定向钻技术起源于石油钻井工业，经多年发展已拓展至隧道工程地质勘察及灾害处置、煤矿底板含水层改造、蓄能电站抽水通道施工、市政管道铺设等多个领域。地面注浆技术结合定向钻长距离精准穿越的优势，可实现地下工程不良地质高效预加固与灾害安全处置，具有广阔的应用前景。系统综述了定向钻注装备技术的发展历程、研究现状和待突破关键技术。首先，介绍了定向钻与地面注浆技术的发展历程；其次从重大科研项目、学术论文、授权专利以及工程实践等方面进行了分析与总结。结果表明：我国现阶段定向钻注技术总体已达到自主化、实用化的国际先进水平，但在千米级长距离快速钻进、复杂地质条件精准导向、地下工程精准注浆处置等核心技术方面仍存在“卡脖子”难题。面向战略性重大工程建设需求，提出了超长距离定向钻注一体化装备“预报、钻进、注浆、检测”四大功能模块，围绕随钻感知预报、快速钻进与卡钻预测、精准导向技术、远距离凝胶可控注浆材料、稳压控制分段注浆工艺、随钻检测系统六方面，开展了分析与讨论，可为我国定向钻注一体化装备技术发展和地下工程灾害防控提供参考。 关 键 词：地下工程；定向钻；地面注浆；钻注一体化装备；注浆技术

针对粗粒料的应变软化、剪胀等力学特性，通过考虑以剪切带为标志的应变局部化现象，建立了具有广泛适用性的剪切损伤力学模型。损伤模型采用了包体理论中的剪切带数学简化，基于应变等价原理、Weibull分布，推导了粗粒料的应力−应变关系方程。从剪胀作用的机制出发，提出可以描述剪胀弱化的轴向塑性应变和体积塑性应变的非线性函数关系。结合粗粒料三轴压缩试验中的伺服过程，提出了基于遗传算法的损伤模型参数确定方法。通过开展不同围压下的粗粒料三轴压缩试验，对剪切损伤力学模型进行验证，进一步分析了参数演化对粗粒料强度和变形特征的影响。研究结果表明，考虑应变局部化特征的剪切损伤力学模型可以高精度的模拟粗粒料的应变软化和剪胀等特征，有效揭示剪切带内部变形对试样整体宏观变形的影响机制，模型中剪切带参数和围压的关系与粗粒料细观机制一致，计算得到强度组成与颗粒破碎、重组特征较为吻合。

高黏尾砂固化处理是其资源化利用的重要手段之一。以高黏铁尾砂为对象，开展了高钙地聚物固化尾砂的强度特性试验，分析了玄武岩纤维掺量和干湿循环对固化体强度的影响。围绕固化体的微观胶结行为、无侧限抗压强度、干湿侵蚀响应参数（强度、质量损失、电化学指标）展开讨论，试验发现：（1）纤维加筋增大了强度，0.5%为最优掺量（强度提升29.1%），相当于降低约2%的固化剂用量；（2）纤维−水化产物−尾砂以胶结和摩擦咬合作用相结合，适量纤维导致颗粒间产生微细孔隙，微孔隙的存在增加了持水能力；（3）干湿循环破坏胶结作用，6级循环后达到稳定，纤维对提升固化体抗干湿性不显著。以上成果为弄清固化尾砂强度演化机制及耐久性提供了理论支撑和方法借鉴。

矿山工程地质中往往存在断层和采空区，微震信号传播经过断层和采空区时，其传播规律必然会发生改变，因此研究特殊地质结构微震信号传播规律具有重要意义。基于惠更斯原理，考虑不同层状岩体中微震波传播速度不同，建立了非均匀介质条件下微震波的波面方程，进而获得波面半径与入射角之间的关系。结合室内相似材料模型实验，验证了波面方程的适用性，同时总结了断层、采空区对微震信号传播的影响特征。研究结果表明：微震信号穿过断层的用时更长，断层的存在导致信号的能量（最大振速）发生较大幅度的衰减；微震信号穿过断层后会以原来的速度继续传播，信号能量的衰减并不会使微震信号的传播速度发生衰减；微震波穿过断层时的入射角越大，穿过断层的用时越长，信号的能量衰减越多；采空区的存在导致微震信号的传播速度发生衰减，震源与监测点之间的距离越近，采空区对微震信号相对传播速度的影响越大。

海平面上升导致的地下水入侵沿海地区的建筑地基造成显著风险。提出了一个考虑地下水侵入导致土壤强度退化的沿海建筑地基韧性模型。该模型由地基的性能函数在服役期内的积分得到。考虑条形基础的韧性，其极限承载力由Terzaghi公式描述。韧性模型考虑气候变化背景下地下水位的上升对土壤强度的影响。通过一个算例，展示了所提出的韧性模型的适用性。结果表明，如果不考虑气候变化影响下地下水位的上升，则会得到不保守的结构韧性评估结果。结构全寿命周期内的韧性也取决于所采用的维护措施（即，修复受损的结构性能）。未来的研究中，还应考虑其他因素（如锈蚀）对沿海建筑地基性能退化的联合影响。

通过开展含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验，并利用高速摄像系统和声发射（acoustic emission，简称AE）系统监测岩爆过程，探究了不同产状裂隙岩石的破坏模式、强度变形和声发射演化特性，分析了裂隙产状与岩爆过程及弹射动能之间的关系，对比了含裂隙岩石岩爆发生机制与无裂隙完整岩石的差异。有关力学特性的分析表明，随着裂隙倾角的减小，岩样破坏模式大体呈现由“内剪外劈”向“Z型斜剪”变化的趋势，裂隙对岩石强度的削弱作用不断增大。当裂隙倾角小于30°时，岩石峰值应力普遍仅为完整岩样的一半左右；小倾角裂隙的长度越大，岩样岩板劈裂现象变得显著，形成岩爆坑略微变大，且强度折减幅度越大，峰值轴向应变相应变小；裂隙位置向临空面靠近会加剧岩板的劈裂效应，塑性阶段普遍会产生较大变形并萌生大量裂纹，当裂隙已出露且切断临空面将不易形成岩爆坑。有关岩爆过程及弹射动能的分析表明，随着裂隙倾角的减小，岩样弹射动能呈现先显著降低后小幅回升的变化规律，30°倾角为转变拐点；岩样内部裂隙距临空面越近，裂隙岩样的弹射动能越小；树脂填充裂隙使得岩样弹射动能极大提升，而水泥填充的则无明显提升。有关声发射特征的分析表明，裂隙长度越长，裂隙倾角越小，“平静期”相对岩爆过程的时间占比越大，峰后阶段岩爆瞬间的绝对能量占比越小；若裂隙位置靠近临空面，普遍会形成两个“平静期”，AE绝对能量演化曲线也会额外多一次突增；随着裂隙倾角的增大，裂隙岩样b值初期波动阶段的持续时间变长，下降阶段的速率变大，最小b值点与岩爆时刻越相近。大体看来，含裂隙岩石的应变型岩爆发生机制与无裂隙完整岩石是有区别的，其岩爆发生机制主要有剪切破裂型和张拉板裂型两大类。研究成果为裂隙岩石的岩爆灾害发生机制分析、利用声发射手段预警提供了科学依据。

盾构机在沿曲线掘进或轴线纠偏过程中，盾尾非对称推力会在管片端部产生附加弯矩，从而引起隧道发生纵向变形。现有解析方法多是将盾构隧道简化为等效连续梁，不能考虑隧道管片环间接头的弱化。首先，建立一种能够同时考虑环间张开和剪切错台的简化纵向梁−弹簧盾构隧道模型（simplified longitudinal beam-spring shield tunnel model，简称SLBSM）；其次，将在建隧道简化为Winkler地基上的SLBSM，采用状态空间法推导了非对称推力作用下盾构隧道纵向变形解析解答。通过与既有文献有限元及现有两种连续梁模型计算结果进行对比，验证了所提方法的可靠性和适用性，并对部分参数进行敏感性分析。研究结果表明：连续梁模型计算得到的隧道纵向位移表现为连续特征，而所提方法得到的隧道纵向位移表现为非连续特征，隧道纵向位移在接头处会发生突变；通过参数分析可知：增大接头转动刚度可有效降低隧道隆起和环间张开量；增大接头剪切刚度可有效降低环间错台量，但会导致隧道隆起和剪力的增加；增大地基刚度能显著降低隧道环间张开量和隆起，但会导致环间错台量的增加；管片始端轴力对隧道纵向变形的影响不可忽略，增大始端轴力能显著降低隧道隆起值、环间张开量和错台量。

采用层状硅酸镁锂（magnesium lithium phyllosilicate，简称 MLPS）透明土构建了上硬下软的双层地基模型，通过针孔注气来模拟沉积层中产生的气源，基于图像识别技术开展了地层气体聚集过程中气囊形态变化以及上层土体隆起变形的试验研究。结果表明：（1）气体在聚集过程中呈现出不同的气囊形态，上层土体的强度和高度决定了气囊突破的时间以及突破时的形态。（2）气囊形态、体积和压力的变化大致可分为两个阶段，第一阶段气囊体积、宽度基本呈线性增大，而气囊高度则由于底部收缩而逐渐减小，气压缓慢增大；第二阶段气囊宽度增加放慢，气囊体积膨胀速度加快，而气囊高度开始显著增加，气囊气压由最高点迅速降低。上层土体隆起的高度和宽度在第二阶段才开始明显增大。（3）气囊突破前的宽度、体积以及上层土体隆起宽度和高度与上层透明土的屈服强度、高度具有良好的拟合关系。（4）薄板理论可较合理地解释气体聚集引起的上层土体变形的机制，而中厚板理论则并不适用。

基于现有结构面剪切力学特性研究中对简单几何形态结构面研究多，天然形态结构面研究少，力学性质演化研究多，几何形态演化研究少的研究现状，通过巴西劈裂试验制备近天然形态岩石结构面，并采用模拟材料批量复制劈裂结构面试样的方法，开展循环荷载作用下岩石劈裂结构面的剪切力学特性演化规律与影响因素研究，分析法向应力、循环剪切次数、岩壁强度以及结构面粗糙度对循环剪切作用下岩体结构面力学特性和形貌特征的影响。最终通过在黏着摩擦理论-Barton经验公式中引入与循环剪切次数Nd有关的负指数假定劣化参数，提出了岩体结构面循环剪切强度公式。研究结果表明：法向应力、岩壁强度、结构面粗糙度越大，结构面的最大剪应力越大；法向应力、循环剪切次数、结构面粗糙度越大，岩壁强度越小，则归一化粗糙度参数越小。提出的循环剪切强度公式较好地验证了试验结果，可为工程安全设计提供理论参考。

沟谷地形下高填方涵洞土压力分布规律较为复杂，不同沟谷地形下涵周土压力分布规律与上埋式涵洞差异显著。为探明沟谷地形对高填方拱涵涵周土压力的影响，采用离心模型试验与数值模拟方法，建立了地形−涵洞−填土的相互作用模型，分析了不同沟谷宽度B、沟谷坡度 a 下的拱涵涵周土压力及涵顶土压集中系数K_s的分布规律，并与最新涵洞设计规范进行了对比，阐述了沟谷地形下高填方拱涵土压力形成机制。研究表明：（1）沟谷宽度B对涵顶土压力集中系数K_s影响显著，沟谷宽度B为4D～6D，D为拱涵的净跨径，涵顶土压力集中系数K_s增幅较大；（2）沟谷宽度B小于4D时，可发挥沟谷地形对涵洞的减载作用；（3）沟谷坡度a 在45°～60°时，涵顶土压力及其K_s变化最显著；（4）填土高度为20 m，a ＞70°时，K_s ≤1。填土高度为40 m，a ＞50°时，K_s ≤1；（5）我国最新涵洞设计规范推荐的K_s与离心模型试验、数值模拟规律存在一定差异，当a =45°时，沟谷宽度 B 较小时，规范的涵顶土压力集中系数 K_s 较为保守；（6）沟谷地形下高填方拱涵 K_s 与拱顶压密区、等压面的形成有关。拱顶压密区可引起拱涵涵顶土压力集中，并引起压密区周边土体的竖向土压力呈拱形分布。在接近地表一定深度处，拱形分布逐渐向水平分布过渡，从而形成等压面。等压面上部荷载将分散于沟谷坡体，故可发挥沟谷地形的卸荷效应。

基于地下岩体工程开挖扰动的实际情况，开展考虑持续开挖效应，充分反映岩体结构面应力调整过程的结构面剪切试验更具理论意义和工程应用价值。采用人工劈裂方法制备岩体结构面，开展了常规应力路径和持续开挖效应下的结构面剪切试验，系统研究了两种条件下结构面剪切力学性质、声发射特征和能量的演化规律。研究结果表明：开挖扰动荷载强度越大，结构面发生剪切破坏时的剪应力降整体上越大，但持续开挖效应下的剪应力降最大值仅为常规应力路径下剪应力降的48.57%；考虑持续开挖效应的结构面剪切过程中声发射活动主要集中于结构面受剪破坏和剪应力降产生时，且声发射活动强度与开挖扰动强度正相关，声发射振铃计数变化率极值明显小于常规应力路径下的相应值；持续开挖效应下试样裂纹发育密集度、结构面磨损区域及破坏程度均随开挖扰动强度增加而增加，但试样裂纹发育的密集程度和结构面破坏程度相对常规应力路径下的情况轻；考虑持续开挖效应的结构面发生剪切破坏时弹性应变能随扰动荷载增大而增大，均低于常规应力路径条件下的弹性应变能值，持续开挖效应降低了结构面剪切破坏的强度，但更易引发结构面发生剪切破坏。

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化规律，利用自主研发的含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统对含瓦斯煤开展冲击压缩试验，结合CT 扫描系统分析了含瓦斯煤内部裂隙的扩展演化规律，并基于不同初始瓦斯压力下冲击煤样内部裂隙率增量定量表征了其细观损伤程度，探讨了冲击荷载作用下含瓦斯煤宏观力学参量劣化规律。研究结果表明： （1）冲击荷载作用下含瓦斯煤动态应力−应变曲线无明显压密阶段，分为线弹性阶段、塑性硬化阶段和破坏阶段，并发现随初始瓦斯压力升高，冲击煤样峰值强度、峰值应变和弹性模量均出现弱化现象；（2）瓦斯加剧了煤体内部裂隙的扩展和贯通，并根据CT扫描结果发现，含瓦斯煤冲击破坏模式主要以劈裂和层裂破坏为主，随初始瓦斯压力升高，两种破坏模式越显著，煤体内部裂隙数量及其损伤程度逐渐增大，空间裂隙网络更为复杂；（3）基于细观层面定义了损伤变量，得其值随初始瓦斯压力升高呈现二次函数上升，对比冲击载荷作用下煤体动态强度与以裂隙率增量定义损伤程度所得理论强度，验证了细观层面煤体裂隙率增量定义损伤变量的合理性，建立了含瓦斯煤细观劣化与宏观参量损失的内在联系。研究成果丰富了含瓦斯煤动力学基础理论，为矿井煤岩瓦斯复合动力灾害的防治提供了理论参考。

非连续面发育是非常规油气储层的显著地质特征之一，水力裂缝能否穿越非连续面扩展会关系到压裂的改造效果。为研究水力裂缝穿越非连续面扩展时断裂过程区（fracture process zone，简称FPZ）发育特征，采用自主设计的可视化压裂试验装置对含预制摩擦界面的砂岩平板试件开展水力压裂试验。基于数字图像相关法实时监测了水力裂缝正交穿越界面扩展过程中的位移及应变场特征。试验结果表明，水力裂缝穿越界面扩展之前，断裂过程区已经开始跨越界面发育；裂缝能否穿越界面扩展在FPZ的初始发育阶段已经注定，不受FPZ内应力软化过程影响。基于Renshaw-Pollard准则建立了考虑FPZ边界范围的裂缝穿越非连续面扩展准则，并通过前人及文中试验数据进行了可靠性验证。相比而言，改进准则更准确地考虑了裂缝前端线弹性断裂力学的适用范围。研究发现FPZ长宽比对裂缝穿越界面扩展准则有显著影响，相同条件下，FPZ长宽比越大，裂缝正交穿越界面扩展所需要的摩擦系数下限值越小。

通过振动及单轴压缩试验，研究了受振动荷载扰动裂隙性黄土的单轴压缩力学行为。结果表明：裂隙性黄土的单轴压缩破坏模式表现为压裂破坏、滑移破坏、滑移−压裂复合破坏以及压剪破坏4 种类型；振动扰动对单轴压缩条件下裂隙性黄土的破坏模式无显著影响，其破坏模式主要由初始裂隙的倾角控制。振动幅值和频率对裂隙性黄土应力−应变曲线的类型及特征无显著影响，不同振动参数条件下试样的应力−应变曲线均表现为应变软化型，且45°倾角试样的应力−应变曲线呈现出第二峰值强度高于第一峰值强度的“双峰”变化特征。单轴抗压强度随振动幅值和频率的增大均呈现出近似线性减小的变化规律；不同振动参数条件下试样单轴抗压强度随裂隙倾角增大近似呈现出 “双V” 变化特征。构建了受振动荷载扰动裂隙性黄土的二元介质本构模型，可较好预测其单轴压缩过程的应力−应变关系及单轴抗压强度。

竖井排水固结法中井阻随时空演变（即由淤堵和弯折所引起的竖井排水能力下降）的现象已引起广泛关注，且变井阻对竖井地基固结速率的影响不容忽略。但目前能同时考虑变荷载及井阻随时间和空间变化的固结解析解还鲜有报道。考虑井阻随时空演变过程，引入实际中广泛采用的单级或多级加载模式，建立了竖井地基固结模型，并应用分离变量法获得固结模型的解析解答。通过与已有的解析解、有限差分解及工程实测值进行对比分析，充分验证了该模型的正确性。通过大量的计算，分析变井阻参数对竖井地基固结性状的影响。结果表明：竖井地基固结速率随竖井最终排水能力的增大而加快，随深度井阻参数及时间井阻参数的增大而减缓，且时间井阻参数的影响更为显著。

为预测非饱和冻土的导热性能，基于土体微观结构，提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法，并将该算法与传统有限单元法组合，建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像，采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率；改进传统的四参数随机增长法，提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法；基于生成的非饱和冻土模型，通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数，并与规范中冻土导热系数进行对比，验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差<4%）；通过多因素分析研究孔隙率、颗粒大小、土体导热性、饱和度以及结冰率对非饱和冻土导热性影响，各因素与导热系数的相关系数依次为：−0.352、−0.098、0.641、0.520和0.060，影响大小为：土颗粒导热性>饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。

天然结构性土体容易受到各类施工扰动，导致土体物理力学性质改变，进而影响工程稳定、变形以及邻近环境。针对宁波两种典型土体，分别对原状土和轻、重扰动土以及重塑土开展了三轴试验及一维压缩试验，分析了扰动度对小应变硬化模型（HS-small model，简称HSS模型）主要参数的影响规律，并将其应用于宁波某基坑工程，利用Plaxis3D分析了考虑周边土体扰动影响的坑后土体水平位移变化。研究结果表明，扰动会使土体的强度及刚度参数降低。对于淤泥质黏土，轻扰动试样的参考切线模量E^ref_oed、参考割线模量E^ref₅₀及参考加卸载模量E^ref_ur值分别降低14%、10%、2%，重扰动试样三参数分别降低43%、14%、15%，粉质黏土三参数也呈现相似降低趋势。在考虑土体扰动影响的情况下，基坑周边两个测斜孔的最大水平位移值分别增大13%、15%，更加接近实测值。研究结果可为小应变硬化模型的参数取值以及考虑扰动影响的基坑工程分析计算提供指导。

基于弹性波在非饱和多孔介质与单相弹性介质中的传播理论，考虑在非饱和土地基中设置一定厚度的复合多层波阻板（复合多层波阻板以3层为例），利用 Helmholtz 矢量分解定理，推导了非饱和土地基中 S 波通过复合多层波阻板的透射、反射振幅比的解析解。通过数值算例，分析了层间波阻板剪切模量和密度等物理力学参数对非饱和土地基中 S 波通过复合多层波阻板时传播特性的影响规律。结果表明：复合多层波阻板中层间波阻板材料的剪切模量和密度对透反射系数影响显著。复合多层波阻板是一种有效的隔振屏障，严格控制层间波阻板的剪切模量和密度可以获得最佳隔振效果，这为复合多层波阻板在地基振动控制领域中的应用提供理论指导。

随着当前海上风电装机容量逐渐增加，超大直径钢管桩基础得到了广泛应用。桩径的增加改变了桩−土相互作用模式，现行规范中钢管桩内侧摩阻力计算方法的适用性有待商榷。通过离心模型试验，采用双壁板桩和管桩模型揭示了黏土中有限范围土压力与不同桩径的内侧摩阻力发挥规律；采用有限元数值分析方法，开展了内侧摩阻力发挥规律的影响因素分析，建立了钢管桩内侧摩阻力计算方法，并与离心机试验结果进行了对比验证。结果表明：随着桩径增大，桩内壁土压力增大，内侧摩阻力也随之增大，并沿桩深呈指数型分布，其发挥范围为距桩端5倍桩径以内；提出的钢管桩内壁侧摩阻力计算方法与离心机试验结果吻合良好。

降雨诱发的黄土边坡失稳非常普遍。建立黄土边坡渗流场计算模型，基于非饱和土渗流控制方程。采用VG函数和Gardner函数分别描述土-水特征曲线和渗透系数曲线，利用行波约化和级数展开法推导降雨入渗解析解。利用数值反演法将模型试验数据对土-水参数拟合，证明了该解析解的有效性。对比分析试验值与解析解在不同工况下体积含水率分布规律，分析结果表明：边坡试验模型中的浅层测点体积含水率试验值与解析解较为接近，试验值在浸润锋下移的过程中所达到的体积含水率峰值相比解析解较小；边坡试验模型中的深层测点体积含水率试验值与解析解在前期存在一定误差，深层测点体积含水率解析解在初期增长速度相较于试验值较快，主要原因是较深土层浸润锋的滞后性。

为研究冻土/岩内液相吸力和固相冰压在冻结过程中的作用机制，首先根据热力学基本原理，统一了不同边界条件下的理论冰压方程；然后，联立广义Clapeyron方程和 Gibbs-Thomson 方程，在阐释液相吸力和固相冰压物理意义基础上，给出了弯曲界面液相水的冻结温度方程；最后，将冻结温度方程引入冻结毛细管模型，将液相吸力方程代入达西定律，分别对固相冰压和液相吸力作用机制进行验证。研究表明：（1）平衡状态下的理论冰压仅与温度线性相关，与边界条件无关；（2）液相吸力来源于理论吸力与固相冰压抵消因子之差，为水分迁移统一驱动力，当固相冰压趋近于理论冰压时，液相吸力趋近于0；（3）固相冰压为绝对压力，可抵消液相吸力，而液相吸力为相对吸力，不可抵消固相冰压；（4）孔隙内的总压力仅为固相冰压，在毛细管冻结时，可达到平衡状态下的理论冰压，故遵循冰压法分凝冰形成机制。研究结果揭示了冻土/岩的液相吸力与固相冰压作用机制，对完善现有冻胀理论具有较高的理论价值和科学意义。

确定填埋场注气过程中气体压力分布特征可为好氧通风工程提供关键技术和理论支撑。以现场单井注气试验为依托，在渗流力学理论的基础上，开展了不同注气强度条件下气体压力分布监测试验，分析了注气过程中气体压力的径向分布特征，推导了注气条件下垃圾土体内部以解析解形式表达的气体压力预测（analytical gas pressure prediction，简称AGPP）模型；结合现场气体压力监测结果，构建了以注气井压力为核心参数的经验公式形式的气体压力预测（empirical gas pressure prediction，简称EGPP）模型。试验结果表明：低压注气强度也可以达到良好的注气效果，在较短时间内可以让气体充满注气井周围；通过现场监测数据与AGPP模型、EGPP模型的对比，初步验证了两种模型的可靠性。以上成果为预测和评估好氧通风过程中垃圾填埋场气体压力分布提供了新方法。

为了研究靖远大厚度黄土在浸水条件下的水分入渗规律和自重湿陷变形特征，在中兰铁路沿线的靖远北站黄土自重湿陷场地进行了不打注水孔的现场浸水试验，监测并分析了地表及地下湿陷变形、试坑周围裂缝、含水率和土中竖向应力变化情况，对水分扩散规律、自重湿陷特性和土中竖向应力变化规律进行了研究，并对地区修正系数β₀值和浸润角进行了探讨。结果表明：体积含水率变化分为浸水稳定（2个）、快速增加（1个）和缓慢增加（1个）共4个阶段；浸水过程中，水分在21 m处竖向入渗加快、径向扩散减缓，湿润峰最终形态呈现为椭圆状。根据探井和钻孔含水率测试结果，推算出浸润角最大为41°。该场地黄土自重湿陷过程历经剧烈湿陷、缓慢湿陷和固结稳定3个阶段。试验结束时共计发展了13圈环状裂缝，裂缝最远处距试坑边缘26 m。根据室内试验和现场测试结果，建议地区修正系数沿土层深度进行修正，0～10 m内β₀值取1.05，10～27 m内β₀值取0.95。在地表至21 m深度范围内，地基土浸水饱和且湿陷充分，土中竖向应力沿深度呈线性增加，土中竖向应力接近饱和自重应力，21 m以下的地基土未能充分湿陷，土中竖向应力逐渐减小。该研究成果可应用于中兰铁路后期的建设，并为该地区其他工程建设提供参考。

历史地震液化调查数据是液化判别方法构建、改进以及验证的重要基础，也是检验现有液化认识和理论的主要标准。通过吸收我国集集、巴楚和松原等地震液化数据，将基于标准贯入试验（standard penetration test，简称SPT）锤击数的液化数据量库从121个增至465个。采用该液化数据库，对比研究了我国建筑抗震设计规范液化判别方法（简称建规法）、2个双曲线模型以及循环剪应力比CSR简化方法等4种基于SPT液化判别方法的可靠性。结果显示：2个双曲线模型能够很好地判别液化和非液化数据，成功率超过85%，对液化数据和非液化数据的判别成功率保持均衡；建规法以及CSR简化方法判别结果存在不足；地震烈度为7度区液化数据和非液化数据混合情况较多，不同液化判别公式判别效果均不够理想，而对8度区和9度区液化数据，4种方法判别成功率较高；与以往液化概率判别公式对比，基于CSR计算方法，采用新液化数据给出的液化风险评估概率判别公式虽然采用数据量不同，但公式预测临界线匹配良好；建规法存在明显不足，对饱和砂层埋深大于10 m的深层土液化判别结果过于保守。研究成果可为改进我国规范中液化判别方法提供参考。

巷旁切顶打断了巷道与采场下位顶板的连续性，促进了采场顶板垮落形成碎石帮，深入研究切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制具有重要意义。对采场支架载荷进行了分析，并对上覆岩层建立了力学建模，明确了上覆岩层运动与典型位置采场支架载荷特征的关系。在此基础上，针对6个巷旁切顶的工作面，给出了典型位置支架的载荷数据，从而分析得到巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制。同时，建立了数值模型，分析了不同的切顶起始位置和下位顶板强度对下位岩层垮落特征的影响。结果表明，121工法的“垮落线”具有对称的弧形边界，110工法的“垮落线”在切顶侧向工作面充分移动，N00工法介于上述两者之间。此外，不同切顶起始位置和顶板强度条件下，切顶的作用效果存在差异。研究结果有利于进一步深化巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征影响的认识。

软硬相接岩层在长时间跨度内的蠕变变形可能极为不协调，这对开挖工程安全稳定造成严重威胁。对某水电站引水隧洞同一开挖断面内砂质泥岩和泥质砂岩两种软硬相差较大的岩石进行卸荷条件下的蠕变试验和数值模拟，结果表明：在卸围压条件下，试样侧向蠕变变形较轴向发展更为迅速，呈现出显著的侧向扩容；初始围压水平较高时，试样卸荷蠕变破坏的侧向扩容效应更加显著；泥质砂岩在稳态蠕变阶段变形速率比砂质泥岩更慢，蠕变破坏时的应变值均比砂质泥岩蠕变破坏时的应变值要小，征兆性更弱。基于Burgers模型，引入损伤变量，建立带损伤的蠕变本构模型，模型曲线较好地描述了岩石破坏偏应力水平之前的线性蠕变特征和破坏偏应力水平下的非线性加速蠕变特征；软硬相接岩层蠕变数值模拟表明，蠕变变形初期，软硬相接点变形差别幅度不大，随着时间增长，在交接面处发生层间错动，对围岩整体稳定十分不利，工程实践中应予以足够关注。

路基冻胀问题严重影响寒区高速铁路的安全服役，而成冰相变过程是解释冻胀机制的关键。基于介观尺度的格子Boltzmann方法，将修正的孔隙水冻结温度算法与焓法固液相变格子Boltzmann模型相结合，模拟了悬浮液滴冻结和冻土孔隙水成冰两个过程，分别揭示了液态水在自由状态和孔隙束缚状态下冰水相变的细观机制。计算结果表明：土体孔隙中冰晶由中心向外生长的过程与悬浮在空气中的液滴冻结过程截然不同，并且孔隙水越接近颗粒表面，其冻结温度越低。相同粒径颗粒按照不同排列方式得到的冻结特征曲线（soil freezing characteristic curves，简称SFCC）具有明显差异；不同粒径的SFCC随着颗粒增大残余水含量逐渐变少，形态更加陡峭。通过与文献试验结果对比，验证了格子Boltzmann方法的有效性，表明该方法能够为研究多孔介质水气迁移与相变过程提供介观尺度的新手段。