明，两者变化规律相似，位移峰值在同一数量级上，后者位移变化具有滞后性。该方法为复杂立体采空区群的动力响应研究提供了一种新思路。

颗粒形状不仅反映颗粒的形成历史，更是影响堆石料物理力学性能的重要因素之一，值得深入研究。采用颗粒流程序PFC3D，根据实际颗粒形状建立不同球度的颗粒模型，并提出了数值试验中获取不同相对密实度试样的流程。讨论了球度对最大、最小孔隙比的影响，其结论与已有试验统计结果基本相符。分别以孔隙比和相对密实度为密度控制指标，对不同颗粒形状的试样进行等向固结和常规三轴试验，并分析了配位数、颗粒长轴各向异性、接触各向异性、结构各向异性等微观变量的变化规律。结果表明，当颗粒圆度较高且级配均匀时，球度对峰值摩擦角影响较小，主要影响残余摩擦角的大小。颗粒形状发生变化时，配位数影响试样强度但不起决定性作用，颗粒形状主要通过影响试样内接触以及接触力的各向异性程度来影响试样宏观表现。

针对无黏性颗粒材料，开展了柔性边界双轴压缩数值试验，分析了不同围压下力链的数量、方向概率等随轴向应变的变化。研究结果表明：不断加载使得游离的高应力颗粒有所减少，荷载更多的被力链承担；统计意义上，力链最大长度为9个颗粒。轴向±30o范围内力链概率随应变的发展与偏应力一致，而与其邻接的[40o，60o]和[120o，140o]两个方向上的力链概率随应变的发展与偏应力相反；双轴试样剪切破坏时有单剪切带和双剪切带两种模式，当[40o，60o]和[120o，140o]两个角度区间的力链概率有较大差异时，剪切带出现在力链较少的角度区间；当这两个角度区间力链概率接近时，试样中将出现两个剪切带。

边坡失稳一般经历滑裂面萌生、扩展和贯通的过程。近年发展起来的扩展有限元法（XFEM）可以合理地模拟这一过程，但在实际应用中仍未克服需要预先设定滑裂面的起始位置，以及滑裂面前端扩展方向的判断精度较低等缺陷。首先介绍滑裂面萌生和扩展的判断和程序实现机制。然后提出了确定滑裂面起始位置的方法，重点描述了其中的自动判断裂缝萌生位置的方法，即根据单元内的应力状态求得拉应力水平和剪应力水平，根据其相对关系并结合应力历史进行判断。接着介绍了联合运用扇形控制域和圆形控制域确定滑裂面前端扩展方向的新方法。该方法可提高XFEM对滑坡破坏过程的模拟精度。最后通过两个边坡失稳算例的计算分析验证所提方法的可靠性。

采用砂土液化大变形弹塑性本构模型分析可液化砂土，采用模量随应力与应变变化的等效非线性模型增量形式分析碎石桩，应用FLAC3D有限差分软件对地震动力作用下可液化场地碎石桩复合地基进行三维动力响应分析。模拟分析了在地震作用下碎石桩刚度效应和排水效应对加固处理可液化场地的抗液化效果，从初始小变形到液化后大变形的变形发展，超静孔压累积与消散，及桩与土的变形与应力分配变化等。结果表明，所用模型与方法可合理描述可液化场地碎石桩复合地基在地震作用下场地的动力响应特性和抗液化效果；在地震作用下可液化场地中桩周土体与碎石桩体的竖向应力与水平向剪切应力向碎石桩体集中，竖向有效应力比可降至约1/6～1/3；桩周土体与桩体为非协调变形，剪应变比可达7～10；碎石桩抗液化影响范围约为2.5～3倍桩径，对超过3.5倍桩径范围影响较小；碎石桩与砂土渗透系数比大于100时对降低砂土中超静孔隙水压影响明显；碎石桩对场地的加密效应可显著降低超静孔隙水压力，而碎石桩刚度则对超静孔隙水压力变动影响较小，但有助于减低地面加速度响应峰值。

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