为探究含瓦斯煤的强度劣化机制，利用自主研制的含瓦斯煤气?固耦合试验系统进行不同初始瓦斯压力下煤体单轴压缩试验，借助SEM、高压压汞、低温液氮吸附法及微焦点CT扫描系统表征含瓦斯煤的孔、裂隙等结构，分别阐述不同瓦斯赋存状态对孔、裂隙的力学和非力学效应，揭示了含瓦斯煤孔、裂隙破坏与宏观强度损失的内在联系。结果表明：煤体平均单轴抗压强度的劣化程度随初始瓦斯压力的升高而升高；多手段联合表征煤体孔隙结构及孔径分布，发现含瓦斯煤裂隙结构发育不明显，孤立孔隙占比较大，两者连通性差，不利于瓦斯渗流；联合表征煤体孔隙结构及孔径分布的方法，可校正微孔及过渡孔或因样品尺寸导致大孔存在“屏蔽效应”和高压阶段煤基质“压缩效应”或孔裂隙破坏带来的误差；吸附态瓦斯分别通过非力学作用和膨胀应力的力学作用，以及游离态瓦斯对煤体的气楔效应致使微元体破裂与失效；构建了基于微细观角度的含瓦斯煤力学性质劣化与宏观强度损失的数学模型，由模型可得，瓦斯作用导致摩尔应力圆圆心向左偏移，摩尔-库仑强度包络线向右偏移，内聚力变小，最终导致煤体宏观强度的损失。

高强预应力混凝土（PHC）短桩基础是一种新型太阳能电站发电元件的支撑结构，通过将PHC管桩伸入2～3 m深的钻孔后灌注混凝土形成。为掌握PHC短桩基础的工作性状，开展了砂土场地基础的侧向荷载、侧向?扭转耦合荷载、循环荷载现场试验。根据柱顶倾角、泥面位移、扭转角和基础内的测试结果分析和对比了PHC短桩基础的受力变形规律以及扭转荷载的影响。进一步基于三维数值模拟，分析了桩帽对基础内力和变形的影响规律。结果表明：PHC短桩基础的变形总体上呈现分阶段特性；扭转荷载使土体加快进入塑性状态，降低了阶段立柱的抗裂性能；桩帽可以有效地减小泥面位移，但对立柱的变形影响不明显；正常使用极限荷载下，循环荷载后的残余变形约为单次荷载下变形的2倍；最后基于现场试验、数值模拟，提出了桩端小变形下m值（土体的水平抗力系数）和Ag值（土体剪切模量比例系数）的获取方法以及残余变形的经验获取方法。

为探明不同类型地震波作用下桩基础的时程响应规律，通过振动台试验，选取强度均为0.35g的人工合成的5010波、5002波，以及Kobe波和El-Centro波，研究嵌岩单桩基础的桩身加速度、桩顶相对位移、桩身弯矩时程响应及桩基损伤。试验结果表明：嵌岩单桩基础动力响应特征与输入地震波频谱特性有关；桩顶加速度响应显著滞后于桩底，且在El-Centro波作用时桩身加速度峰值最大；桩顶相对位移在输入Kobe波时最大，在输入El-Centro波时峰值最早出现；桩身弯矩最大值均未超过桩基抗弯承载能力，且桩基础未发生损伤破坏；桩基础抗震设计时，可根据相应验算内容合理选择地震波类型进行抗震设计验算，并提出相应工程建议。

水力压裂过程中压裂液在裂缝面的高压渗滤，会引起裂缝两侧孔隙压力场变化，导致岩石力学本构特征发生改变，并进一步影响水力裂缝的动态扩展。采用基于细观断裂的宏观损伤理论，借助直线型滑移裂纹模型，推导了可考虑孔隙内饱和流体压力作用的细观裂纹尖端应力强度因子模型；进而建立了饱和岩石应力?应变本构模型，并与室内饱和岩石压缩试验结果进行了对比分析；并利用该本构模型，评价了孔隙压力水平对饱和岩石力学性质和损伤增渗程度的影响规律。结果表明，所建本构模型可较好地表征孔隙压力变化对岩石力学性质的影响规律；岩石基质细观裂纹内的流体压力变化对岩石弹性模量和泊松比影响较小，但会大幅减小岩石开始发生塑性损伤的应力极限，弱化岩石抗压强度，减小裂缝两侧岩石受挤压而发生塑性形变的能量损耗，提高水力压裂能量利用率。压裂过程中裂缝周围的孔隙压力高于一定门限值后，会促进细观裂纹产生非稳态快速扩展，从而促进更多裂纹发生贯通串联，形成复杂裂缝网络，且可提高水力裂缝周围岩石的渗透率。所建立饱和岩石本构模型可为水力压裂引发岩石基质损伤增透的数学模拟提供一定理论支撑。

为确定EPS（发泡聚苯乙烯，expandable polystyrene）颗粒混合轻量土在挡土墙后的静止土压力特性，通过对素土和轻量土开展室外挡土墙模型试验，探究加卸载条件下土体在挡土墙后静止土压力、静止土压力系数、竖向沉降量的分布规律，揭示轻量土填料在挡土墙工程中的减压机制和沉降变形机制。结果表明：在加卸载之前，素土和轻量土的竖向土压力、侧向土压力随着填土深度的增加近似呈线性增加趋势，其理论值和实测值间的相对误差不大于26.35%。荷载对素土竖向土压力和侧向土压力的影响随着填土深度的增加而逐渐减小。轻量土养护成型后具有自立性，荷载对其影响深度有限，试验中轻量土的荷载影响区深度大致为H/2（H为墙高）。当填土深度小于H/2时，随着荷载的逐级增减，轻量土竖向土压力、侧向土压力增加和减小较为明显；当填土深度大于H/2时，竖向土压力、侧向土压力随着荷载的逐级增减逐渐出现收敛，变化幅度较小。素土与轻量土静止土压力系数在挡土墙后呈非线性分布，分别处于0.27～0.74和0.33～0.44范围内。由Jaky公式计算的轻量土静止土压力系数理论值基本大于试验实测值，但差值较小。素土的竖向沉降变形随填土深度的增加而逐渐减小，总体介于0～21.5 mm。而养护成型的轻量土在荷载的作用下，竖向沉降量变化不明显，总体介于0～2.8 mm。相比素土而言，由于EPS颗粒的缓冲作用以及水泥的固化作用，使养护成型的轻量土具有良好的缓冲性和自立性，可对竖向应力进行更有效的吸收和分散。轻量土可大大减小静止土压力、静止土压力系数和竖向沉降量，满足挡土墙工程中对填料减重增强的要求。

压实黄土的干密度和初始含水率对水分入渗过程有显著的影响。以兰州黄土为研究对象，在室内填筑模型开展浸水入渗试验，测试入渗过程中不同深度处的土体体积含水率和孔隙气压力，分析水分入渗时湿润锋和孔隙气压力的变化规律。试验结果表明：土体压实度增大时，入渗率减小，湿润锋面到达测点时间延长，压实度从0.83增大到0.93，不同深度入渗率降幅最高可达21.7%。初始含水率增加时，孔隙水连通性增强，入渗率增大。与初始含水率相比，干密度对水分入渗的影响更为显著；水分入渗过程中孔隙气压力变化呈现连续状态，可以划分为快速变化和缓慢变化两个阶段，浸水过程中最大峰值气压和稳定气压与土体初始含水率和干密度呈正相关关系；入渗率随入渗深度增加而大幅降低，且干密度越大或体积含水率越低，入渗率越小；考虑干密度和初始含水率对孔隙气压力的影响，对Green-Ampt模型进行修正，将入渗深度实测值与计算值进行对比分析，发现修正模型计算值与试验实测值吻合更好。

植物护坡效果与根系在土壤中的空间造型和分布（根系构型）密切相关。采用水肥组合方法调控植物根系构型，通过一系列的室内外试验和理论分析，研究调控后的植物根系构型对边坡土体强度的影响。根据公路边坡工程的实际情况，制作了一路堤试验边坡，选用香根草植物作为生态边坡防护物种，采用9组不同的水肥组合调控植物根系在边坡土体内的生长构型。10个月后，通过十字架分层开挖，统计边坡植物根系发现，香根草根系含量随土层深度先增加后减少，与土层深度之间符合Gauss曲线关系。在施以水肥组合调控区域，香根草根系增生了大量的2级根和3级根，使得土体根系含量和根系表面积密度得到提高，且上坡向的根系占比超过下坡向，达到60%～66%。取不同区域原状土进行剪切试验发现，土体根系含量和根系表面积密度是影响土体抗剪强度的重要因素。通过回归分析发现，土体黏聚力与根系表面积密度之间符合线性关系。基于Wu氏模型，计算了植物根系对土体抗剪强度的增强作用，结果表明：自然生长条件下，单株香根草根系对边坡土体抗剪强度的增量ΔS大致为5.28～8.62 kPa；调控后，边坡土体增生的大部分2级和3级香根草根系与竖直方向的夹角大于坡角，使得单株香根草边坡土体的抗剪强度提高了17.59～33.97 kPa。上述研究结果表明，可利用水肥组合调控植物根系在边坡土体内的生长构型，进一步加固边坡土体，为提高植物边坡土体强度和预防边坡水土流失提供理论和实践依据。

古建筑夯土基座的长期渗漏对其上部结构安全性态和基座外观影响较大，探索基座顶部抗渗措施意义重大。为此，建立了与基座原型尺寸相比为1:18的缩尺模型，开展降雨入渗试验，研究基座顶部素土压实法和不同改性土换填法对基座的抗渗效果。结果表明：（1）当采用素土压实法时，适当增加基座夯土的干密度可降低降雨入渗影响，夯土整体干密度提高10%，降雨入渗影响深度可降低40%以上，增湿程度可降低50%左右，但整体挤密施工会对上部结构及基座外侧砌体结构产生过量侧向变形甚至开裂；（2）当采用5种改性土对局部进行换填时，三合土抗渗效果较好，糯米粉+稻草改性土次之，最终建议采取局部换填改性土和其他构造措施来改善古建筑夯土基座的抗渗性。

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。

深部承压水上开采基本顶初次垮断作为一种剧烈的矿压显现，往往造成底板大范围失稳破坏而诱发突水事故。为研究深部开采底板与基本顶初次垮断的联动破坏效应，应用相似材料试验分析了深部开采顶底板的初次断裂破坏特征，建立了基本顶岩梁初次垮断前后的顶板结构模型及底板力学模型，从应力增量角度研究了深部开采底板压剪、卸荷破坏与基本顶岩梁初次垮断的联动效应，应用离散元软件模拟了不同采深下基本顶初次垮断前后底板应力及变形的联动变化效应，并提出了预裂基本顶消除跨中触矸效应、提高支架工作阻力降低顶板垮断动载荷、降低底板应力卸荷起点与卸荷幅度等弱化顶底板联动效应的深部开采围岩控制技术。结果表明：深部开采基本顶初次垮断后，跨中触矸的采空区中部底板存在一压应力增高区域，其位移由垮断前向上鼓起转变为向下压缩；底板压力拱后拱脚位置由切眼煤壁端变换为触矸区域，底板压力拱由极限跨距的单一拱结构变换为两宽度约为极限跨距一半的双拱结构；采深越大，触矸区域底板水平应力增量越高，且垂直应力增量的影响深度高于水平应力；随最大应力变化量增大，底板最大变形量近似非线性指数增长，且垂直方向非线性增加最甚。

脉动注浆作为解决松散土体注浆的新工艺，尽管已经得到一定应用，但脉动荷载作用下浆?土耦合的动力响应研究，远滞后于工程实践。基于脉动注浆原理，设计了一套脉动注浆监测响应系统，设定不同脉动周期压力和土体孔隙比，研究不同脉动周期荷载作用砂质土体的响应规律；依托COMSOL Multiphysics平台结合MATLAB，二次开发了适用于模拟脉动注浆浆?土耦合应力?应变的程序；通过物理试验对比现有注浆地层响应理论，验证了数值模拟适用性。研究结果表明：当脉动压力增大，土体的孔隙比不变时，骨架力承担脉动应力传递速率增快；脉动频率越大，土体内部应力越大；脉动压力会破坏恒载作用下土体形成的强弱力链，导致应力传递均布；土体的孔隙比越大，土体越松散，脉动频率越大对于浆液在土体内部运移越有利。脉动注浆相比于稳压注浆会导致应力区域集中，应力区域集中造成的浆液渗透与挤密注浆，有利于降低注浆过程地层抬升位移；相比稳压注浆的浆液易沿小主应力或者地层缺陷处浆液持续劈裂，脉动注浆浆液扩散更可控。数值模拟方法为不同脉动施工参数、地层条件以及注浆材料下，浆液扩散规律研究提供了新思路，研究结论可为工程实践提供较强的指导意义。

越来越多输电线路穿过风积沙覆盖的沙漠地区，金属装配式基础具有良好的适用性，但目前现场试验研究甚少。在毛乌素沙地南缘的陕西榆林地区，开展多组风积沙地基金属装配式基础的真型上拔试验，测试与分析基础的上拔承载力、上拔与地表位移、支架与底板应力、上部土压力等参数变化。研究结果表明：金属装配式基础的上拔荷载?位移曲线形态与扩展基础类似，可分为近似直线段、塑性过渡段和直线失稳段；上拔累计竖向位移达到21～23 mm时，基础进入极限状态；加载过程中基础顶部周围地表若出现细小裂缝，并沿对角线方向扩展，则基础在下一级荷载下进入极限状态；通过分析基础上部土压力的变化特征，可发现基础上拔破裂面上的破裂点，据此推算出实际上拔角；现有规范中土重法计算的上拔承载力，相较极限上拔承载力试验值偏大，建议相关地区基础设计时上拔角取为19.0o～19.5o。

利用自主设计的拉伸?剪切辅助装置，开展不同法向应力（?0.28～3.0 MPa）条件下的拉剪试验和压剪试验，同时利用声发射技术对比分析两者的力学特性与损伤破坏机制。研究结果表明，拉伸?剪切辅助装置能够较好地开展拉剪试验。试样的峰值应力随法向应力呈曲线变化，对法向拉应力更为敏感，Hoek-Brown强度准则总体上能够较好地表征全应力区的强度特征。拉剪试样峰后应力大幅跌落并迅速分离成两部分，与压剪试验峰后残余阶段相比，具有更多的脆性破坏特征。试样破裂面的形貌特征与法向应力的方向以及大小密切相关，压剪试样破裂面的破碎程度以及声发射参数表征的损伤程度均大于拉剪试验。相比于拉剪试样，压剪试样的破裂面摩擦区、局部剥落现象更明显。随法向应力增大，声发射平静期持续时间变长，试样进入裂纹非稳定扩展阶段的时间越晚。拉剪试验损伤过程各阶段所需时间相较于压剪试验更短，损伤破坏的速率更快。剪应力曲线临界点?cc、?ci和?cd与声发射参数可分别表征试样的宏观与微观破裂过程，?cd临界点和声发射b值可作为岩石破坏的预兆。

作为无网格法的一种，物质点法（MPM）在计算中结合了有网格法和无网格法的优势，避免了有网格法在求解大变形问题时出现的网格畸变现象，近年来逐渐应用于大变形岩土工程问题和多相流问题中。基于标准物质点法的原理与算法，研究了多相物质点法的两种形式：适用于饱和土的两相单点格式；适用于非饱和土，考虑基质吸力的两相单点格式。为了验证多相物质点法模拟水力耦合多相流问题的准确性和适用性，模拟了Terzaghi一维固结问题、一维压缩波的传播问题和一维渗流问题3个土力学多相算例，并将所得到的数值解与理论解进行了对比分析。模拟结果表明，计算所得到的数值解与理论解基本保持一致，多相物质点法能够准确地描述饱和孔隙介质的水力特性和非饱和孔隙介质的渗流特性。最后，采用多相物质点法模拟了非饱和边坡降雨入渗问题，分析了边坡在降雨入渗作用下基质吸力的变化和大变形破坏全过程。

帘式网是以引导、消能为主要作用机制的滚石柔性防护结构。传统帘式网因受制于维护难、成本高等问题，阻碍了其在滚石防治领域的推广应用。为此，基于下开口设计理念并优化传统帘式网拖尾长度提出了一种改进型开口帘式网。通过开展滚石冲击现场原位试验，研究不同拖尾长度对改进型开口帘式网耗能机制的影响。试验结果表明：改进型开口帘式网解决了滚石停滞网内清理不便的问题，其自身的裹挟、摩擦作用有效发挥了结构的柔性耗能特性，从而降低了滚石冲击能量；当拖尾长度由3 m增加到7 m时，滚石动能衰减率提高约20%，但其增幅呈下降趋势。为进一步提升改进型开口帘式网的耗能效果，通过数值模拟研究了滚石不同冲击位置和冲击角度对帘式网耗能效果的影响。模拟结果表明：滚石冲击帘式网中部时动能衰减率高于边侧位置，最高可提升20%；当滚石冲击方向与帘式网的夹角近似为45o时，滚石动能衰减率最高可达74.1%。因此，在实际工程中可通过合理设置帘式网拖尾长度、布设位置与倾斜角度使其耗能效果达到最大化。

深埋洞室高地应力爆破开挖产生的围岩振动包含爆炸地震波和爆破开挖面上地应力快速释放诱发的地震波，二者在时域上没有明显的分界点，这给单独研究爆炸地震波和诱发地震波的振动特性及其围岩动力响应带来了很大的不便。首次采用变分模态分解(variational mode decomposition，VMD)方法对典型深埋洞室爆破开挖产生的爆炸地震波和诱发地震波进行了分离，并对其可靠性进行了验证，在此基础上基于实测数据分析研究了爆炸地震波和诱发地震波的频率特性及其质点峰值振动速度（PPV）衰减规律。研究结果表明，VMD方法因能自适应地确定所给信号的模态分解个数并匹配每种模态分量的最佳中心频率和有限带宽，可以有效实现深埋洞室爆破开挖爆炸地震波和诱发地震波的分离；诱发地震波的中心频率明显低于爆炸地震波的中心频率，诱发地震波的存在使得围岩振动低频成分显著增加；相比于爆炸地震波，诱发地震波随距离衰减较慢，是中远区围岩振动的主要成分。

白鹤滩水电站是我国能源布局西电东送的骨干能源点。在水电站建设初期使用常规方法获得了一些地应力场数据，但随着地下厂房硐室开挖，出现了显著的高应力作用导致的脆性破坏。因此，开展开挖过程中的地下厂房围岩地应力场的研究对未来地下厂房的长期稳定性具有重要意义。利用高精度超声波井下电视成像系统对钻孔井壁进行扫描获取录井图像，使用WellCAD软件提取钻孔崩落宽度WBO，将基于Mohr-Coulomb摩擦准则以及Anderson断层理论形成的应力多边形法与基于修正Wiebols-Cook岩石强度准则的钻孔崩落法相结合，对应力量值进行限定估算，从而计算出工程区岩体应力场特征。研究结果显示工程区水平最大主应力方向为N30.15°E，水平最小主应力Sh、垂直主应力SV、水平最大主应力SH量值分别为11.62±0.34 MPa、14.45±0.33 MPa、25.88±5.61 MPa，测试段应力量值大小关系为Sh

管片背后存在空洞是盾构隧道一种常见的病害现象，它不仅影响土层和管片的静力学行为，还会影响隧道的动力响应，加剧隧道地震破坏。现有的相关研究均采用确定性分析方法，缺少从概率角度的定量评价。以某轨道交通区间盾构隧道为例，考虑空洞位置和尺寸、场地条件以及地震波入射方向等因素，采用动力增量法，开展了基于土层?隧道?空洞相互作用的大量非线性动力时程分析。结合隧道地震易损性理论，研究存在空洞病害的盾构隧道地震易损性。结果表明：空洞尺寸、场地条件和地震动入射方向对隧道地震易损性有重要影响。随着空洞尺寸的增加，空洞及临近区域土体塑性变形成倍增大，管片截面偏心程度增加，承载性能减弱，受影响范围为空洞尺寸的3～5倍。管片背后空洞增大了隧道结构的易损性，空洞越大，易损性增幅越明显。空洞对结构易损性的影响因空洞部位不同而异，在较大尺寸空洞时，影响程度由大到小依次为：边墙、拱肩和拱顶空洞。场地条件越差，会增大隧道的易损性，空洞对易损性的影响也越大。横向和垂向地震动入射方向下，隧道易损性均随空洞尺寸的增加呈非线性增大，虽然垂向地震动下的损伤概率小于横向地震动，但增幅明显更大，受空洞尺寸的影响更为敏感。值得注意的是，针对3种空洞部位和两种地震动入射方向，较大的空洞尺寸都将显著影响结构的抗震性能。

空间变异性是土体的固有不确定性。采用随机场理论表示土体的空间变异性，通过Karhunen–Loève（KL）展开法进行随机场的离散。使用基于离散机构的边坡上限分析，在生成速度间断面时考虑空间各点的内摩擦角随机场离散结果，并联合使用强度折减法、二分法及序列二次规划法求解边坡的安全系数，采用一阶可靠度方法（FORM）和子集模拟（SS）进行边坡的可靠度分析。针对SS与强度折减法的特点，提出二者耦合的优化算法以提高计算效率。通过对某土质边坡的计算分析，阐明了基于KL展开法的FORM及SS在求解边坡可靠指标及失效后果的异同点，分析了土体强度参数变异系数对边坡可靠指标与失效后果的影响规律，为进行边坡的风险分析与防治提供了理论依据。

深部近距离超大断面硐室相互影响导致围岩应力集中且破裂范围大，特别是在动载扰动下易发生破坏失稳现象。首先以龙固煤矿井下煤矸分离系统超大断面硐室群为研究背景，通过数值模拟软件FLAC3D建立计算模型，利用内置动力模块研究了不同硐室间距和动载强度条件下深部超大断面硐室群围岩变形破坏规律。模拟结果表明：随着硐室间距减小，围岩变形程度逐渐增大并最终发生整体破坏，动载扰动下硐室群临界间距范围较静载时增大了约33.3%～50%；随着动载强度增加，锚固围岩响应逐渐增强，发生破坏失稳的临界动载强度约为4.0～4.5 MPa。基于弹塑性力学和弹性波理论，构建了动静组合载荷下锚固围岩力学模型，获得了深部动载下硐室群锚固围岩破坏失稳判据，并将锚固围岩划分为3个状态：整体稳定、静态破坏和动态失稳，在此基础上获得了硐室群破坏失稳临界间距的解析表达式。现场算例计算及现场监测验证了理论分析的合理性及可行性。该研究可为深部动载影响超大断面硐室群布置设计及围岩稳定性控制提供理论依据。

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。

在多层地基区域地下水流动的数值模拟中，假设地下水在强透水层内为水平流动、在弱透水层内为垂向流动的传统准三维方法计算效率高，但多适用于强弱透水层隔层分布的多层情况，不利于推广。对准三维计算理论进行扩展以适用于一般的多层情况，推导了各层土层内以平均水头为控制变量、且考虑上下界面入渗的平面二维流动控制方程，利用界面处的流速连续条件耦合各层控制方程，并在各土层内对平均水头与上下界面水头进行二次插值获取水头分布的垂向变化。基于扩展的计算理论建立相应的准三维有限元模型，各土层内划分相同的水平面二维网格，并在各节点处建立流量平衡关系。经算例验证，扩展后的准三维方法打破了传统方法的局限，允许各土层的水平和垂向流动同时得到合理的模拟，具有更高的精度和通用性，并且保持了计算效率的优势。由于方便求解自由面问题和处理地下结构奇异问题，且可以获取较高精度的三维水头分布结果，该方法在分析多层地基区域地下水流动问题中可以成为一个高效和有竞争力的方案。

围岩脆性破坏是一种常见的破坏形式。不同数值方法模拟的结果往往不同。因此，有必要研究不同方法对于模拟围岩脆性破坏特征的适用性。首先，在连续方法中，推导了改进应力跌落模型中残余应力的计算公式，解除了传统应力跌落模型中强度参数变化量的关联性，并通过模拟单轴压缩试验进行了验证。然后，采用连续方法（方法1）及连续?非连续方法（方法2）模拟了静水压力条件下圆形隧道围岩脆性破坏特征。最后，以太平驿隧道为工程背景，采用两种方法模拟了非静水压力条件下围岩的脆性破坏特征。研究发现，在静水压力条件下，采用两种方法均可获得与现场观测或室内试验类似的结果，但采用方法1获得的破坏区范围更大。在非静水压力条件下，虽然方法1的结果与太平驿隧道围岩脆性破坏的现场观测结果有相似之处，但方法2的结果与现场观测结果更为接近。上述结果可能是由于在方法1中，围岩破坏后仍为连续介质，有利于岩块之间的应力传递，从而利于破坏区的发展；在方法2中，围岩开裂后转变为非连续介质，接触力和摩擦力反映了岩块之间的相互作用，消耗了系统能量，从而限制了开裂区的发展。

非饱和砂土基质吸力引起的表观黏聚力使其力学性质与干砂差异较大，为研究非饱和砂土隧道土拱效应，进行了不同含水率及埋深条件的Trapdoor试验，通过分析挡板下落过程中砂土破坏模式及土压力变化规律，揭示了不同工况土拱演化的时变特征，阐述了含水率及埋深对土拱效应的影响，同时基于大主应力迹线圆弧拱理论对挡板上方土压力分布模式进行了理论分析，并考虑粒间吸力作用基于PFC线性滚动阻力黏结模型，进行了离散元数值模拟，从细观角度对不同工况土拱效应进行了分析。结果表明：干砂工况破坏模式由三角形迅速发展为梯形，非饱和工况破坏模式为三角形且夹角与含水率相关；土压力呈三阶段变化，干砂时土压力降到极值后出现回升；非饱和工况土压力极值较干砂大幅减少，含水率较大时土压力受埋深影响较小，且松动区边缘出现裂缝，局部坍塌后形成自然拱；数值模拟表明，随挡板下落，主应力方向发生明显偏转，接触力链为由松动区向稳定区呈由弱到强结构，对模型试验及数值模拟土压力进行归一化处理，土压力分布与理论分析一致。干砂工况孔隙率与土压力规律一致，在含水工况出现裂缝处孔隙率快速增大，同时接触组构随含水率变化明显。

远场地震作用下的复杂场地（复杂场地?城市建筑群耦合）地震响应时域分析需在计算截断边界给定自由平面波场输入。为规避边界节点时程存储带来的内存浪费和频繁读写导致并行计算效率低下等问题，有必要构建与地震响应时域分析相匹配的自由平面波场时域模拟方案。面向基于勒让德谱元的复杂场地时域分析方法，以出平面波动为例，构建斜入射自由平面波场时域模拟方案。首先，给出平面波输入下自由波场计算问题的构建，基于勒让德谱元和显式积分格式建立了时空解耦离散方案，并利用解析算例验证了离散方案的精度与稳定性。其次，将该方案应用于四川、加州层状地下介质构造，对比了两个区域内地震波地壳放大效应的差异。结果表明：二者放大效应在中低频段存在系统性差异，在高频段趋于一致，定性解释了基于全球第二代地震动衰减关系预测汶川地震主震记录中长周期反应谱存在显著偏差的原因。最后，以地震动地形效应分析为例，阐述该方案与勒让德谱元、透射边界条件结合在近场外源波动问题模拟中的应用。

目前，黏弹性方法被广泛应用于面板堆石坝动力分析，基本形成了黏弹性模型计算坝体动力响应、永久变形模型计算坝体残余变形的模式，并分别从坝体动力响应和永久变形两个方面评价坝体地震安全性。现行方法用于面板堆石坝动力分析时存在一个明显的缺陷，即没有考虑地震过程中永久变形发展对混凝土面板动应力的影响，对于强震下产生明显永久变形的高面板坝可能导致严重的误差，所以，黏弹性方法用于面板坝动力计算时应进行必要的改进。建议采用“先分后合”的计算策略，首先按照现行方法分离计算坝体动位移和永久变形位移，然后将两者叠加作为地震过程中结构的实际位移，并基于此实际位移计算结构的应变、应力。以新疆玉龙喀什面板堆石坝为例，计算说明了对当前动力计算方法进行改进的必要性。

为探究软土场地内管状地下结构对浅埋筏形基础震陷的影响规律，基于FLAC3D有限差分分析平台及振动软化模型建立了筏式浅基础软土震陷分析方法，通过对比1976年唐山地震中天津塘沽新港地区典型房屋基础的软土震陷震害模拟值结果与实测值验证了该方法的合理性。建模分析不同埋藏条件和截面尺寸的方形（为例）截面管状地下结构对筏式浅基础结构震陷影响规律。研究指出，管状地下结构对自重较轻上部结构的基础震陷的影响更加显著，影响厂房类结构的设计与建造；震陷随着管状地下结构截面相对尺寸的增大而减小，超过地基宽度后会趋于稳定；震陷随着管状地下结构埋藏深度的增加而增加，最终会趋于没有地下结构的结果；震陷随着管状地下结构与房屋埋设距离的增加先增大后减小；从震陷控制角度，管状地下结构选线需要控制与既有建筑的距离。