干湿与冻融耦合作用是构成高寒地区恶劣气候条件的基本形式之一，对高寒区膨胀土输水渠道的正常运行产生严重影响。以北疆供水工程渠道现场渠基膨胀土为研究对象，开展了单向湿干及湿干冻融耦合循环作用下的裂隙试验，探讨了冻融过程对膨胀土裂隙演化规律的影响。通过对不同试验条件下的膨胀土试样进行CT扫描及三维重构，获得了不同循环次数作用下膨胀土内部裂隙的演化特征。试验结果表明：湿干及湿干冻融耦合循环作用下试样内部裂隙均呈现出由表层向内部的发展规律，裂隙的区域性分布明显。对比不同试验条件下试样内部裂隙的演化特征可知，湿干冻融耦合循环中的冻融过程对试样裂隙的开展深度影响显著，冻融过程造成试样内部裂隙的破碎断裂，宏观表现为非水平向长裂隙向短裂隙的转化。此外，研究还发现采用裂隙体积分数能较好地评价膨胀土试样经受不同循环次数作用下的裂隙发育规律。

为了获得巷道围岩开挖卸荷过程中的声发射特征与开挖卸荷状态之间的关系，使用水泥砂浆厚壁圆筒围岩试样，开展开挖卸荷条件下3种不同卸荷速度的声发射试验研究。利用自主研发的小型巷道围岩开挖卸荷模型试验系统，声发射系统及变形监测系统采集试样卸荷过程中的声发射时频信号及变形信息，并对声发射b值进行研究。研究发现：（1）试验过程具有4个特征阶段：加载段―维持段Ⅰ―卸荷段―维持段Ⅱ，这4个阶段与振铃累计曲线有良好对应关系。（2）加载段，高频高幅信号较多，分布范围广，试样内部原始裂隙在三向应力作用下压密明显；维持段Ⅰ，高频高幅信号明显减小，分布范围变窄，试样三向持续压密，变形微小；卸荷段，高、低频信号增多，幅度增加，应变率较高，变形增加速度快，卸荷对试样内侧影响效应更显著；维持段Ⅱ，较慢速卸荷的高幅信号持续增多，内外侧以较低应变率持续产生变形。（3）卸荷速度越大，卸荷段振铃累计曲线出现“陡升”的幅度越高，维持段Ⅱ“陡升”出现越早，幅度越小。（4）卸荷速度增大，b值整体量值减小且越趋于小波幅平稳变化，相对声发射大事件占比提高，破裂尺度更大。

固化/稳定法修复重金属污染土固化机制的研究方法多基于力学测试和化学分析，因而提出无损、快捷方便且经济有效的物理评价方法是目前亟待解决的关键问题。通过系统的室内试验，利用电阻率法研究了水泥?粉煤灰固化重金属污染土的微观作用机制，并建立了基于电阻率的固化铅污染土无侧限抗压强度预测模型。试验结果表明，随着养护龄期的增加，试样电阻率、孔隙水电阻率、结构因子、形状因子均显著增大，而各向异性系数则随之减小。而增加重金属离子浓度，电阻率、孔隙水电阻率以及平均形状因子明显减小，各向异性系数A则逐渐增大。扫描电镜分析结果与电阻率参数变化规律吻合，进一步验证了电阻率法揭示水泥?粉煤灰固化重金属污染土微观作用机制的可行性。此外，电阻率与无侧限抗压强度之间存在良好的线性关系，可作为评价固化土体力学性能的指标。

基于自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，开展了不同顺层钻孔布置间距条件下的瓦斯抽采物理模拟试验，对瓦斯抽采过程中煤层瓦斯压力及抽采流量的演化规律进行了探讨。研究结果表明：煤层内不同测点的气压随着与抽采管之间距离的减小，下降速率加快；当受抽采叠加效应影响时，在相同距离条件下抽采管之间区域的气压下降速率大于外侧，且在抽采开始后该气压差异迅速到达峰值后呈下降趋势，而距离抽采管越近的区域，或随钻孔布置间距增加，叠加效应均减弱；在煤层垂直于钻孔的断面上，气压梯度与抽采瞬时流量存在幂函数关系，随着钻孔布置间距减小，或数量增加，同一位置的气压下降速率增大，抽采瞬时流量下降速率加快，累计流量增加，煤层渗透性系数ɑ值增大，说明煤层瓦斯抽采效率更高。研究结果可为现场合理布置抽采钻孔提供一定的理论依据。

基于小波函数伸缩平移的特性，建立了能反映锚杆界面黏结?软化?滑动力学特性的剪应力?位移非线性本构模型，克服了三折线软化界面模型需要分段分析的复杂性。结合锚固体荷载传递的力学微分方程，推导了锚杆拉拔荷载?位移曲线的解析表达式，并提出了锚固体位移、轴力、周边剪应力的数值计算方法和步骤。通过算例分析，得到不同张拉位移作用下的锚固段位移、轴力和剪应力分布，获得的锚杆拉拔荷载?位移和锚杆轴向力分布计算值与实测值进行了对比分析，验证了该方法的有效性。该方法能准确地反映锚杆在不同荷载下的传力机制，模拟锚杆从弹性工作状态到塑性滑移的全过程。最后，通过参数分析，得到了锚杆锚固长度、轴向刚度以及锚固界面本构参数对锚固效果的影响规律。

钙质砂是一种海洋生物成因的特殊岩土材料，具有颗粒性状不规则、易破碎的特点，表现出与石英砂不同的力学性质。为模拟钙质砂在不同应力水平下的应力?应变关系，首先分析南水模型的不足：即无法描述应力不变情况下应变无限增长的特点和不能描述钙质砂的剪胀性；然后通过在切线模量中引入应力比与峰值应力比的比值，合理考虑了颗粒破碎的影响；提出了切线模量和切线体积比与应力比间的函数关系式，使得改进后的模型能较好地描述应变?体变关系。同时，将孔隙压力系数引入到孔隙压力表达式中，较好地模拟了三轴不排水剪切试验结果。与现有的模型相比，改进后的模型表达式简单易懂，参数获取更为方便。

富水隧道水岩作用的复杂性导致岩体内部孔隙结构的演化具有不稳定性，会诱发岩体的劣化、失稳等现象，这对地下渗流岩体稳定性的研究提出了更高的要求。为探究贵阳下麦西隧道灰岩在渗透水压作用下溶蚀孔隙结构的演化规律，对不同渗透水处理的灰岩试件进行了声发射、压汞、SEM及荧光光度试验，获得了灰岩溶蚀质量损失率、波形、频谱图、孔隙分布曲线及电镜扫描图像等。结果表明：灰岩质量损失率随渗透压增加呈缓慢增加?快速发展的发展趋势，渗透压分界点为6 MPa。随着渗透压增加，波形首波振幅逐渐衰减，波形曲线衰减较快且较早趋于稳定，波尾发育程度减缓。灰岩主频峰值逐渐衰减，由单峰向多峰演化，主频峰值与渗透压呈二次函数关系，且声波频率由（相对）高频段向低频段发展。溶蚀灰岩的大、中孔隙对渗透能力起到了决定性作用。随渗透压增加，灰岩累计进汞量呈指数函数增加，CaCO3和SiO2成分含量均呈指数函数变化。机械溶蚀较为敏感，化学溶蚀受溶蚀时间限制无法在短期内快速发展，机械溶蚀占据主导作用。建立的接触冲刷模型表明，渗透水的拖拽力取决于水流速度，而渗透压的提高则可增加单位体积的水压力梯度，进而提高水流速度。

设计了白鹤滩水电站复杂结构面组合块体边坡的比尺为1:200的大型三维动力模型试验，通过输入不同幅值的地震波，研究地震作用下块体位移时程的响应规律、残余变形的分布规律，揭示边坡块体的破坏模式，评判边坡块体的破坏类别和特征。试验结果表明，工程边坡块体在设计条件下的抗震稳定性较好；在地震超载过程中，残余变形首先发生于后缘裂隙，各超载工况残余变形量由两个三角部位向坡内逐渐减小，三角部位为地震作用下易首先破坏的区域；该边坡块体地震破坏模式为沿底面与侧面的双滑失稳破坏模式。由残余变形量变化过程及地震灾后统计成果分析得出工程边坡的破坏特征：残余变形量小于15 cm且初次出现较明显突变可作为抗震设计允许变形限值；残余变形量大于30 cm后位移突变加强，边坡块体即可能整体失稳。边坡锚固应注意加强块体后缘裂隙的抗拉能力和底面的抗剪能力。

裂隙注浆是目前土遗址裂隙加固领域的通用手段，浆液的膨胀性和结石体与遗址土体的力学兼容性成为注浆措施能否充分发挥封堵和黏结作用的关键。研究通过对9种不同配合比及水灰比的SH-(CaO+F+C)浆液进行膨胀性与流动性测试，最终遴选出配合比CaO:F:C = 3:2:5的3种不同水灰比浆液作为优选浆液，并通过对优选浆液连续间隔龄期结石体的强度测试确定了最佳养护龄期。而后通过热膨胀和不固结不排水三轴试验，得到了浆液结石体和遗址土体的线胀系数以及浆液结石体、浆液结石体?重塑遗址土和重塑遗址土3类试样的破坏模式、应力?应变关系曲线、抗剪强度参数与弹性模量。结果表明：浆液结石体和遗址土体的线胀系数数量级别相同，3组优选水灰比浆液结石体和重塑遗址土体力学行为一致，其中配合比为CaO:F:C = 3:2:5、水灰比为0.50的浆液结石体与重塑遗址土力学兼容性最佳。

珊瑚单颗粒破碎特性与珊瑚砂高压缩性、剪缩性及良好蠕变性等宏观力学行为密切相关。珊瑚颗粒的应变率效应对于不同形式荷载作用下珊瑚砂强度与变形特性研究具有重要意义。对约300颗珊瑚颗粒进行0.1～50 mm/min位移速率下的单颗粒破碎试验，探讨加载应变速率对颗粒破碎强度、破碎模式、破碎能量及破碎分形的影响。结果表明，珊瑚颗粒破碎强度服从Weibull分布规律，且特征破碎强度随应变率的提高非线性增大；随着加载速率的增大，颗粒主劈裂破坏往往先于棱角的局部碎裂和表面研磨，相应的荷载?位移曲线呈现出由峰前“多峰”向峰后“多峰”现象转变；珊瑚颗粒破碎能量密度和破碎分形维数同样具有明显的应变率效应，且均与对数应变率呈线性正相关关系，表征能量耗散和破碎程度均随加载应变率的增大而增大。

颗粒形态对碎石集料宏观力学性质有显著影响，准确描述其形态特征是从微细观层面研究材料宏观力学行为的基础性工作。针对颗粒形状、棱角、纹理3个尺度的形态特征，探讨了基于颗粒几何尺寸的量化表征参数；分析了不同粒组碎石颗粒形态特征表征参数的分布规律；结合单粒组颗粒堆积试验，讨论了颗粒形态特征与堆积孔隙率的关系。有以下结论：（1）提出的以周长为核心表征的颗粒形态特征量化参数，对颗粒形态以及形状、棱角、纹理3个尺度形态特征具有较好甄选能力；（2）基于每个粒组1 000个颗粒样本统计分析表明，描述颗粒形态及形状、棱角、纹理特征的参数均符合对数正态分布；（3）颗粒集合体的综合棱角、纹理指数与松堆和密堆条件下的孔隙率具有较好的映射关系，颗粒棱角与纹理是影响堆积孔隙率的主控因素。

采用硫酸亚铁（FeSO4）对Cr(VI)污染土进行稳定化处理。研究了Fe(II)/Cr(VI)摩尔比和养护龄期对污染土稳定过程中的铬赋存形态及浸出特性的影响规律。结果表明：随着Fe(II)/Cr(VI)摩尔比和养护龄期的增加，Cr(VI)和总Cr的浸出浓度降低，稳定土中Cr(VI)的含量降低，当摩尔比为3时，Cr(VI)和总Cr的浸出浓度均低于我国《危险废弃物鉴别标准 浸出毒性鉴别》（GB/T50853―2007）的限值；当摩尔比为10时，稳定土中Cr(VI)的含量低于我国《土壤环境质量标准》（GB15618―2008）中工业和商业用地的限值（30 mg/kg）；当摩尔比为20时，低于居住用地限值（5 mg/kg）。形态提取试验结果表明：FeSO4改变稳定土中铬的赋存形态，可促使铬从弱酸态向可还原态和可氧化态转化，而对残渣态的铬影响不大。Cr(VI)的浸出浓度与稳定土中的Cr(VI)含量均存在指数函数关系，且浸出试验不能全面、客观地评价铬污染土稳定效果。

水平偏心受荷群桩同时发生水平移动和绕承台中心的转动，使基桩的运动方向各不相同，因此基桩的运动方向成为影响群桩效应的一个关键因素。研究发现：水平偏心受荷的两根桩，前桩运动方向与两桩连线夹角0o≤η≤90o，后桩夹角?90o≤θ≤90o；量化两桩间桩?土?桩相互作用的折减系数与η和θ密切相关，η和θ组合存在一个范围，在该范围内两桩不存在相互作用；当两桩存在相互作用时，相互作用对后桩的影响往往大于对前桩的影响。通过将定量描述水平受荷群桩群桩效应的p乘子概念拓展到水平偏心受荷群桩，综合运用理论分析、试验和数值计算成果，提出了折减系数计算公式，进而给出了广义p乘子经验计算公式。通过试验案例验证了该计算公式的合理性。

为了进一步研究加肋土工膜拉拔试验作用机制，通过室内拉拔试验和粒子图像测速(PIV)分析，研究不同工况下（加肋高度和温度）加肋土工膜与砂土界面的力学性质以及衬垫系统内部颗粒的位移场和速度场分布。拉拔试验结果表明，不同的加肋高度和温度对界面的稳定性有着深刻的影响，极限拉拔阻力随着加肋高度的增加和温度的降低而增大。通过细观分析得出加肋土工膜和砂土界面附近砂土会形成间接影响区。影响区内部的砂土位移和速度比周围砂土颗粒位移和速度大，这是因为肋块在拉拔过程中挤压其左侧的颗粒或带动其整体移动。并且肋块之间的影响区会相互影响扩散，因此对砂土颗粒形成加固作用。试验结果和PIV分析表明，温度和加肋高度对间接影响区有着显著的影响，从而对加肋土工膜与砂土界面的整体稳定性产生影响。

将绿色环保活性MgO?粉煤灰材料引入淤泥固化，采用系列室内模拟试验，深入研究冻融、浸水和干湿等复杂气候环境下活性MgO?粉煤灰固化淤泥试样的外观形貌和强度特征，明确外界环境干扰诱使固化淤泥性能演化的内在规律。结果表明：活性MgO?粉煤灰固化淤泥具有良好的抗冻融、抗干湿及水稳性，且活性MgO?粉煤灰掺量及MgO/粉煤灰配比提高可进一步改善活性MgO?粉煤灰固化淤泥试样的耐久性能。冻融、浸水和干湿等复杂环境显著劣化固化淤泥抗压强度，其强度水平均低于同龄期标准养护试样。固化淤泥试样无侧限抗压强度随冻融循环次数增加而逐渐降低，随浸水时间增加先降低后趋于稳定，随干湿循环次数增加呈降低的趋势。基于所得试验结果，提出了活性MgO?粉煤灰固化淤泥耐久性演变的内在微观机制模型。

通过GDS三轴试验系统对经历3种卸荷速率损伤后的原状南阳膨胀土样进行再加荷不排水三轴伸长剪切试验，同时考虑了超固结比与固结状态的影响。试验结果表明，膨胀土再加荷剪切力学特性与初始卸荷速率有关。在相同的轴向应变下，初始卸荷速率越小，其偏应力单调越小。在主应力方向改变前后，其应力?应变关系曲线斜率显著变化。相同固结方式与超固结比状态下，孔隙水压力均表现为先增大后减小趋势，孔隙水压力峰值应变随卸荷速率增大而减小。无论是等压固结还是K0固结，初始卸荷速率越大，不排水剪切强度越大。膨胀土样经历了初始卸荷损伤后，再加荷常规三轴伸长试验所得剪切强度均低于无损伤时的强度。以膨胀土破坏强度所得损伤度SD低估了卸荷速率对膨胀土的损伤程度，建议采用孔隙水压力峰值强度进行膨胀土边坡设计计算。原状膨胀土力学性状随卸荷速率损伤的演化规律受卸荷阶段轴向应变大小及裂隙性综合影响。

为研究断层隧道在地震作用下的影响规律，开展了穿越断层隧道的振动台对比试验，介绍了试验材料、相似比选取及动力加载情况。试验表明：地震作用下衬砌腰侧的受力明显大于顶部和底部，在进行结构设计时应进行加强；隧道衬砌具有一定的加速度放大效应，衬砌结构的加速度傅里叶谱值主要集中于中低频，在结构临近破坏时，加速度和应变响应值将发生突变；隧道衬砌裂缝发展与结构位置密切相关，地震作用下底部裂缝由内向外发展，腰部裂缝由外向内发展；断层走向与隧道纵向夹角越小，地震对隧道的作用越大，裂缝的发育越明显；隧道的最终破坏形式为管节本身的纵向拉裂缝和管节接缝处的错台组成。该研究成果为穿越断层隧道的相关设计提供参考。

颗粒破碎对于粗粒土的应力变形性质有显著影响。在Rowe剪胀方程的基础上考虑颗粒破碎耗能的影响，并引入颗粒破碎的演化规律对颗粒破碎耗能进行计算，得到了一个简单实用且对粗粒土适用性较好的剪胀方程。主要结论如下：（1）通过粗粒土的三轴CD试验结果分析并证明了弹性应变对于剪胀比的影响较小，因此，可以将剪胀比 表示为 ，进而得到了剪胀方程表达式的一般形式。（2）将剪胀方程中的临界状态应力比Mc折减为摩擦系数M，并引入了颗粒破碎的演化规律，将M定量表示为广义剪应变的函数，从而使得所计算的破碎耗能在剪切过程中是递增的，且逐渐趋于稳定值，符合了颗粒破碎不可逆的规律。（3）试验表明，剪胀方程中的未知量 与摩擦系数M之间呈现显著的线性关系，将该关系代入剪胀方程即确定了方程的具体表达形式，并且利用堆石料的三轴CD试验证明了其对粗粒土的剪胀性预测效果较好。

脆性岩石材料在压应力作用下常出现两类裂纹：翼型张拉裂纹和次生剪切裂纹。近场动力学是一种新型的无网格数值计算方法。在近场动力学理论中，采用积分形式的控制方程代替微分形式的控制方程使得该数值算法在断裂问题上具有独特的优势。将Mohr-Coulomb准则和最大主应力准则引入非普通“态”基近场动力学理论中，分别用于模拟材料常见的压剪和张拉破坏。这种扩展的非普通“态”基近场动力学可以有效地模拟脆性岩石材料在多种受力状态下的裂纹起裂、扩展和连接问题。通过5个不同的数值算例说明该数值算法在处理脆性岩石材料断裂问题的有效性和准确性。首先，通过模拟含圆孔的弹性板拉伸数值试验说明该数值算法的有效性和准确性。其次，数值模拟了简单三点弯曲试验以及不使用其他外部准则条件下动荷载作用下裂纹的分叉试验，所得结果与其他试验结果或数值结果相吻合，从而验证了该理论的有效性。然后，模拟了包含斜裂纹的巴西圆盘试验，裂纹扩展路径和计算所得的断裂韧度同样吻合于试验结果。最后，模拟了单轴压缩状态下，预制裂纹试样的裂纹扩展和连接问题。将该数值算法与试验结果对比表明，所提出的数值方法可以模拟和预测岩石类材料的张拉和压剪裂纹的起裂、扩展和连接行为。

生物炭具有疏松多孔、高比表面积和强吸附等特性，在土体改良以及修复受污染土体方面展现出应用潜力。添加生物炭可改善土体结构，进而增强土体持水特性等，其中，生物炭掺量和粒径对改良效果有较大的影响。为了研究生物炭掺量和粒径对生物炭?黏土混合土持水特性的影响，通过蒸汽平衡法控制土样的吸力，确定吸力平衡后土样的含水率和体积等，得到吸湿过程中不同生物炭掺量（0%、5%、10%和15%）、不同粒径范围（＞74、40～74、20～40 μm和＜74 μm）生物炭?黏土混合土在高吸力（3.29～286.7 MPa）范围的土?水特征曲线，并结合扫描电镜（SEM）和压汞（MIP）试验结果分析其微观孔隙结构。试验结果表明：（1）当掺入生物炭的粒径较小时，随着生物炭掺量的增加，土样的持水特性有较明显的提高，随着掺入生物炭粒径的增大，生物炭掺量对土样的持水特性影响不大。（2）当生物炭的掺量较少时，不同粒径生物炭?黏土混合土的土?水特征曲线基本相同，随着生物炭掺量提高，小粒径生物炭对混合土持水特性的影响逐渐显现。（3）由生物炭?黏土混合土微观孔隙结构的演变规律进一步阐释生物炭掺量、粒径对生物炭?黏土混合土持水特性的影响机制。

断裂力学是各领域基础科学，材料内裂纹相互作用是断裂力学的重要研究领域，但目前球体内裂纹相互作用研究成果较少。基于三维激光疲劳内裂纹（3D-ILC）技术，在对球体试样表面无任何损伤的情况下，制作三维平行纯内裂纹，开展45o倾角平行双内裂纹单轴压缩试验，对双内裂纹的裂纹扩展过程、应力双折射规律、断口特征、破坏形态、相互作用等多方面开展研究，进行含双内裂纹I-II-III型圆球断裂数值模拟，分析KⅠ、KⅡ、KⅢ分布规律，与试验相符。结果表明：（1）球体双内裂纹在单轴压缩下之间发生屏蔽作用，主裂纹面穿过两预制内裂纹；（2）翼型裂纹光滑区呈现I-II型裂纹断口特征，翼型裂纹侧面撕裂区呈现“矛状”III型裂纹特征；（3）基于M积分计算的KI、KII、KIII分析与基于断裂特征的I、II、III型裂纹类型分析一致。3D-ILC技术可用于球体内裂纹相互作用断裂试验研究，球体内裂纹试验与理论分析为脆性材料内裂纹扩展及相互作用研究提供试验与理论参考。

连续降雨条件下，风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力特征是深刻认识反复翻浆冒泥病害机制的关键。采用不排水动三轴试验，模拟路基瞬态饱和区列车加载频率和连续降雨条件下排水边界条件，开展路基瞬态饱和区动态水压力特征试验研究。分析了细颗粒含量对风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力的影响，揭示了路基瞬态饱和区细颗粒含量临界值约为25%。当细颗粒含量小于25%时，动态水压力随细颗粒含量的增加而增大；当细颗粒含量大于25%时，动态水压力随细颗粒含量的增加而减小。引入等效粒间孔隙比的概念，解释了细颗粒含量临界值的微观机制和物理意义。基于试验构建了考虑细颗粒含量的风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力经验模型，分析了模型参数随细颗粒含量变化的敏感性。该模型有助于工程技术人员预测连续降雨条件下铁路路基瞬态饱和区动态水压力。

土体具有显著的空间变异性，描述土体空间变异性的重要指标是自相关距离。提出基于土体微结构模拟的方法来求解土体的自相关距离。在生成土体的微结构数值模型时，对四参数随机生长法（QSGS法）进行改进，考虑土体的粒径分布信息，使得生成的土体微结构更加合理。改进的四参数随机生长法（MQSGS法）所需的输入参数可以结合土体的扫描电镜试验及粒径分析试验获取。基于生成的土体微结构数值模型，即可计算土体的2点自相关函数，再通过曲线拟合即可求解土体的自相关距离。研究表明：与QSGS法相比，采用MQSGS法生成的土体微结构更加符合自然界的真实土体；基于MQSGS法生成的微结构数值模型计算得到的土体自相关距离略小于QSGS法得出的自相关距离。

孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力，改变微观孔隙结构，从而影响土体的物理力学特性。为此，以宁明膨胀土为研究对象，采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验，研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加，颗粒间水化能力降低，物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态，形成了集聚体内孔和集聚体间孔，土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小，进而导致固结屈服应力增加；但是渗透吸力对压缩性影响不大，压缩指数和回弹指数基本不变。此外，利用固结系数计算了土体的渗透系数，随着竖向压力增加渗透系数降低；当竖向压力小于200 kPa时，随着渗透吸力增加，渗透系数先增加后减小，但是竖向压力超过200 kPa后，渗透系数变化不大。分析发现，渗透吸力增加导致大孔隙增加，渗透系数增加，但同时密实度增加会导致渗透系数降低，低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。

在滑坡孕育与发展的过程中由于外部条件的不均匀作用，使得滑坡局部位置出现应力集中。当集中剪应力大于滑带的峰值抗剪强度时，滑带发生应变软化。多余的剪应力将发生转移并由临近滑带承担，滑坡发生渐进破坏。针对顺层缓倾浅层滑坡，考虑后缘推力作用，将推移式滑坡的渐进破坏过程分为5个阶段。基于力学平衡与变形协调关系，建立了各阶段浅层滑坡的渐进破坏力学模型。在综合分析滑坡渐进破坏过程的基础上，给出了不同渐进破坏阶段的临界荷载与划分判据。重新表征了不同应力状态下滑带的抗剪强度，给出了滑坡各渐进破坏阶段的稳定性系数计算公式，物理含义更加明确。最后将建立的力学模型应用于简单浅层滑坡，实现了后缘推力?坡体位移?剪应力分布?稳定性系数一一对应的定量关系。模型较好地体现了滑坡渐进破坏过程中滑带土抗剪强度变化的时空特性。与不平衡推力的计算结果对比分析表明，采用峰值强度在工程设计中是偏危险的，采用残余强度则是不经济的，论证了运用渐进破坏理论对滑坡进行工程设计的必要性。

研究掺砾心墙料的拉裂特性对深入研究高土石坝水力劈裂、坝顶裂缝以及坝肩横缝等问题至关重要，但目前已有的研究尚不够深入。基于自主研制的单向拉伸试验装置，对不同掺砾量下的心墙料进行了系列的单向拉伸试验，依据试验结果分析了掺砾心墙料拉裂破坏的机制。在此基础上得到以下结论：在试样各自最大干密度及最优含水率下，随着掺砾量的增加，心墙料的抗拉强度和拉应变呈线性递减关系；所有试样的拉应力?应变曲线呈分段指数关系，极限拉应力前后试验曲线可分别采用正负指数关系来描述；进行了系列三轴排水剪试验，分析各试样抗拉强度与强度指标的关系发现，对于所研究的掺砾心墙料，抗拉强度与其黏聚力呈较好的线性关系，在不具备试验条件的情况下，此关系可用来大致估算心墙料的抗拉强度。相关试验结果可为实际土心墙坝抗裂设计提供参照。

土体的微观结构是决定其工程特性的重要内在因素，但对于砂土而言，如何制备适合微观分析的样品以及快速准确量化结构参数一直面临诸多挑战。为此，提出一种真空冷冻干燥?注胶相结合的砂土样品制备技术，该技术可在有效去除土样水分的同时保持样品原状结构不被扰动，并可用于后续加工处理。针对不同粒度的砂土样品，分别使用扫描电子显微镜和光学显微镜对制备的试样进行观察，基于自主研发的土体微观结构定量分析系统SMAS对拍摄的照片进行精细量化分析，提出了由土颗粒数量、颗粒周长、表观孔隙率、形状系数、等效直径、分形维数和形态比等参数构成的量度指标体系对砂土样品微观结构特征进行定量评价。研究结果表明：提出的真空冷冻干燥?注胶相结合的砂土样品制备技术具有操作简单、稳定可靠等特点，能有效维持砂土的原状结构；比较而言，扫描电镜更适用于粉细砂的微观结构分析，而光学显微镜更适用于中粗砂的微观结构分析；SMAS能有效识别微观结构图像中的土颗粒及孔隙，为定量分析砂土或其他土体的微观结构特征提供了高效的工具。

针对吹填土地基水平排水砂垫层铺设深度优化问题，建立了初始孔压非均布下含砂垫层地基的一维固结模型，利用有限Fourier正弦变换法得出了超静孔压和地基整体平均固结度的解答并通过退化验证了解答的正确性。采用二分法分析了砂垫层的最优铺设深度随时间的演化规律，给出了砂垫层最优铺设深度与时间的关系图。研究表明：在固结初期，砂垫层宜放置在土中初始超静孔压较大的位置；在固结后期，砂垫层的最优设置深度为土体厚度的2/3（单面排水）或者1/2（双面排水）的位置。以预压地基平均固结度达到90%所需时间最短为例，当初始孔压倒三角形、正三角形与梯形分布时，单面排水条件下，应分别在0.52、0.72、0.62倍地基土深度处设置砂垫层；双面排水条件下，应分别在0.42、0.58、0.46倍地基土深度处设置砂垫层。最后通过算例分析了当地基土中砂垫层采用最优铺设深度时，与在中间位置铺设砂垫层、不设砂垫层的情况分别进行对比，当时间因子取0.09时，地基土平均固结度分别提高6%和54%。

针对黏性土中静压沉桩贯入特性方面的研究相对较少的状况，基于光纤光栅（fiber bragg grating，简称FBG）传感技术，考虑开口、闭口不同桩端形式和不同桩径，研究了静压沉桩过程中沉桩阻力、桩身轴力以及桩身单位侧摩阻力的变化规律。通过静压沉桩模型试验，分析了桩端形式、桩径、沉桩深度等因素对沉桩阻力、桩身轴力及桩身单位侧摩阻力的影响规律。研究结果表明：FBG传感技术对黏性土中静压沉桩阻力的测试性能优越，能够准确体现静压管桩的贯入特性。沉桩结束时开口和闭口试桩的桩端阻力分别约占沉桩阻力的66.7%、59.5%。沉桩过程不可忽略开口土塞效应和桩径对沉桩阻力的影响。桩身轴力的分布形式不会因桩端形式而发生改变。桩径140 mm试桩的桩身轴力传递性能优于桩径100 mm试桩，两试桩桩身轴力递减率分别为40.8%、34.2%。开口试桩内管和外管桩身单位侧摩阻力最大值分别为1.67、4.83 kPa，均小于闭口试桩。贯入深度为90 cm时桩身单位侧摩阻力最大值随着桩径增加而增大，同一深度桩径越大桩身单位侧摩阻力“侧阻退化”越明显。入土深度为30 cm时两不同桩径桩身单位侧摩阻力减幅相差0.93 kPa。确定静压贯入沉桩阻力时考虑基于黏性土的侧阻退化后实际值更为合理。

针对现有的理论方法主要关注涵顶土压力而未能考虑涵洞侧墙摩擦阻力对高填方涵洞结构受力状态的影响，提出了完整的减载条件下涵?土作用机制模型，推得涵洞侧墙摩擦力及基底压力的计算式。并将该理论方法的计算结果与数值模拟结果进行了比对，验证了该理论方法的正确性。研究结果表明，侧墙摩擦力沿墙身深度近似呈线性增加，并随填土高度的增加而增大；相同填土高度时，减载条件下的侧墙摩擦力大于非减载条件下侧墙摩擦力；采用减载措施虽然降低了涵顶垂直土压力，但是增大了涵测水平土压力，基底压力并未减小，现有的减载理论方法中不考虑侧墙摩擦力的影响是不合理的。

针对目前国内外竖井地基非线性固结计算大多均采用近似等效法求解的不足，根据软土固结理论及数学理论推导，基于塑料排水板椭圆柱假定，推导了考虑地基土水平渗透系数、压缩模量随固结过程非线性变化影响下的排水板处理地基非线性固结控制方程，并利用数学中非线性微分方程理论，给出了非线性固结解析解。通过与Indraratna等非线性固结近似解对比分析，认为理想井下预压荷载越大（Nu越大），则Indraratna等近似法成果误差越大；且在Cc/Ck = 1.8、Nu = 5时Indraratna等近似解与该理想井非线性固结精确解析解误差高达16%，而解析解与精确数值解基本一致。最后通过Indraratna等典型工程案例验证分析，认为所得理论更符合工程实际，具有较好的工程应用价值。

为提高砂土边坡的稳定性并实现生态护坡，采用生态酯类材料——纳米水性黏合剂对砂土进行改良，通过凝胶渗透色谱法和热重法分别对纳米水性黏合剂的相对分子质量及分布、热稳定性等进行了测试与分析；通过设计并开展不同纳米水性黏合剂掺入量条件下砂土的无侧限抗压强度试验和直接剪切试验，研究了砂土的强度改良效果与规律；通过崩解试验和边坡冲刷模型试验，研究了砂土的遇水稳定性和坡面抗冲刷能力的改良效果与规律，并进一步分析了砂土改良及生态护坡机制。结果表明，纳米水性黏合剂能提高砂土的强度、水稳定性及坡面抗冲刷能力。随黏合剂掺入量的增加，砂土的无侧限抗压强度和黏聚力增大，黏聚力的增加幅度可达46%～77%，而内摩擦角变化较小；砂土的崩解系数和峰值崩解速率减小，最大崩解速率出现的时间越发滞后；坡面冲刷率降低约68%～86%。边坡防护工程实际应用效果表明，纳米水性黏合剂的固土效果好，作用时间长，促进植被生长，实现了边坡的长效生态防护。

动力时程分析中，结构地震反应的计算精度很大程度上取决于瑞利阻尼系数的确定。通过对某一成层场地在不同地震动作用下的动力反应分析，比较了目前工程上常用瑞利阻尼构建方法的时域计算结果和频域等效线性化计算结果，探讨了由频域分析中的滞回阻尼比构建时域分析中瑞利阻尼系数的新方法。在此基础上，对比研究了不同瑞利阻尼构造方法对某单层双跨地下车站结构地震反应的影响。结果表明：对于场地地震反应而言，提出的瑞利阻尼系数的时域计算结果与频域解的平均误差最小；对于地下结构地震反应而言，改进完整形式瑞利阻尼系数的时域计算结果与该方法计算结果基本一致。提出的瑞利阻尼系数计算方法精度较高，操作简单，可在场地和地下结构地震反应分析中推广使用。

土体的各向异性与沉积环境和应力历史密切相关。以能够考虑土体特性的各向异性不排水抗剪强度公式为基础，利用圆弧滑动方法，并考虑破坏面上强度的折减（ ），推导各向异性软土基坑抗隆起稳定极限平衡解。对软土基坑抗隆起稳定进行研究，系统分析了开挖深度H、围护结构插入深度D、最下道支撑与坑底相对距离He/H等几何因素及土体有效内摩擦角 、各向异性强度比k及强度沿深度非均质变化的斜率 等强度参数的影响。最后结合工程实例，验证了公式的适用性，为软土基坑工程抗隆起分析提供了新的思路。

能量桩技术兼具支撑上部荷载和浅层地热能换热器双重功能；作为一种节能减排技术，近年来在国内外获得了一定的发展。然而，目前简单套用基于传统地埋管换热器获得的土体综合热导率系数，无法准确计算能量桩换热效率。依托河南理工大学某低承台3×3能量桩群桩工程应用，开展基于能量桩的土体综合热导率系数测试现场试验和数值模拟研究，分析加热时长、加热功率、流速及桩长等因素对土体综合热导率系数的影响规律，继而探讨能量桩在群桩中的布置形式对土体综合热导率系数的影响规律。研究结果表明，基于传统地源热泵测试所发展起来的土体综合热导率系数线热源分析方法，并不适用于分析基于能量桩现场实测所获得的相关数据；有必要推导一套考虑桩径影响的、适用于能量桩的土体综合热导率系数测试与计算分析方法。

广义Hoek-Brown（HB）准则广泛应用于岩体的计算和分析，然而，广义HB准则是典型的非线性强度准则，不能直接在有限元强度折减法中采用来开展岩体的稳定性分析。针对这一问题，开展瞬时线性化研究，根据已有的应力状态将HB强度包线上一点的抗剪强度转化为该点切线对应的黏聚力和内摩擦角，并提出了两种瞬时线性化强度折减方案：（1）基于弹塑性分析获得的应力场，对每个应力点专属的瞬时Mohr-Coulomb（MC）强度参数进行折减，相应的方法记为Point-IL-SSRFEM；（2）由于传统有限元法要求单元的抗剪强度参数保持不变，在每个单元上各个应力点获得瞬时MC强度参数后，对这些参数进行单元均一化处理并进行折减，相应的方法记为Element-IL-SSRFEM。基于岩质边坡算例，对比和评述了三参数等比折减技术和瞬时线性化强度折减技术。数值分析结果表明：与Element-IL-SSRFEM相比，Point-IL-SSRFEM对网格划分的要求较低，计算精度和计算效率相对较高；与三参数等比折减相比，Point-IL-SSRFEM的计算精度高、计算性能稳定。因此，推荐使用 Point-IL-SSRFEM 来分析岩质边坡的稳定性。

在层剪切波速随层深度递增的规则层状弹性介质中，基阶模态瑞利波在表面波场起主导作用，基阶模态频散曲线计算在表面波测试分析中非常重要。层状弹性介质中各阶模态瑞利波频散曲线计算常采用矩阵方法，由矩阵行列式根得到频散曲线，但行列式需用搜索方法求解。为了避免复杂计算，基于Aki和Richards 给出的基阶模态频散曲线计算式，假设瑞利波相速度是层剪切波或瑞利波速与基阶瑞利波位移振型函数积分加权均方根。通过对规则层状介质中基阶瑞利波位移振型及土参数与第1层相同的均匀半无限体瑞利波位移振型比较，可知两者变化规律具有相关性，以层剪切波速度差异为参数对半无限体中瑞利波位移振型修正可估算分层介质中基阶瑞利波振型。分析结果表明，相较于矩阵方法，该方法算法简单，相较于半波法，精度较高。

基于边坡系统能量的原理，借助FLAC3D有限差分法内嵌FISH语言进行了三维露天矿边坡模型在开挖过程中能量计算的二次开发。将能量与突变理论相结合，以边坡系统的总耗散能作为状态变量，构建了边坡系统的能量耗散突变判别准则。以大孤山露天矿西北帮边坡为例，通过能量耗散突变分析、塑性区演化分析、安全系数变化分析及关键点位移分析可知，以上分析得到的边坡稳定性演化规律具有一致性，验证了提出的突变判别准则的适用性，研究结果表明：能量突变特征值 是露天矿边坡在第ki步开挖后发生失稳的充要力学条件；当进行至第6～8步开挖时，边坡局部岩体系统发生了失稳，且第7、8、9三个台阶受开挖扰动的影响较为严重，与现场的实际开挖情况相符，为预防露天矿边坡在开挖扰动过程中的局部围岩系统失稳提供了一定的理论支持。

地基极限承载力分析是土力学研究中的一个经典课题。基于Hellinger-Reissner混合变分原理和有限元方法，将岩土体弹塑性问题构造成基于有限元框架的二阶锥规划（second-order cone programming，SOCP）问题，进而提出一种基于二阶锥规划理论的增量有限元法，即FEM-SOCP法。将岩土体弹塑性问题构造成二阶锥规划的数学优化问题，可以避免采用传统弹塑性计算中复杂的应力点积分等算法和屈服面棱角的平滑处理。此外，对于二阶锥规划问题，可以采用具有原始?对偶内点求解法的标准数学规划求解器MOSEK进行求解。将增量加载FEM-SOCP法应用于经典的基底粗糙的条形浅基础地基极限承载力分析中，分别考虑了关联和非关联塑性条件下的Mohr-Coulomb屈服准则。数值结果表明：所提出的增量加载FEM-SOCP法获得的地基承载力系数及地基承载力与传统FEM计算结果基本一致，而与常规有限元计算结果相比，基于增量加载的FEM-SOCP法所获得的屈服区更加平滑。

滑坡?碎屑流的远程运动距离是碎屑流体所能够达到的最大堆积距离，是灾害预警和评估的重要指标。通过总结已有碎屑流运动距离研究成果，从岩体势能入手开展研究，并结合量纲分析，首先建立了运动距离与势能之间的基本方程。其后，采用4种颗粒材料开展岩质碎屑流滑槽试验，研究碎屑体体积V、滑移区坡度?、碎屑粒径d以及最大垂直运动距离H等对碎屑流运动距离L的影响，通过逐步拟合回归，建立了基于势能的岩质滑坡?碎屑流最大水平运动距离的计算公式。最后，采用汶川地震触发的38个岩质碎屑流以及17个其他典型岩质滑坡碎屑流数据对计算公式进行了验证，结果表明，考虑该运动距离计算公式具有较好的可靠性，能够为山区滑坡?碎屑流灾害预警工作提供理论指导。

管道被广泛应用于油气产业，其中管?土相互作用机制是管道可控屈曲设计的关键。采用新开发的连续极限分析（SLA）方法对深海管道与软土水平大变形相互作用进行了研究。该方法基于极限分析对变形体进行一系列求解与更新模型，能够考虑模型的极端几何变形和材料的应变软化与率效应。该研究对固定管道竖向位移条件下水平加载这一工况进行了探讨，分析了不同初始埋深的管道在位移过程中所受竖向及水平向反力（V、H）的发展。通过与多组离心机试验数据对比，验证了SLA对管?土水平大变形相互作用研究的有效性和高计算效率。主要成果有：提取了管道在不同位置的V-H屈服包络面以考虑加载路径变化对管道受力行为的影响，发现了管道的等效摩擦系数H/V随水平位移的线性增加规律。该研究以期为深海管道的可控屈曲设计提供参考，并推广SLA法在大变形土结相互作用问题中的应用。

Abaqus?是最常用的商业有限元软件之一，但后处理模块Abaqus/CAE的可视化功能较弱，处理海量数据时卡顿十分明显、功能受限且不稳定。为此给出一个解决方案：编写Python程序——ODB2VTK+将Abaqus输出的ODB文件转换为VTK格式，然后利用ParaView进行可视化。ODB2VTK+提供基于空间的剖分算法，将海量数据重新组织成适于并行可视化的形式，实现效果好、数据冗余小；通过并行程序设计提升了处理效率；提供配置文件以方便转换参数设置。利用CT成像重构的三维岩芯精细模型力学模拟输出结果进行测试，ODB2VTK+实现了正确的转换；借助ParaView并行可视化的能力以及体渲染、张量符号等功能，实现高效的可视化后处理；通过VR头盔进行沉浸式的交互，实现自由进出模型内部孔隙观察分析的效果。提出的方案弥补了Abaqus/CAE可视化后处理存在的明显不足，为有限元后处理分析提供了有力帮助，并显示了虚拟现实在后处理中良好的应用前景。此外，ODB2VTK+具有良好的可扩展性，经过简单改写可以适用于更多应用情况，为方便同行使用，将其共享于GitHub（https://github.com/ Liu-Qingbin/ODB2VTKplus）上。

隧道穿越复杂松散堆积体地层时，如何确保隧道施工过程的安全是工程人员普遍关心的课题。依托云南省罗打拉隧道，基于Monte Carlo随机原理，结合数字图像处理技术，建立了考虑接触面单元及抗拉强度的堆积体地层隧道开挖细观结构模型，并探讨了隧道开挖引起的堆积体围岩变形、破坏过程以及失稳机制，并在现场进行应用验证。研究结果表明，构建的堆积体地层隧道开挖细观结构模型可有效反映隧道开挖过程中围岩的破坏过程，围岩位移等值线呈波动性与非对称性分布；围岩破坏以剪切破坏为主，局部存在拉裂?剪切复合破坏，且破坏区由边缘块石尖端向深层逐步扩展，形成包裹块石的剪切楔形区及拉剪松动圈，在施工扰动下易发生局部失稳。针对堆积体地层破坏特征，提出了围岩注浆加固措施，地层加固后土石颗粒间胶结良好，开挖轮廓周边形成有效的注浆加固圈，开挖支护过程围岩变形可控，支护结构稳定，效果良好，可为后续类似松散堆积体地层隧道的设计、施工提供新思路。

斜坡岩土体抗剪强度参数的空间变异性具有一定的结构性。为研究岩土体参数空间变异结构对边坡失效概率的影响，依据变异函数的内涵推导出变程与相关距离的数学变换关系，并在此基础上提出了结构化交叉约束随机场模拟方法，用以模拟具有互相关性的参数随机场。建立了结构化交叉约束随机场计算模型，研究不同空间变异结构的抗剪强度参数对边坡失效概率的影响。研究结果表明：结构化交叉约束随机场可用于生成模拟具有复杂各向异性空间变异结构的参数随机场，由于考虑了随机偏差、条件数据和空间变异结构，能较为真实地反映地层实际参数，数据波动较条件参数插值场小。可靠性分析结果表明：不考虑抗剪强度参数空间结构分析易高估边坡的失效概率；考虑c′和φ′互相关性时，失效概率随着相关系数的增加而增加，当参数间呈负相关性时更容易高估边坡的失效概率。

随着隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）开挖隧道埋深逐渐加大，穿越的地层结构更加复杂，如何降低卡机风险成为亟待解决的问题。提出了一种基于牛顿迭代和有限元理论的TBM护盾?围岩相互作用荷载反演方法。该反演方法以护盾内表面测点应变测量值与计算值的误差作为目标函数，并引入Moore-Penrose广义逆对反演方程进行求解。采用了护盾外表面有限分区的策略，定义各分区节点荷载值为反演参数，可以方便地控制反演参数的数量。各分区内部荷载通过节点值插值得到，实现了护盾表面任意分布荷载的离散拟合。算例结果表明：该反演方法计算效率高，对观测值误差具有很好的免疫效果；能够有效地获取护盾外表面的荷载分布规律和摩阻力的大小，在一定程度上能够为现场安全掘进、卡机预警以及事故处理提供指导。同时，该反演算法也可以扩展到低维情况，对其他结构受力或者物理参数的反演具有一定的借鉴意义。

为探讨温度对桩?土接触面力学性质的影响，自主研制了一套温控桩?土接触面三轴试验仪。基于常规土工三轴仪压力腔，搭建桩?土接触面构件，分别增设桩体和土体温度控制系统，实现非等温条件下桩?土接触面热力耦合特性测试。开展了不同类型、温度荷载等级下桩?砂土接触面热?力耦合特性三轴试验，实测了桩体与土体温度控制精度、桩?土接触面剪切应力、不排水条件下的孔隙水压力以及排水条件下的体积变化等规律，初步验证了试验系统的可靠性和准确性。该试验系统结构简单、拆装方便，可实现温控桩?土接触面三轴试验与常规/温控三轴试验的自由切换。相关研究成果将为桩?土接触面热?力耦合机制与本构模型的建立提供技术支撑。