为探索酸碱污染对天然黄土抗剪强度的影响，首先对原状黄土试样浸泡不同浓度的HCl和NaOH溶液，而后展开三轴强度试验、扫描电镜测试、压汞试验以及土体化学组成和液塑限的测定，研究酸碱污染作用对黄土抗剪强度、微观结构、化学成分和塑性的影响规律。结果表明：酸污染浓度增加，土体应力−应变曲线峰值衰减，抗剪强度劣化，黏聚力近指数趋势折减，内摩擦角相对稳定；碱污染浓度增加，土体应力−应变曲线峰值提升，抗剪强度增大，黏聚力增幅显著，内摩擦角略增；酸污染后，土体颗粒形态破碎，胶结物质溶解，颗粒与孔隙间界限模糊，骨架颗粒间孔隙、黏粒间孔隙含量及尺寸均增大；碱污染后，土体支架孔隙塌落，次生胶结均衡了局部损伤，补强了结构联结度，骨架颗粒间孔隙含量及尺寸均减小，黏粒间孔隙尺寸减小而含量增加；浸泡酸液后，土体内阳离子含量显著增加，碳酸钙含量急剧减少，液塑限均减小；浸泡碱液后，土体内Al³⁺略有增加，其余阳离子平缓减少，碳酸钙含量小幅增加，液塑限均增大。分析试验结果，归纳了酸碱污染黄土抗剪强度演化的微观机制：酸碱污染效应下，土体内矿物溶解、离子交换、颗粒及孔隙结构调整，驱动土体初始结构损伤，新生结构形成，这一综合效应对土体抗剪强度而言是优是劣，取决于初始结构的损伤与新生结构的形成哪个更占优势。

为研究开采过程中煤岩力学行为及渗透率演化规律，运用含瓦斯煤热−流−固耦合渗流伺服试验系统，进行了不同加卸载条件下原煤力学及渗流试验，分析了加卸载应力作用对煤岩变形及渗流规律的影响，得到了剪胀角随塑性剪切应变的变化关系，发现了塑性剪切应变在1.6%左右会出现剪胀角急剧变化的现象。根据试验现象和结果，考虑煤岩结构对渗透率的影响，对煤岩在弹性阶段和屈服损伤后的结构进行简化，基于火柴棍模型及渗流理论分析，从应变的角度出发，探讨了加卸载应力对煤岩渗透率的影响，建立了两个不同阶段的渗透率模型（即弹性阶段和损伤阶段），基于不同阶段的渗透率模型和剪胀角规律，构建了煤岩全过程渗透率模型。所构建的渗透率模型与试验结果对比吻合效果较好，验证了该模型的适用性，可以为实现煤与瓦斯共采提供一定的理论依据。

我国盐穴地下储气库大多建造在具有不同渗透性的层状盐岩地层中，因此保证储库拥有良好的密闭性至关重要。针对盐穴井筒“裸眼段”意外跨越微渗地层而导致储气库密闭性失效的问题，自主研发了渗漏地层注浆封堵试验平台，并结合现场地质渗漏情况设计了注浆封堵可行性试验方案。在确定了兼具流动性和填充密实性的浆液配合比后，开展了超细水泥封堵岩芯的试验研究。结果表明，超细水泥可以有效填充岩芯孔隙并降低其渗透率，注浆后岩芯孔隙率和渗透率降幅分别达到近16%和95%。封堵试验数据显示浆液封堵范围与注浆时间呈幂函数关系，浆液流型满足幂律流，而非牛顿流。该研究成果可为盐穴储气库微渗地层注浆封堵提供必要的理论和试验依据，对类似密闭性失效井筒的二次利用具有重要意义。

研究断层黏滑过程力学特征及规律，对预测断层矿震的发生具有重要的理论意义和现实意义。试验以粗晶正长花岗岩为例，采用双轴加载的方式进行直剪摩擦滑动试验，研究了不同断层倾角黏滑失稳特征，分析了不同侧压下加载速率为0.5、1.0、5.0 μm/s时对断层错动黏滑失稳的影响。研究结果表明：断层黏滑失稳时临界剪应力随着加载速率的增大是先减小再增大，而应力降随着加载速率的增大呈下降趋势，低速加载、高侧压时，断层发生黏滑所需的临界剪应力最大，断层发生黏滑时产生的应力降最大。侧压增大时，临界剪应力增大，平均应力降增大，平均黏滑周期增大。加载速率越低，平均应力降越大，同一侧压下平均黏滑周期越大，侧压变化对平均黏滑周期的影响越显著。黏滑周期与加载速度之间满足负对数线性关系，且不受侧压影响。断层倾角由56º变为45º时，在相同的侧压下临界剪应力增大，平均应力降减少，平均黏滑周期增大。断层倾角为34º试样达到峰值应力时，断层发生瞬间失稳现象，随着围压的增大，发生失稳时能量的释放也越大。大倾角断层易发生断层矿震，但释放能量小、震级低，而小倾角断层不易发生断层矿震，一旦发生失稳，释放的能量大震级高。开采速度对断层矿震的发生有着直接的影响，在某一开采速度下断层矿震最易发生，且释放能量也较大，在生产中一定要避开这个开采速度。

现有顶板对称固定块体的稳定性分析，未考虑原岩夹持力与结构面断裂的影响，易造成分析结果的不准确。基于松弛分析法，分析了受夹持力时对称固定块体的受力情况，推导了结构面断裂下固定面处等效应力公式，探讨了受夹持力与结构面断裂共同影响时固定面处的联合应力分布状态，并给出了对称固定块体最小固定面积的解析解；运用PFC^2D软件，模拟了对称固定块体的失稳过程，对比了最小固定面积数值解与解析解结果间的差异性；对广西高峰矿105#矿体某巷道顶板现场破断现象进行了实地调查。分析结果表明：（1）顶板对称固定块体的最小固定面积分别与块体高度、结构面和竖直面的夹角正相关；（2）最小固定面积的数值解与解析解结果基本一致，二者平均相对误差为7.4%；（3）夹持块体呈断裂脱落并在巷道顶板处留下可见最小固定面积，现场破断现象与松弛分析结果、数值分析结果相吻合。研究成果表明基于松弛分析法的顶板对称固定块体稳定性分析是科学合理的。

全风化混合花岗岩是一类成因极为特殊的岩石，当前对其力学性质和微观结构研究极少。为探究临沧全风化混合花岗岩宏观强度特性与微观结构间的联系，对不同含水率试样开展三轴试验和扫描电镜测试，提取计算表征颗粒和孔隙尺寸、形态与定向特征的微观结构参数，对比分析这些微观结构参数的变化规律，揭示了控制全风化混合花岗岩宏观强度特性的微观机制。研究结果表明：随着含水率升高，试样应力−应变曲线表现出差异化的硬化特征，抗剪强度显著劣化，内摩擦角呈线性趋势衰减，而黏聚力则上下波动；低含水率状态下，试样孔隙分布以微、小孔为主，颗粒形态多为角状和次角状的长条形且具有一定的定向性；随着含水率升高，孔隙含量呈上升趋势，形成了分布均匀的蜂窝状中、大孔且在轴向荷载作用下更容易被压缩，颗粒的形态向圆形发展，整体分布表现为混乱无序，定向性较差。全风化混合花岗岩的力学性质表现本质上是微观颗粒、孔隙结构相互作用的结果，含水率升高弱化了粗颗粒间的摩擦性，黏土颗粒遇水产生不均匀膨胀，在微观层面上直接导致孔隙的贯通、粗化以及充填结构的损伤、破坏，继而在宏观层面上表现出力学性能下降。研究成果为全风化混合花岗岩力学性质及微观结构损伤演化的认知提供了有益参考。

对深中通道沉管隧道段风化岩在天然和泡水两种状态下进行常规三轴不排水剪切试验，揭示了在不同条件下风化岩遇水后的强度变化规律。风化岩遇水后强度会有显著降低，表现出明显的遇水软化特性；在其他条件一定时，采用偏应力固结的试样剪切强度较等向固结时降低更为明显；随着围压、偏应力的增大，风化岩的应变软化现象逐渐减弱，峰值强度与残余强度逐渐趋同；将岩体在峰值强度前的弹性模量看作恒量，以内摩擦角和黏聚力达到残余值时的塑性内变量为变量，给出了黏聚力和内摩擦角与塑性内变量的拟合函数关系表达式，改进了考虑风化岩遇水后应变软化的本构模型；通过回归验证，模型的理论计算和试验结果具有一致性，说明该模型可描述风化岩遇水软化的变形特性。根据此模型得到了风化岩的软化模量，并提出了软化系数作为风化岩遇水后强度和刚度折减的参考，可为深中通道等类似工程设计与施工提供理论依据。

为了研究岩石不连续面的拉剪力学行为，采用自主研制的拉剪装置开展天然灰岩层面在法向拉应力作用下的直剪试验，分析了剪切应力−位移曲线、层面断裂形态及强度特征。拉剪应力作用下断裂面无摩擦粉碎区和局部崩裂。随法向拉应力的增加，剪切强度呈非线性减小。进一步，采用PFC模拟研究了锯齿状层面起伏特征对其拉剪破裂及强度特性的影响。随法向拉应力的增大，剪切裂纹减少而拉伸裂纹增多。当起伏角较小时，裂纹沿锯齿层面产生；当起伏角较大时，裂纹在锯齿面和锯齿内均有发生。可将锯齿状层面破坏分为沿锯齿面拉伸−剪切破裂、沿锯齿面拉伸−拉剪破裂和锯齿面−锯齿混合破裂3种模式，并具体分析了各模式的损伤演化。随起伏角增大，锯齿状层面的剪切强度先减小后增大，在起伏角为30º时达到最小值；随法向拉应力的增大，剪切强度近似线性减小，可采用Mohr-Coulomb准则进行描述，其摩擦角和黏聚力随起伏角的增加而减小。剪切强度、摩擦角和黏聚力随起伏角的变化规律主要受破裂模式的控制。随着层面黏结强度的增加，从锯齿面破裂逐渐转变为锯齿面−锯齿混合破裂。当层面黏结强度达到一定值以后，拉剪强度不再增加，主要受锯齿的岩石强度控制。

为了探讨水泥掺量P_s、水灰比W/C（W为水质量，C为水泥质量）、含水率w 等因素对水泥胶结钙质砂导热系数l的影响规律，基于热探针法测定了不同试验条件下水泥胶结钙质砂的导热系数，分析了各因素影响下导热系数的变化规律，运用电镜扫描技术阐释了上述变化趋势发生的微观机制；在此基础上，提出了考虑水泥掺量、水灰比、含水率3个因素共同影响的水泥胶结钙质砂导热系数计算模型。试验结果表明：（1）水泥胶结钙质砂的导热系数l显著大于天然钙质砂的l值，随着水泥掺量P_s的增加，l值递增，但增长幅度依次递减；（2）水泥胶结钙质砂导热系数l随含水率w 的增加而递增，呈正相关关系；水灰比W/C越大，l反而越小；（3）水泥胶结钙质砂内微孔隙大小、数量的变化从本质上决定了其宏观热传导特性，凝胶状水化产物连续填充其内部孔隙，引起其孔隙率降低，改善砂样内部传热，宏观表现为其导热系数l随着胶结程度的增加而递增；（4）综合考虑P_s、w、W/C的3个因素共同影响的水泥胶结钙质砂导热系数计算模型具有很好的适用性，相关系数R² = 0.916 4。

地基处理中，电渗常与堆载预压联合使用。基于Fredlund非饱和土三维固结理论和Esrig电渗固结理论及等应变假设，推导出电流场与渗流场耦合作用下，考虑径竖向渗流及涂抹效应的轴对称固结控制方程；利用Laplace变换、解耦技术及Laplace逆变换等方法，得到了时域内的半解析解。然后，将所得解分别退化至饱和土中考虑电渗−堆载联合和非饱和土中仅考虑堆载这两种情况与已有文献结果对比，验证了研究方法的可靠性。最后，通过算例研究有效电压、电−水力渗透系数比和涂抹系数对非饱和土轴对称电渗固结特性的影响。结果表明：超孔隙水压最终产生的负孔压与有效电压成正比；电渗−堆载联合下的非饱和土地基固结可分为两个阶段，分别主要受堆载和电渗影响；电渗联合堆载处理地基时的最终沉降是两种作用分别处理地基时的最终沉降之和，且对于低渗透性的土体，其固结速率将显著提高；此外，施加电压后涂抹系数在同区间内，超孔隙水压消散的速率差距比不考虑电压时的大，且涂抹系数越小，最终产生的负孔隙水压越大。

液氮致裂煤体技术是一种新型的煤层增透技术，含水率、煤阶、温度梯度等因素都会影响液氮的增透作用。其中，煤体含水率对液氮致裂的增透效果影响尤为显著。为研究含水率对液氮致裂的影响效果和机制，对含水率分别为0%、2%、4%及6%的4组煤样进行液氮溶浸处理，使用渗透率测试仪进行气相渗透率测试，对不同压力点煤样渗透率及应力敏感性变化规律进行讨论分析。试验结果表明：（1）在相同围压条件下，煤体气相渗透率随有效应力的变化趋势整体上符合负指数函数k = ae^−bs + c，拟合后相关指数均大于0.95；（2）当有效应力超过一定临界值，煤体气相渗透率会受克林伯格效应影响，随有效应力的增大呈现上升趋势；（3）煤体自身含水率的增加会对液氮致裂效果产生明显促进作用，最明显的是，当含水率从2%提升到4%时，煤样液氮致裂前后渗透率增幅从92.88%增大到357.12%；（4）对液氮致裂前后煤样的渗透率进行归一化处理后，发现煤体水分同时具有阻碍渗流的消极作用与提升致裂效果的促进作用，在水分的复合作用下致裂前后煤样归一化渗透率变化规律比较复杂；（5）在相同孔隙压力下，煤体有效应力敏感性随有效应力的增大逐渐减小，液氮致裂后，煤体的有效应力敏感性显著提高。

能源桩集承受荷载和热量交换于一体，受荷载−温度联合作用，其承载性状变化异常复杂。通过上海某能源桩工程现场试验，利用基于布里渊光时域反射技术（BOTDR）的分布式光纤智能感测技术监测桩身轴力和温度变化，获取荷载与温度单一因素及联合作用下桩身轴力及桩侧摩阻力分布曲线，分析了荷载−温度联合作用下能源桩承载性状与荷载传递特征。结果表明：能源桩承载性状与普通灌注桩有一定的差别，桩身温度升高会引起桩身变形，在土体约束作用下产生较大的桩身轴力，其大小与桩身温度变化量近似呈线性关系；荷载−温度联合作用时，桩身轴力远大于受单一因素作用时的桩身轴力，由荷载−温度联合作用引起的轴力增量可达到荷载单独作用时桩身轴力的2倍及以上，同时桩身受温度升高的影响会在较大范围产生桩侧负摩阻力，而荷载作用能够明显缓解桩侧负摩阻力的产生。

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。

为研究尾砂胶结充填体的动态力学性能及能量损伤演化过程，采用分离式霍普金森杆对尾砂胶结充填体进行了不同应变率下的冲击加载试验。试验结果表明：充填体的动态抗压强度和动态抗压强度增强因子随应变率的增加呈指数函数递增规律，且水泥含量越低的充填体应变率效应更显著；充填体的峰前能耗量密度、峰后能耗量密度、单位体积应变能及总能耗量密度随应变率的增加均呈指数函数递增规律，且动态抗压强度与峰后耗散能密度具有明显的正相关关系；冲击载荷作用下，充填体变形破坏主要经历了线弹性变形、屈服破坏及峰后破裂这3个阶段；在充填体的线弹性变形及屈服破坏阶段，能量以弹性应变能的形式储存在试样内部，而在峰后破裂阶段，能量以耗散能释放为主；冲击加载下，充填体的受荷能量损伤演化过程划分为损伤稳定发展阶段、损伤加速阶段及损伤破坏阶段3个阶段。

微生物诱导碳酸钙沉淀（microbial induced calcite precipitation，简称MICP）技术可能是有助于解决膨胀土胀缩行为的一种潜在方法。用细菌浓度和脲酶活性作为控制指标，研究了在不同培养条件下的巴氏芽孢杆菌的生长特性，确定了最有利于细菌生长的温度、pH和摇床震荡速率。用MICP技术对两种不同的膨胀土进行处治，通过比较处治前后土样的自由膨胀率、无荷膨胀率、黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度等物理力学指标，验证处治效果，从微观角度解释了改性膨胀土的作用机制。结果表明：培养温度为30 ℃、pH为7、摇床震荡速率为200 r/min时，最适宜细菌生长。MICP处治后的膨胀土自由膨胀率和无荷膨胀率均有明显下降，黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度均有明显增强，MICP过程中生成的碳酸钙起到了孔隙填充和土颗粒胶结作用，同时钙离子对低价阳离子的置换和碳酸钙对土颗粒的包裹效应，共同作用改善了膨胀土特性。研究可为微生物处治膨胀土技术和工程应用提供参考。

通过对砂岩岩石试样开展单轴加载压缩下的声发射试验，测试岩石试样在单轴多级加载条件下受力变形全过程的声发射参数，建立时间−荷载−声发射参数关系曲线，分析岩石变形破坏全过程的声发射特征及变化情况，对岩石变形破坏过程声发射特征的自相关系数和方差变异性进行深入分析，揭示岩石变形破坏的临界慢化现象，探索岩石临界破坏的声发射前兆表征。研究结果表明：（1）岩石在逐级加载过程中产生明显的声发射现象，声发射振铃计数随着加载级数增加越来越高，在岩石试样破坏时刻达到最高；（2）利用声发射RA（上升时间/峰值幅度）与AF（平均频率）特征分析，岩石试样在整个过程中以张拉破裂为主，加载后期剪切破裂逐步增多；（3）通过声发射振铃计数率、上升时间、峰值频率、RA主要特征时间序列的方差和自相关分析，发现其分析结果均在岩石破坏前存在突变性，即表明出明显的临界慢化现象，可作为岩石破坏灾变的前兆特征；（4）峰值频率和RA的方差变异可作为岩石损伤破坏的关键前兆指标。鉴于此，将临界慢化现象分析用于脆性岩石破坏过程的研究，对深入认识岩石临界破坏状态和灾变前兆具有非常重要的科学价值和实用意义。

对Weibull模型公式进行变形和演化，得到一个用于定量表示连续级配分布的级配方程，该级配方程可以表示双曲线、近似直线、反S形曲线3种典型级配分布形态。对粉土、黏土、砂土、粗粒土的级配分布进行拟合，拟合结果均良好。从粒径的分布范围考虑，用理论推导的方法，对级配参数的取值范围进行了详细的研究。将实际拟合结果和理论推导结果相结合，得到最终的级配参数范围：c为0.001～1.5，n为0.065～4.8。将新级配方程与Talbot分形级配方程、吴二鲁单参数级配方程进行对比分析，发现Talbot分形级配方程不能反映反S形级配分布，单参数级配方程不能反映颗粒均匀的窄级配分布，而新级配方程对以上不同级配分布均拟合良好，因此新级配方程具有更广泛的适用性。另外，对级配参数在剔除法、相似级配法、等量替代法、混合法下的演变进行了推导，实现了对缩尺前后级配分布的定量表示。

应力波在含结构面岩体中的传播一直是岩石动力学的一个重要课题。深部岩体应力会影响岩体结构面的力学特性，进而影响应力波的传播规律。基于时域递归分析方法，首先对考虑岩体应力情况下应力波与非线性岩体结构面的相互作用进行了分析，推导出了波的传播方程。研究中假定岩体结构面法向满足非线性双曲变形模型（Barton-Bandis模型，简称B-B模型），切向满足库仑滑移模型。其次，对一些特殊情况，如结构面水平或垂直分布、波阵面水平分布等，进行了计算模型和波的传播方程的简化分析。通过对比，发现岩体应力对应力波的传播特性有明显的影响。最后，参数研究分析了岩体应力特性、节理特性及入射波频率等对透、反射系数的影响规律。

赤泥是工业生产氧化铝产出的固体废渣，产量庞大且具有较强碱性的特点。尝试将赤泥作为碱性激发剂与粉煤灰、粒化高炉矿渣（GGBS）结合用于固化/稳定镉污染土，对养护7、14、28 d试样的无侧限抗压强度特性、剪切特性、重金属浸出特性和微观结构进行研究。研究结果表明：土中镉离子会降低土体强度，掺入赤泥、GGBS和粉煤灰后土体强度相应增强；镉离子初始浓度会对赤泥基固化土强度造成影响，当初始值高于临界浓度值，土体强度开始逐渐降低；土中镉浓度的增加会降低土体剪切强度和黏聚力，同时增大摩擦角；赤泥−GGBS固化土有较高的强度和较低的重金属浸出率，相较于赤泥−粉煤灰有更好的固化/稳定效果。

基于Fredlund等提出的非饱和土轴对称固结理论，采用傅里叶级数展开法和拉普拉斯变换法提出了等应变条件下分段循环荷载作用下同时考虑径向（r方向）和竖向（z方向）渗透的非饱和土轴对称固结半解析解。基于等应变假设和径向边界条件，给出了等应变条件下的超孔隙气压力u_a和超孔隙水压力u_w的控制方程。然后利用级数展开与Laplace变换求解并给出了超孔隙压力及平均固结度的半解析解。此外，通过退化法以及有限差分法验证了所提解和相应结果的正确性。引入3种具体的分段循环荷载，研究了渗透系数之比k_a/k_w、模型尺寸N和荷载特征参数a对非饱和土轴对称固结特性的影响，所得结论更加符合实际，可为非饱和土地基处理提供理论指导。

以北京典型饱和砂卵石地层为研究对象，研究了不同细粒土含量、荷载条件下饱和砂卵石的冻胀融沉特性。试验结果表明：有载条件下的饱和砂卵石试样冻结初期存在明显的冻缩阶段，冻缩量为试样高度的0.053%；冻胀率及融沉系数均与时间具有明显的指数相关性；相同细粒土含量条件下，饱和砂卵石融沉系数（细粒土含量大于10%）及冻胀率随荷载的增加而减小，荷载对细粒土含量小于10%的饱和砂卵石融沉系数影响微乎其微；相同荷载条件下，饱和砂卵石冻胀率及融沉系数随细粒土含量的增加而增大；荷载对冻胀率影响较大，细粒土含量次之，细粒土含量小于0.82%的无载饱和砂卵石是弱冻胀材料；建立了考虑细粒土含量、荷载影响的饱和砂卵石冻胀率及融沉系数预测模型。

土−水特征曲线是非饱和土力学中最基本的参数之一，可用于预测非饱和土的各种性质。但是，测量土−水特征曲线耗时费事。为了解决这一问题，提出使用一点测量法和土的颗分参数相结合的方法预测Van Genuchten模型的3个参数。通过Van Genuchten模型的3个参数与43组（编号1～43）砂土的基本物理参数进行相关性分析，得出计算这3个参数的方程，进而通过一点测量法确定这3个参数的具体取值。结果表明：参数aV与组合参数（P1 000/P500）呈指数函数关系，参数mV与1/nV呈指数函数关系。敏感性分析揭示了SWCC一点测量法选取的测量点的基质吸力应在1～10 kPa之间。采用4组（编号44～47）砂土数据验证了提出的预测砂土土−水特征曲线的方法。结果显示，其R2 = 0.959，表明所提出的方法能够很好地预测SWCC。

高陡边坡上桩基既要传递上部荷载，又要承受侧向滑坡推力，其受力复杂。为减小桩基竖向侧摩阻对边坡稳定性的不利影响，通过在桩基外侧设置隔离钢护筒，并在钢护筒内壁涂抹沥青涂层，提出了一种钢护筒涂层减阻桩。通过推出试验，研究桩侧摩阻力的分布规律及沥青涂层的隔离减阻效果。结果表明：无沥青涂层的试件混凝土剪应力呈两端大、中间小的分布；沥青涂层能够有效地减小桩的侧摩阻力，并改变了钢−混凝土间的黏结机制，使荷载集中地向下传递；钢护筒涂层减阻措施能降低桩基对边坡稳定性的不利影响。

分散土遇水分散的特性是造成分散土地区堤坝、渠道边坡、道路边坡被冲蚀和管涌破坏等的重要原因，开展土体分散性判别工作是分散土地区进行工程建设的重要前提。首先通过针孔试验、碎块试验等对分散土进行判别，随后基于扫描电镜、X衍射等试验，研究分散土的分散机制及微观结构，分析土体分散的主次要影响因素。针对标准吸湿含水率与土体矿物成分蒙脱石含量具有较强线性关系的情况，大数据总结典型分散性黏土的蒙脱石含量与pH值分布特点，提出基于标准吸湿含水率+pH值测试的土体分散性的综合判别法，并给出相应的判别指标及判别程序，最后采用工程实例进行了验证。结果表明：具有一定的蒙脱石含量以及较高的pH值赋存环境是土体具备分散性的物质基础和环境保障；若土体中的蒙脱石含量≥10%且pH≥8.5，则可判断为分散土；不在此区间的土料仍需采用土的分散性判别方法及野外调查结果来综合判断土的分散性。

岩石材料的微观非均匀结构和微观力学特性是制约其宏观变形与破坏力学行为的关键因素。针对川藏铁路隧道板岩，采用原子力显微镜测试技术，结合粉晶X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱分析技术，获得了板岩纳米尺度下的矿物构像和微观结构，并揭示了微观尺度板岩矿物杨氏模量空间分布；进而采用混合高斯模型对160多万个试验数据进行反卷积分析，确定了高、中、低强度三相的平均杨氏模量和概率；最后基于Mori-Tanaka模型对板岩杨氏模量进行尺度升级，建立了板岩杨氏模量宏微观跨尺度表征方法。结果表明：（1）纳米尺度下板岩中嵌入的石英呈凸面多边形块体，伊利石薄片紧密、定向排列呈明显的层理性，而绿泥石作为基质松散地分布在孔隙中；（2）石英、伊利石、绿泥石和微观孔隙对原子力探针的黏附力依次递增，杨氏模量依次递减；（3）微观测试结果和图像分析表明，板岩孔隙度为16.61%、宏观杨氏模量为56.17 GPa。该方法适用于破碎、小尺度、任意形状岩石的力学参数精细测量分析，为通过饼化、破碎岩芯估算硬岩的宏观杨氏模量等力学参数提供了一种新的技术路线，具有较好的实用价值。

滑移−弯曲破坏是顺层岩质边坡的常见破坏模式之一。基于板裂结构顺层岩质边坡的地质成因分析，将最大拉应力强度理论引入到地质力学模型分析中；根据破坏特征，将板裂结构顺层岩质边坡的岩层带分为滑移段和弯曲段；采用能量法、Rayleigh-Ritz方法及势能驻值原理等近似模拟弯曲段的挠曲方程；运用梁板强度理论，推导了板裂结构顺层岩质边坡最大拉应力计算公式和边坡潜在破坏点预测模型；在此基础上，将理论公式程序化，通过典型滑坡算例，得到了理论预测值与实际破坏值的近似一致性；通过FLAC3_D数值模拟软件分析了山阳滑坡的破坏过程，并得出：（1）滑坡体总位移的变化趋势呈现出明显的滑移−弯曲变化特征；（2）最大拉应力和张拉塑性区所在位置的数值模拟结果与理论计算结果近似一致。

高温环境下，南方地区隧道洞口段岩体温度波动剧烈，长期累积作用引起隧道热病害。针对岩体裂隙尖部热传导性质非线性，应用格林函数法和镜像法建立裂隙岩体三角形热源函数表达式，计算裂隙尖部温度场，并分析裂隙形状参数和裂隙间相互作用的影响。计算表明，太阳辐射时段内裂隙岩体内部较不含裂隙岩体内部温度高；相同长度的三角形裂隙，顶角越大岩体温度变化幅度越大；对于平行裂隙与共面裂隙，间距越小裂隙尖部温度场叠加效应越强，间距越大温度值越趋于单裂隙温度值。裂隙岩体比不含裂隙岩体温度传递快，温度等值线围绕裂隙呈现，裂隙周围温度明显升高。研究结果为高温环境下隧道洞口裂隙岩体热应力分析提供理论依据。

提出一种抗滑桩加固三维复杂边坡抗震设计的新方法——拟动力方法。采用“牛角型”破坏机构，并基于极限运动学原理分析了抗滑桩加固三维复杂边坡在地震动态荷载下的稳定性。与传统的拟静力方法相比，提出的拟动力方法更接近实际且更加经济。经参数分析求得了各影响因素对边坡安全系数Fs的影响规律，并得出以下结论：相较于简单的单台阶边坡，带平台边坡更趋于稳定；在三维复杂边坡的抗震设计时，抗滑桩能有效提升边坡的稳定性能。根据工程实际提出相应的工程建议。

目前隧道施工过程中泥水盾构施工参数多根据现场施工经验调整，缺乏系统的模型泥水盾构施工参数与泥浆压力大小之间的理论计算模型。通过对泥水平衡盾构的类型和工作原理进行细致的研究分析，提出盾构掘进过程中各施工参数需满足的关系式，并以此建立了泥水盾构泥水仓泥浆压力控制模型，得到了泥水盾构可控施工参数直接量化控制泥水仓泥浆压力的计算方法，并提出泥水仓内的泥浆需要满足盾构施工泥浆渣土悬浮和输送能力的要求，推导了泥水盾构掘进速度与进浆流量的关系式。研究结果表明，泥水仓泥浆压力随着进浆流量及盾构掘进速度的增大而增大，随着排浆流量的增大而减小。结合长沙地铁6号线泥水盾构施工工程，通过实例仿真计算，验证了此计算模型的有效性。研究成果为泥水平衡盾构泥水仓泥浆压力控制的研究提供了理论基础。

脆性作为岩石的重要的力学指标，对深部岩体性态评价以及灾害预防具有重要意义。岩石应力−应变曲线能够很好地表征岩石的脆性。考虑到现有基于应力−应变曲线的脆性指标大多都只对曲线的一部分进行分析，且少有指标能够准确地应用于岩石II类曲线中，对整体判断的缺乏可能会导致工程应用上适应性及可靠性不足的情况。针对现有脆性指标普遍存在的物理意义模糊、评估结果与岩石脆性的关系非连续等问题，综合考量岩石应力−应变曲线中峰前应力上升速率、峰后应力跌落速率以及峰值点应变值对岩石脆性的影响，提出了一种物理意义明确、计算结果与岩石脆性之间的关系是单调且连续的岩石脆性指数计算方法。选取国内外常用脆性指标对锦屏II级水电站大理岩和某铁路隧道花岗岩、变质砂岩以及片麻岩的单轴压缩试验数据进行脆性评价后进行比较，验证了指标的适用性。进一步将提出的指标应用于常规三轴试验条件下大理岩脆性分析，结果表明，该指标不仅能够量化和分类不同岩石的脆性特征，还能表征围压对岩石脆性的抑制作用。

圆柱孔扩张理论是分析沉桩挤土及旁压试验等岩土工程问题的有效方法，然而已有研究中多假定土体为无限连续介质，当圆柱孔周围存在约束边界时并不适用。采用临界状态模型描述非饱和土的应力−应变关系，在此基础上引入反映土体比体积−吸力关系的液相本构方程，推导了非饱和土中存在固定边界时，圆柱孔扩张问题在不同排水条件下的半解析解。通过计算不同工况，对比分析边界效应、非饱和吸力效应和排水条件对圆柱孔扩张响应的影响。结果表明，受边界效应影响，扩孔压力随着孔径增大而持续增大，这与无边界时扩孔压力趋于某一稳定值的情况有所不同；当圆柱孔扩张相同孔径时，周围固定边界范围越小，所需扩孔压力越大。土体初始吸力越大，扩孔压力也越大，相同应力增量引起的体积压缩量减小，说明土体出现吸力硬化效应。在孔周相同位置处，不排水比排水条件下的土体饱和度高、吸力小，对应的有效应力分量也小；距孔壁越近，该差异越明显。

通过自动单轴加载系统对不同粒径和形状的钙质砂颗粒进行了单颗粒压碎试验，同时借助于显微探头观测记录钙质砂颗粒的压碎过程和破碎模式，并利用统计方法分析粒径、形状和干湿条件等因素对钙质砂颗粒破碎强度和破碎模式的影响。此外，通过原位X射线μCT扫描支持下的微型单轴加载装置分别对两个钙质砂颗粒的压碎过程进行了高精度扫描，利用图像处理和分析技术对内孔隙结构的影响进行了深入研究。结果表明：形状类似时，钙质砂颗粒的粒径越大，特征强度越低；粒径相当时，块状颗粒的特征强度最大，片状颗粒次之，刃状颗粒再次之，条状颗粒最小；钙质砂颗粒的破碎过程可以归纳为3种裂纹形式和3种破碎模式，分别为单裂纹、交叉裂纹、拱裂纹和模式I、II、III。μCT图像分析结果表明，颗粒破碎产生的裂纹主要集中于内孔隙较密集处。这说明内孔隙结构对于钙质砂颗粒的破碎行为具有重要的影响。

对中国南海钙质砂开展了一系列复杂应力路径下的排水三轴剪切试验，系统研究了应力路径对钙质砂颗粒破碎和抗剪强度的影响机制。研究表明：钙质砂的各项力学特性均随着剪切加载方向的偏转呈现规律性变化，当应力路径处于加荷区，随着应力路径顺时针偏转，钙质砂的软化程度和抗剪强度逐渐增大、剪胀性降低、颗粒破碎程度增大、峰值内摩擦角减小。而应力路径处于卸荷区时，钙质砂破坏具有突然性，颗粒破碎程度也较大。存在“0初始应力影响”应力路径分界线，使得初始平均有效应力对其两侧应力路径区域内体变的影响完全相反。基于分形理论建立了不同初始平均有效应力、固结方式和剪切路径下预测相对颗粒破碎指标B_r值的经验公式，并揭示了应力路径和颗粒破碎耦合作用对钙质砂剪切行为的复杂影响机制。根据试验结果，应用广义加性模型（generalized additive model，简称GAM）推导了考虑颗粒破碎和应力路径影响的强度包线，可作为预测钙质砂在不同应力路径下峰值强度的依据。

颗粒形态不规则、颗粒级配不均匀的钙质砂砾在施加荷载后具有明显的粒径效应。通过对不同粒径、干湿条件下的钙质砂砾进行剪切试验，分析不同剪切方式下钙质砂砾的剪切应力−位移关系特点，研究钙质砂的剪切强度及变形的粒径效应。结果表明：粒径从0.075 mm增至60 mm时，钙质砂砾的峰值强度呈现出先增后减再增的特点；粒径为0.25～0.5 mm是峰值强度变化的拐点，此粒径下钙质砂颗粒产生更多的破碎；由于拐点粒径的影响，内摩擦角随粒径增加呈现出先增再减的规律，似黏聚力则随粒径增加呈现出先增后减再增的规律；由于水膜效应的存在，一定含水条件下的钙质砂抗剪强度比风干条件下低；由于不同剪切方式下的有效应力路径及剪胀角存在差异，直剪试验获得的似黏聚力参数较单剪试验偏大，且随着粒径的增加，偏差越大。

针对现有乳胶膜压密注浆土钉的潜在缺陷，提出了采用土工织物替代乳胶膜改进该土钉的新思路。基于自研的土工织物反滤性能测定装置，开展了一系列水泥浆液反滤试验，研究了水灰比、浆液体积和注浆压力对土工织物反滤性能的影响。并且，对反滤前后浆液成型的试块进行了强度试验。试验结果表明：随水灰比的增加，浆液最终滤出质量、反滤结束时间和质量流量都相应增加，但反滤结束时间的增量会逐渐减小；浆液体积的变化不会影响质量流量的变化，而反滤结束时间与浆液体积呈线性增加的关系；随注浆压力的增加，浆液质量流量逐渐增加。同时，土工织物撑开面积的增加率与注浆压力呈线性增加的关系；采用土工织物替代乳胶膜后，节泡内浆液水灰比明显减小，强度得到显著提高。研究能为土工织物改进新型压密注浆土钉的应用奠定基础。

针对取样于太平洋的深海富稀土沉积物，采用激光粒度分析仪、液塑限联合测定仪对其常规的物理性能开展研究，并通过X射线衍射法和扫描电镜法分析其矿物成分以及微观结构。结果表明，深海富稀土沉积物具有高液限、高塑性，矿物成分主要由石英、方解石、石盐、长石、云母等原生矿物和次生矿物绿石等组成，显微结构主要由链接结构和蜂窝状的片状结构组成。针对深海富稀土沉积物这种具有流动性的超软土，采用RST流变仪开展具有不同温度与不同含水率的沉积物流变试验，并基于试验结果分析了不排水剪切强度、屈服应力、表观黏度与温度和含水率之间的关系，引入Herschel-Bulkley模型对流变参数进行探讨，通过液相转化与粒际作用理论，解释了深海富稀土沉积物的流变特征。结果表明，含水率和温度对沉积物的剪切应力与表观黏度有显著影响，与常温条件下相比，在低温环境下沉积物的剪切应力与表观黏度显著提高，表观黏度以及屈服应力随着沉积物的含水率的增加而下降。这一成果可为深海富稀土沉积物进行流态化运输提供科学依据。

压实黄土的水力特性受微结构控制，而微结构受制样条件影响。为探究制样条件对压实黄土微结构、饱和渗透系数与土−水特征曲线的影响及机制，对不同制样条件下制备的压实黄土试样开展了压汞试验、变水头渗透试验和土−水特征曲线的测定，获得了它们的孔径分布曲线、饱和渗透系数及其随渗透次数的变化和土−水特征曲线。结果表明：（1）制样含水率通过影响集粒尺寸改变试样中的中孔（2 000 nm < d ≤ 12 000 nm）、小孔（150 nm < d ≤ 2 000 nm）密度，制样含水率越大，中孔密度越小，小孔密度越大；而压实度主要影响集粒的排列进而影响试样中的中孔密度，压实度越大，中孔含量越小。（2）压实度和制样含水率影响着试样的初始饱和渗透系数。压实度较小（85%）时，试样的饱和渗透系数受结构坍塌影响随渗透次数的增大而减小；压实度较大（90%和94%）时，饱和渗透系数则受颗粒流失影响随渗透次数的增大而增大。 （3）压实度与制样含水率影响着水-土特征曲线。制样含水率主要影响试样的进气值和过渡段曲线的斜率，制样含水率越大，进气值越小，过渡段曲线的斜率越小，表明试样的持水性能越好；压实度则主要影响试样的进气值和饱和（质量）含水率，压实度越大，进气值越大，饱和（质量）含水率越小。

以南宁第三系膨胀泥岩为研究对象，采用热探针法研究含水率、干密度、温度及体积变形率对重塑膨胀岩试样导热系数的影响。研究表明：重塑膨胀岩的导热系数随着含水率、干密度的增加而升高，当含水率从10.4%上升至21.9%时，其导热系数最高上升了135.7%，当干密度从1.50 g/cm3增加到2.00 g/cm3时，其导热系数最高上升了133.9%，主要原因是含水率的增加减少了土中空气的热阻作用，干密度的增加使土颗粒之间的接触更为紧密；在潜热传输的作用下，重塑膨胀岩的导热系数随温度的增长而升高，土颗粒在温度的影响下粒径不断增大并发生聚集，为潜热传输提供了有利的条件，重塑膨胀岩导热系数随温度的增长呈现缓慢增长和迅速增长2个不同的阶段；重塑膨胀岩的导热系数随体积变形率的增加而降低，当变形率从0.5%增加到5%时，膨胀岩的导热系数降幅在5.7%～29.5%之间，这是由于吸水膨胀后膨胀岩试样更为松散，土颗粒之间的接触减少。

目前大多数对于水合物储层变形的研究都没有考虑毛管力的作用，将储层中的水合物压力和流体压力视为一致。但是在我国的南海海域，水合物储层多为黏土质粉砂，孔隙的孔径较小，因此毛细效应很明显。基于多孔介质力学以及水合物相平衡理论，建立了描述水合物分解过程中的储层变形模型。在该模型中，孔隙内的物质被分为两相，即水合物固体相和包裹不连续气泡的等效流体相。该模型重点研究了水合物固体和等效流体之间的压差，即毛管压力。最后针对我国南海神狐海域的数据具体分析了降压法与注热法两种不同的水合物开采方法。结果显示，对于南海黏土质粉砂储层，毛细效应会对水合物的相平衡条件以及储层变形产生较大的影响。对于给定的压力，水合物的熔点会随着孔径的减小而降低，这使得水合物的相平衡条件在压力−温度图像中表现为一个区域而不是一条曲线，并且如果忽略毛细效应，则会严重低估储层变形。

通过杭州地铁5号线的卸荷状态饱和粉土的动三轴试验，研究了长期循环荷载作用下侧向卸荷状态饱和粉土的动力特性，总结了卸荷应力路径对该类土体的动力特性的影响。试验结果表明：饱和粉土在侧向卸荷时，存在临界动应力，并且土体在卸荷再加荷应力路径下的临界动应力最小；在动应力未达临界动应力时，土体累积动应变和累积动孔压发展表现为稳定型；而当动应力超过临界动应力时，土体累积动应变和动孔压表现为破坏型，但侧向卸荷应力路径下土样的累积动孔压发展曲线不会出现陡增阶段。研究结果显示，在侧向卸荷再加荷应力路径下的土体，因再加荷过程产生的超孔隙水压力的增加，会产生更大的动孔压和累积动变形，同时降低了该应力路径下土样的临界动应力，这也是引起地铁隧道周围土体的沉降和振陷的一个危险因素。

在弹性−理想塑性和相关联流动法则的假设下，基于Lade-Duncan准则，得到了平面应变破坏的中主应力条件，提出一种新的平面应变条件下的强度公式。该公式将平面应变条件和常规三轴压缩条件下的抗剪强度指标联系起来，只须通过常规三轴试验，就可确定平面应变条件下的内摩擦角和黏聚力，可以有效反映中主应力对平面应变内摩擦角的提高效应。证明了等效内摩擦角达到极大值的条件即为平面应变条件下无黏性土的破坏条件，以及绘制π平面上3种准则的几何关系，阐明平面应变强度公式的数学意义。最后，通过地基承载力试验结果验证了该公式的有效性。在使用规范方法或有限元软件进行平面应变计算时，该公式可考虑中主应力的影响，选取更为有效的抗剪强度指标。

现行传统的冻结壁厚度初选方法是基于松散体假定推导而来的，在理论上并不适用于黏土地层，因而导致冻结壁厚度设计过于保守。由此，不仅造成了极大的时间和资源浪费，而且给实际施工带来诸多难题。针对上述问题，基于黏土地层剪切破坏理论，提出并构建了适用于深埋黏土地层直墙拱形冻结壁的厚度初选方法。从数值计算和工程应用的角度均验证了其合理性与适用性，并进一步结合传统设计方法对改进方法的优越性进行比较与分析。研究表明：（1）传统设计方法因不能客观、真实地反映黏土地层围岩破坏模式及冻结壁支护压力，从而难以对冻结壁厚度进行合理初选；（2）基于黏土地层剪切破坏理论，提出并构建了一套适用于深埋黏土地层直墙拱形冻结壁厚度初选的优化方法，经验证其计算结果作为初选方案有效、可行；（3）相较于传统方法，改进方法在理论上更加贴近工程实际，设计所得冻结壁厚度值均明显小于传统方法设计值，在确保安全性的同时，可有效地提高冻结法施工的经济性；（4）随着地层黏聚力和隧道埋置深度的增大，由改进方法得到的冻结壁厚度虽分别呈减小和增大的趋势，但均明显小于同等参数下传统方法设计值，且两者的增大对冻结壁厚度的优化程度呈正相关叠加关系；（5）推导并构建的一般公式和设计流程可为现有规范提供必要补充，同时可为同类型工程的冻结法设计与施工提供有益参考。

湛江组黏土作为一种高强度、高灵敏度的结构性土，其力学特性易受取样扰动的影响。通过在典型结构性黏土地层中开展自钻旁压试验（SBPT）和地震扁铲试验（SDMT），获取了土体原位剪切模量−剪应变衰减曲线（G-g 曲线），并采用Stokoe模型表征其归一化刚度衰减性状。结果表明：通过SDMT测得的地震波波速V_s计算了小应变剪切模量G₀，基于SBPT结果的非线性分析推导出土体的切线剪切模量G_t，结合G₀和G_t进而获取了完整的原位刚度衰减曲线；不同深度处的土体原位剪切模量G随剪应变g 增加均呈双曲线形的衰减规律，证明结构性黏土的力学性能具有非线性特征；随着土层深度增加，结构性黏土的原位刚度参数在g ≤10⁻³%条件下呈增大趋势，在g >1%条件下几乎不变；归一化的原位G-g 曲线与Stokoe模型计算结果基本吻合，说明采用Stokoe模型能够准确、合理地描述土体原位刚度衰减特征。该研究可为湛江组黏土地层的岩土工程建设提供设计参数，也可为类似地层的刚度分析提供参考。

准确预测并及时控制软土地层矩形顶管掘进过程中引起的地表隆沉，可有效降低掘进施工对紧邻结构设施的影响。结合弹性力学Mindlin解和随机介质理论，进一步考虑顶管开挖面附加推力、非均匀分布且具有软化特性的机体−土体侧摩阻力、受触变泥浆特性影响的管节与土体间的侧摩阻力，管节附加注浆压力及基于开挖面收敛模式的土体损失共同作用，推导得到矩形顶管掘进期间地表隆沉位移解析解。经与3个工程算例的实测结果进行对比分析，发现所提方法可预测矩形顶管在软土地层掘进引起的地表隆沉变形规律。分析结果表明：顶管开挖面前方地表表现为隆起；随着顶管开挖面的远离，摩阻力、注浆压力对地表的影响逐渐减小，开挖面后方地表主要受土体损失作用发生沉降；土体损失引起的地表沉降量受开挖面收敛模式影响。

稳定性分析是路堤设计中的关键环节。针对新型预应力路堤，提出一种基于极限平衡状态计算其边坡安全系数的新方法。该方法主要包含滑动面附加应力计算法与等效条间力计算法。基于弹性理论近似推导预应力路堤内潜在滑动面上的附加应力解析公式，并通过应力状态分析得到滑动面上任一点处的法向和切向附加应力计算式。结合滑动面附加应力计算法、条分法及等效条间力计算法，并考虑铁路路基受荷特点，提出新型预应力路堤稳定性分析的极限平衡法。该方法适用于任意形状滑裂面，计算公式简便，且分析过程无需迭代试算。算例分析表明：预应力在路堤潜在滑动面上引起的附加应力并非全部起抗滑作用，局部小区域存在促滑效应。相较于传统极限平衡法对预压应力的处理方式，提出的方法考虑了预应力的连续扩散效应，所得安全系数偏于安全。最后，采用数值方法进一步论证了方法的可靠性。

地铁施工监测数据的不确定性分析对工程决策管理有重要意义，统计推断是使用最广的分析理论。为更加科学地应用该理论，必须明确3个基本问题：（1）统计分析时以什么原则选取监测数据才有科学的统计意义?（2）具有统计意义的监测数据在大多数情况下有怎样的统计特征?（3）实际工程中如何检验监测数据的统计意义与特征? 深入结合统计理论与统计试验法，围绕这3个问题展开研究。得到如下结论：（1）获取监测数据的测点必须有相似的工况与受力状态，才可使其满足随机样本的要求，才可能具有科学的统计意义；（2）根据中心极限定理，绝大多数情况下具有统计意义的监测数据应服从正态分布，实际分析中的正态性假定有理论依据；（3）实际分析中应利用游程检验法验证数据的统计意义，利用概率纸与卡方检验法验证数据的正态性，从而基于理论与试验两方面确保对统计推断理论的严格应用。

近几年隧道工程向长大深、多场多相耦合方向发展，隧道在施工和运营时极易诱发结构失稳病害。针对山岭隧道、水下隧道和城市地铁隧道阐述隧道工程结构模型试验系统设计的研究现状，并指出目前存在的相关问题。结果表明：山岭隧道模型试验考虑了隧道穿越不良地质体，承受高地应力、高岩溶水压力和高地震动等荷载条件，但受装置尺寸限制，无法模拟围岩高地应力水平。山岭隧道模型试验以平面应变模型为主，缺乏大型真三维应力条件下多种错动形式的活化错动断层的模拟。水下隧道模型试验已实现稳定的高水压力加载，但仍无法实现应力场与渗流场耦合的真三维水下环境模拟且试验箱可视性较差，仅能通过洞口涌水量表征隧道的渗透水状态，无法得到围岩内部变形规律。城市地铁隧道运营时一般受列车动荷载、路面荷载、邻近施工扰动的共同影响，目前模型试验通常考虑单一荷载下隧道的振动响应，且往往忽视了管片接缝和裂隙等结构特征，需要设计新颖、高效的局部加载装置，得到管片薄弱环节的极限变形特征，保障地铁运营安全。最后，总结隧道工程模型试验遇到的瓶颈问题，提出需要研制透明相似材料改善模型内部可视化功能，针对高地应力条件下不良地质条件研制尺寸可拓展的三维静动耦合加载模型试验系统，并结合微型低功耗无线监测传感元件与三维可视化结果展示平台，建立适用于复杂环境中的隧道工程结构模型试验系统。

针对煤矿深井软岩巷道大变形灾害频发难题，以淮南矿区潘三矿软岩大变形巷道为工程背景，在系统分析围岩失稳破坏大变形原因的基础上，提出了深部软弱破碎巷道基于格栅拱架的分步联合支护技术，包括：格栅支架+一次锚杆锚索、初喷、浅孔注浆、预应力锚杆、复喷150 mm厚混凝土、深孔注浆和帮顶预应力锚索。进一步，分析了格栅拱架支护控制原理，并采用FLAC3D确定了基于格栅拱架的分步联合技术的最优支护参数。现场对比分析表明，格栅拱架支护围岩初期变形速率及最终收敛变形量均大于型钢支护，但加设二次支护之后格栅拱架位移能较快收敛，此外，格栅支护在经济和效率方面优于钢拱架支护。最后，通过现场监测，格栅拱架分步联合技术各工序的最优施工周期为：预应力锚杆、锚索合理的支护时间是注浆后10 d内，而深孔注浆之后预应力锚杆2周内较优。实践表明，基于格栅拱架的分步联合控制技术深井是软岩巷道围岩控制的一条有效途径。

为合理计算路堤荷载作用下刚性桩复合地基沉降，考虑路基填土中的土拱效应以及路堤−地基加固区竖向荷载传递的耦合特征，基于填土中内、外土柱界面摩阻力系数随深度线性发挥模式以及复合地基中桩土相对位移模式与桩侧摩阻力系数分布模式，采用微元体静力平衡原理，并考虑路堤−加固区−下卧层之间的应力连续与变形协调条件，推导出了路堤下刚性桩复合地基的桩土应力比、桩土沉降差、加固区沉降量的计算公式，定量反映了路基填高、填土及软土地基的黏聚力和内摩擦角、桩长、桩径、桩间距等多个主要因素。实例分析表明，加固区沉降量的计算值与实测值误差一般不超过15%；桩长对加固区沉降呈非线性影响；面积置换率、地基土内摩擦角与黏聚力对加固区沉降均具有线性的负相关影响特征，且沉降量受内摩擦角影响比黏聚力更敏感。

爆破根底会严重影响深孔台阶爆破效果及后续施工工序。结合台阶爆破岩体破坏特征及结构动力学理论，将多自由度体系结构动力法应用于台阶爆破的结构受力分析中，研究了岩体力学性能变化对台阶底部岩体破坏、根底形成的影响机制。结果表明：当台阶中部岩体力学性能降低50%时，岩性软弱段会弱化上部荷载对底部岩体的破坏作用，使底部岩体剪力最大削弱7.8%、弯矩减小6.6%，受力减弱使得根底形成机率增加，并且这种弱化作用随着岩体力学性能的降低而显著增大；而当台阶底部岩体力学性能增强时，可小幅度增大底部岩体的内力，但因材料强度大幅提高，岩体破坏难度增大，从而较易形成爆破根底。进一步利用岩体结构破坏准则分析了不同因素对台阶根底形成的影响机制，发现岩性分布不均及其引起的结构刚度、底部受力条件变化是导致根底形成的主要原因，通过调整起爆点高度可以减小中部岩性软弱段对底部岩体的受力影响，采取增加底部岩体受力条件及减小底部岩体结构刚度的工程措施也能增加底部岩体破坏程度，避免爆破根底的形成，相关研究成果可供类似工程参考。

收集42个基坑开挖对侧方既有隧道影响的工程案例，统计每个案例中典型地层条件、基坑和隧道规模尺寸、相对位置、结构变形及控制措施等；分析重要因素对隧道竖向和水平位移的影响，明确了隧道发生隆、沉的判别条件，给出了坑外隧道竖向位移分区；提出了隧道水平位移综合预测指标，给出了3种地层条件下隧道水平位移经验预测公式。依托某实际工程，利用得到的预测公式对侧方隧道变形进行施工前预测，并把预测结果与现场实测结果进行对比，验证了预测公式的合理性。结果表明：侧方隧道受基坑开挖影响，水平位移均指向坑内，而竖向位移为沉降或隆起，具体与隧道拱顶埋深H_t和隧道距基坑水平距离L_t有关，统计得知隧道发生隆、沉的临界拱顶埋深为H_e + R，H_e为基坑开挖深度，R为隧道直径，拱腰距基坑临界水平距离为L_t = H_e，进而结合侧方隧道竖向位移分布特征，可将坑外范围划分为沉降区、过渡区和隆起区。基坑围护结构水平位移δ_hm、基坑开挖深度H_e、隧道与基坑水平间距L_t以及基坑沿隧道纵向宽度b均是影响隧道水平位移z_hm的重要因素，ζ_hm随δ_hm和H_e的增大而呈非线性增长的趋势，ζ_hm/δ_hm随L_t的增加呈幂函数递减，ζ_hm随b的增加有增长的趋势，科学预测隧道水平位移需综合考虑这些因素的影响。采用bH_e/L_t作为隧道水平位移预测指标，发现3种地层条件下ζ_hm与bH_e/L_t存在良好的线性关系。工程实例证实，根据其建立的隧道水平变形预测公式可以取得良好的预测效果。

垂直旋喷桩施工时喷嘴向周围土体注入大量流体（水泥浆或水），使土体有显著的侧向移动。通过对单根垂直旋喷桩施工的分析，认为施工引起土体侧向位移的大小等于无限土体中圆柱孔扩张引起土体位移的大小，提出了单根垂直旋喷桩施工引起土体侧向位移的预测方法；研究分析了单根垂直旋喷桩施工对土体应力的影响，给出了施工结束时土体弹性区和塑性区交界面应力的简化计算公式；以单位桩长为研究对象，考虑了施工参数和土层参数，基于无量纲原理，提出了圆柱孔半径（确定位移的关键参数）的计算公式。将该方法应用到垂直旋喷桩工程案例进行计算，计算值与实测值的对比证明了该方法的合理性；通过该方法计算出垂直旋喷桩的施工影响范围约为成桩直径的7.5倍。

深部煤炭开采中软岩巷道围岩支护问题，尤其是软岩交岔巷道围岩稳定性长期深受关注。由交岔点变形破坏内在原因分析得出，其顶板与三角区岩柱支撑体系是交岔点失稳破坏的薄弱点。基于“等效跨度”概念并结合突变理论建立交岔点顶板−岩柱系统简化受力的尖点突变模型，获得交岔点尖点突变方程及系统失稳破坏的充要判定条件。分析了工程地质因素（埋深H、岩柱弹性模量E）、巷道交岔点结构参数（交岔角度q、巷道高度h）及支护参数a对交岔点稳定性影响。得出q、E、a与控制参数v的非线性关系存在曲率变化拐点。当q＜35º，E＜16 GPa时，控制参数v对各个因素的敏感度顺序为q＞E＞ a＞h＞H，即当围岩较软弱时交岔点稳定性受岩柱强度影响较为强烈，交岔点设计角度不宜小于35º。当q≥35º，E≥16 GPa时，敏感度顺序为h＞H＞q＞a＞E，即当岩柱强度较高时交岔点稳定性受结构参数影响较大。结合丁集矿深井软岩工程实例，采用理论分析指导交岔点设计参数优化。矿压监测数据表明，优化支护设计有效地控制了西三轨回联巷交岔点围岩变形，验证了理论推导方法的正确性。

为客观获取准确可靠的岩体质量评价结果，针对现有单个评价模型容易产生误判与偏倚现象，提出基于改进D-S(Dempster-Shafer)证据理论的岩体质量异质集成评价方法。在确定岩体质量评价标准与数据集的基础上，采用6个异质基分类器对数据集进行训练，获得初步岩体质量评价结果。将每个基分类器结果作为一条证据，经过改进D-S证据理论对各证据进行集成，形成综合评价结果，解决现有评价方法的结果非一致性问题。以30组样本构建基于改进D-S证据理论的异质集成评价模型，并运用于广州抽水蓄能电站二期工程岩体质量评价中。结果表明：基于改进D-S证据理论的异质集成评价方法提高了岩体质量等级的识别准确性和可靠性，能够避免评价过程中的主观性与不确定性，具有较高的工程实用价值。

基于颗粒流软件平台，采用图像处理技术和Monte Carlo法，生成离散裂隙网络。结合等效晶质模型进行花岗岩细观结构的数值建模，从细观角度阐述了离散裂隙网络对岩石强度与变形性质、声发射特性的影响。主要结论如下：（1）裂隙平均长度和密度影响着岩石的力学性质，岩石的单轴压缩强度、弹性模量随裂隙密度的增加而减小。（2）单轴压缩下岩石破坏时均是晶间−拉裂纹和晶内−拉裂纹为主。（3）离散裂隙网络与岩石的声发射事件密切相关。随着裂隙密度的增加，声发射b值和分形维数D值均呈下降趋势。当b值和D值急剧下降时，预示着岩石失稳破坏。（4）离散裂隙网络对声发射事件的破裂强度有一定的影响。在离散裂隙网络附近易产生破裂强度大的声发射事件。综上所述，基于离散裂隙网络和等效晶质模型联合建模获得的细观角度上岩石破裂机制和声发射现象等结论，可有效弥补现有室内试验中研究手段的不足，并对野外具有更为复杂的裂隙网络的岩体稳定性评价与工程施工提供有力支撑。

如何在地铁基坑施工过程中充分利用复杂地质和工程结构的多源异构信息，实现施工数字化建造是地铁工程建设中的一个难题。通过提出建筑信息模型（BIM）定制化思路，有效集成工程结构体和岩土体模型，建立岩土体开挖与结构体施作同步进行的基坑施工仿真模拟方法，来解决这一难题。采用工业基础类（IFC）标准，分别针对地质体和工程结构进行扩展和定义，构建基于IFC标准的基坑工程基础数据体系。在Autodesk软件平台上，研发基坑结构构件库和参数化构件建模技术，创建自定义的基坑结构建模插件。构建基于钻孔数据的三维地质建模方法，建立面向施工过程的地质模型动态剖切方法，将地质模型离散划分不同开挖阶段的三维地质块体，形成基坑分阶段施工三维地质模型。在此基础上，研究地质体与结构体融合的拓扑重构算法，构建基坑多阶段开挖一体化集成BIM模型，动态加载施工进度信息，形成基于BIM技术的地铁基坑工程施工仿真模型和模拟方法。最后，通过工程实例展示所提出的仿真模拟方法的可行性与有效性。

采用全尺试验方法，研究不同材料（陶粒、砂）填充不同类型屏障（连续型、非连续型）的隔振效果。同时，为弥补试验研究的不足，辅以数值研究。为此，在试验研究开展之前，在原场地上进行了面波多通道分析（multi channel analysis of surface waves，简称MASW）试验，以便获得场地的动力学特性，作为数值研究的基础。随后，开展试验工作以便获得场地固定点的传递函数与衰减分贝；并使用数值方法，编制程序计算加速度分量的空间分布场。综合以上两种方法后发现，隔振材料影响在低频处，两者差异不甚明显；在中频处，两者差异开始显现。陶粒的隔振表现接近空沟；在高频处，因土体的阻尼作用明显，材料影响难以表现。综上所述，陶粒的隔振效果远优于砂，整体表现接近空沟。屏障类型影响：当频率为30 Hz时，屏障的作用甚微，分量的空间分布形态以振源为圆心，呈环形分布；频率为50 Hz时，环形分布被屏障打破，其形态由环形变为椭圆形，而短边则指向波阵面方向，令一定强度的分量拒止于屏障的后区域；频率为80 Hz时，土体阻尼作用明显，以致两者差异不甚明显。综上，连续型屏障的隔振效果远优于非连续屏障。材料与屏障类型使用建议：若采用一般性的材料，考虑成本等因素，使用两者皆可；但采用高阻尼材料，考虑隔振效果等因素，则连续型屏障更优。

以EDEM软件的Hertz-Mindlin接触模型为对象，对接触半径与黏结键强度的关系及其对岩石抗拉和抗压强度的影响进行研究，提出了一种建立高压拉强度比岩石离散元模型的方法。根据接触模型的强度准则和几何准则，提出了黏结键受拉状态下的“强键”、“弱键”以及临界接触半径系数的概念，推导出了接触颗粒间法向运动和切向运动时的临界接触半径表达式。以接触半径系数a 为自变量进行了岩石单轴压缩和单轴拉伸仿真试验，结果表明：抗拉强度随a 变化呈三阶段分段线性关系，1.000 0≤a＜1.000 8区间内，曲线斜率很大；1.000 8≤ a ≤1.002 5区间内，曲线斜率较小；a＞1.002 5后，抗拉强度几乎不变化。抗压强度随a 变化呈两阶段分段线性关系，在1.000 0≤a ≤1.000 2区间内，曲线斜率很大；当a＞1.000 2后，抗压强度几乎不变化。在1.000 1≤a ≤1.000 3区间内，抗压强度和抗拉强度之比约为6.5～14.0，可以较好地拟合真实岩石的抗拉和抗压特性，从而构建出具有高压拉强度比的岩石离散元模型。

随着地下能源工程、热法地基处理和核废料处理等技术越来越多的开展，热力耦合对土体的影响已经成为当今岩土工程领域的热门研究课题之一。基于颗粒体积膨胀法，通过PFC2D模拟不同变温幅值下（20、40、60 ℃）松散颗粒（相对密实度D_r = 0.2）的循环热固结试验。在宏观角度上发现颗粒在温度循环过程中产生热固结现象，即试样随温度循环圈数的增加，其孔隙比不断累积降低。研究表明：变温幅值越大将导致长期温度循环过程中的颗粒材料越密实，且孔隙比、侧向应力和竖向应力的分布出现一定的不均匀性。与此同时，通过微观角度的分析，总结了温度循环和变温幅值对颗粒间接触数量、法向接触力和切向接触力所存在的影响，得出热固结试验中温度循环的幅值对试样的各向异性有较大的影响。

以三峡库区八字门阶跃型滑坡为例，针对静态机器学习模型在周期项位移预测中的不足以及高频随机项位移预测困难等问题，提出了一种新的滑坡位移预测方法。基于时间序列分解思想，采用粒子群算法（PSO）对变分模态分解（VMD）进行参数寻优，并将位移时间序列分解为趋势项、周期项和随机项。趋势项主要受滑坡内部因素影响，采用傅里叶曲线进行拟合预测；周期项由外部因素导致，基于格兰杰因果检验进行成因分析，并引入一种对时间序列历史状态具有较高敏感性的非线性自回归神经网络（NARX）进行预测；随机项频率较高且影响因素无法判定，采用一维门控循环单元（GRU）进行预测。最后将各分量预测位移进行叠加重构，实现滑坡累计位移的预测。结果表明，提出的（PSO-VMD）-NARX-GRU滑坡位移动态预测模型精度较高，且各位移分量预测精度明显高于静态模型中BP神经网络、支持向量机（SVM）和传统自回归模型ARIMA，可为阶跃型滑坡位移预测提供参考。

岩体内部存在大量的裂隙，由于填充物的存在，在大多数情况下裂纹面是闭合的，受外力作用时会产生摩擦力，进而会影响到岩体裂隙的起裂模式和扩展行为。因此，为了研究闭合裂纹的起裂模式和扩展行为，用类岩石材料PMMA有机玻璃板制成含有闭合裂纹的预裂试样，在试样上进行单轴压缩试验，用数字图像相关系统（digital image correlation，简称DIC）记录并分析了闭合裂纹的起裂和扩展特征。另外，使用扩展有限元法（extended finite element method，简称XFEM）来模拟闭合裂纹的萌生和扩展，通过模拟得到了含闭合裂纹试样的破坏过程，并分析了闭合裂纹的起裂和扩展特征，与试验结果吻合良好，验证了数值模拟的有效性。在此基础上，引入裂纹倾角和裂纹面摩擦系数为变量，模拟研究了其对闭合裂纹起裂和扩展行为的作用机制。研究结果表明，裂纹闭合条件下产生的裂纹为翼型张拉裂纹。裂纹倾角和裂纹面摩擦系数对闭合裂纹的起裂模式和扩展行为有较大影响，裂纹倾角越大，起裂角越大；相反，裂纹面摩擦系数越大，起裂角越小。另外，裂纹面摩擦系数会对闭合裂纹的扩展产生抑制作用，且随着摩擦系数不断增大，抑制作用变得越来越显著，出现止裂现象。

降雨条件下边坡所处的滑坡风险状态与土体参数空间分布密切相关，为高效评估降雨诱发滑坡所处的风险等级，应用Python计算平台进行编码，采用修正Green-Ampt入渗模型推导出无限长边坡（infinite slope）的极限状态函数，结合岩土参数随机场理论及一阶可靠度分析方法，得到了降雨诱发滑坡的概率分析结果，并建立了算例边坡的易损性曲线。研究结果表明：相比于传统的边坡稳定性定值分析方法，可靠度分析结果可以较为全面地反映边坡在不同降雨强度以及降雨持时条件下所处的风险状态；当降雨强度超过一定等级后，在相同的降雨持时条件下其强度大小对边坡失效概率的影响不大；在特定研究区域内，当降雨强度已知时，可以通过易损性明确边坡在容许风险等级下的失效时间，为滑坡防控领域的防灾减灾工作提供重要参考。

覆盖系统生成效率低是当前制约三维数值流形法在大型实际工程中应用的瓶颈问题。通过改进三维覆盖系统的生成算法，提出了改进的布尔交运算生成三维覆盖系统的算法，并采用C++语言编写了相应的程序。根据数学网格与物理域的拓扑几何关系，确定采用传统布尔交运算还是由数学网格直接生成流形块体，并对生成的流形块体进行三维块体有效性检查，满足要求后即可生成新的三维流形单元，进而生成所有前处理三维覆盖系统。选取两个简单算例和一个边坡工程问题来说明所提方法的可行性和计算程序的正确性，并通过对比分析说明方法的计算效率。计算结果表明，改进的布尔交运算比传统布尔交运算更高效；随着网格密度的增加，生成一个单元的平均耗时逐渐减少；随着物理域边界复杂程度增加，所提方法计算效率逐渐降低。为今后采用数值流形法进行结构分析奠定基础，具有较强的实际应用价值

滑裂面的搜索方法及安全系数的计算理论是深基坑桩锚支护结构稳定性分析理论的基础。传统圆弧滑动法在分析抗滑力矩的过程中，滑裂面法向应力的计算存在过多假设；且在通过网格搜索法确定最危险滑裂面圆心的过程中，粗糙网格的搜索结果误差较大，精细网格的搜索效率较低。基于以上问题，提出了分析基坑动态稳定性的土体强度冗余法，并采用了可提高精细网格搜索效率的自适应网格搜索法。通过算例将土体强度冗余法、滑动面应力法及圆弧滑动法的计算结果进行对比。计算结果表明，滑动面应力法高估了对滑裂面附近土体的抗剪强度，圆弧滑动法不能考虑土方开挖对桩后土体抗剪强度的削弱作用，土体强度冗余法能合理反映基坑的整体稳定性。

为探讨斜桩基础受力变形分析的理论计算方法，首先，在现有斜桩研究的基础上总结斜桩承载机制及其受力变形特性；提出斜桩简化力学模型，并假定桩顶倾斜荷载沿桩体轴向及其垂直方向分解，进而提出地基反力确定方法并推导其控制微分方程；其次，对传统有限杆单元进行改进，以考虑二阶效应及桩−土相互作用的影响，并以MATLAB为平台编制求解程序用于斜桩基础受力变形分析；最后，引入模型试验与现场试验，通过对比理论计算结果与试验实测值，验证改进有限杆单元方法用于斜桩受力变形分析的可行性，总结出一些规律性的结论。以上分析可为斜桩工程设计提供参考，具有一定的理论及工程价值。

在一定荷载条件下，岩土体内部软弱结构形态特征及其变形破坏方式对岩土工程边坡失稳等具有重要的意义，而岩土体内部软弱结构面及其形态特征的可视化分析往往缺乏有效的现场测试手段。基于此，提出一种基于多频超声成像特征的软弱结构面可视化分析方法。该方法通过使用多个频率的超声波来获取对应条件下不同角度、不同频率下岩土体内部软弱结构组织的超声扫描图像，统计分析其反射衰减特征以及差值图像的渐变特征，并据此建立软弱结构面定性定量分析方法，从而实现岩土体内部软弱结构的可视化分析。该方法实现了对岩土体内部软弱结构的实时成像探测和可视化监测，解决了现有技术中无法实现对岩土体内部软弱结构的原位成像探测和精细化分析的问题，为岩土工程和地质勘察中有关软弱结构诱发岩土体失稳机制的研究提供了一种新的技术手段和研究思路。

针对变电站变形监测技术现状的不足，选取昭通某220 kV变电站开展强电磁条件下变形监测技术应用研究。现场监测分别采用北斗卫星定位技术、激光测距技术、倾角计、雨量计进行。取得研究成果如下：（1）强电磁干扰已对全球导航卫星系统（GNSS）的监测精度产生严重影响，若不能有效降低电磁干扰影响，GNSS位移监测的结果将不能直接用于变电站基础变形监测分析。（2）基于变电站电磁场强度探测，提出一种强电磁场环境下提高变电站GNSS沉降监测精度的监测点位设计及实施方法，将使用电子元器件的监测点布置在电磁场强度相对较弱的部位，以减小电磁场干扰及监测误差。（3）首次将低成本高精度的激光测距技术引入变电站水平位移监测中，并成功实施。项目研究成果为山区软基变电站变形监测增加了新的技术手段，可提升变电站工程质量和管理水平。