岩体灾害发生的本质是能量驱动下的一种失稳现象，受开挖卸荷扰动影响导致的岩体结构破裂失稳是诱发采场突水等动力灾害的主要原因之一。为探究开挖卸荷过程对岩体结构破裂的影响，明晰围岩劣化损伤规律及突水等动力灾害孕育机制，针对应力-渗流耦合因素影响下岩石损伤特性及能量演化规律研究较少的特点，采用Rock Top多场耦合试验仪，在应力-渗流耦合作用下对砂岩开展了常规三轴（C组）、不同初始损伤程度常规卸围压（W组）及循环加卸围压（X组）3种应力路径下的岩石损伤特性及能量演化规律试验研究。试验结果表明：岩石能量演化规律与应力-应变曲线具有明显相关性，基于岩石弹性应变能演化特征，将常规三轴压缩（C组）下岩石应力-应变曲线分为5个阶段，并对每个阶段U₁、U₃、U_e、U_d及渗透率变化特点进行了详细阐释（U_e为弹性应变能，U_d为耗散能，U₁为轴向应力对岩石做正功转化的岩石应变能，U₃为做负功所释放的应变能）；常规卸围压过程中，U₁、U₃演化规律与C组岩石基本一致，但U₃负增长更为显著，岩石输入能逐渐从以U_e为主导转变为以U_d为主导，初始损伤程度对该规律无明显影响，卸围压过程中渗透率呈波动上升趋势，围压与渗透率呈负相关；循环加卸围压过程中，各能量演化规律与W组岩石基本一致，仅因时间效应而导致能量积累量存有差异。整体来看，无论何种应力路径，峰前阶段岩石均以U_e为主导，以能量存储为主，峰后阶段则以能量释放及耗散为主，轴向应力加载是U_e得以快速积累的主要影响因素，围压改变不足以引起U_e发生较大变化，轴向载荷作用为工程致灾的主要影响因素。此外，岩石损伤变量与围压存在明显负相关，围压越大，岩石U_e释放比例越小，岩石损伤越小，围压束缚作用可有效提高岩石储能能力并抑制岩石能量的耗散与释放。

为实现内陆干盐湖区盐岩集料基层级配组成的科学设计，以罗布泊盐岩为研究对象，分析了不同粒径及含卤水率条件下单粒组盐岩集料颗粒破碎演化特征，构建了复杂粒组下盐岩集料级配转移模型，提出了盐岩集料基层级配组成设计方法，验证了盐岩集料基层级配组成设计方法的合理性，并对比了不同级配组成及失水率下盐岩集料的工程性质。结果表明：击实作用下各粒组盐岩集料均发生颗粒破碎，随着击实能量增加，盐岩集料级配趋于稳定，卤水的赋存会降低单粒组盐岩颗粒破碎率。Weibull分布可有效表征盐岩集料破碎颗粒级配分布特征。推荐的盐岩集料基层级配组成设计方法可有效推演盐岩集料基层的级配演化特征并实现考虑卤水影响的级配修正。盐岩集料颗粒间卤水盐分结晶有利于盐岩集料基层强度形成，失水率为75%的盐岩集料无侧限抗压强度可达到4.1 MPa，盐岩集料可用于干盐湖区公路基层填筑工程。

由于孔隙分布曲线的复杂性，在非饱和过程中黏土的孔隙结构变化规律尚不明晰，这导致基于孔隙分布模型计算土-水特征曲线存在较大的误差。针对这一问题，基于干缩试验与压汞试验，对单孔与双孔结构重塑黏土在脱湿过程中孔隙分布曲线的变化规律进行了定量分析。研究表明：在脱湿过程中孔隙分布曲线存在平移、缩放等变换。构建了t分布和双t分布函数，提取了孔隙分布曲线的自由度、峰值、峰值对应的孔隙直径作为特征参数来表征孔隙分布变化规律，发现了特征参数和土样孔隙比之间存在较好的线性关系。基于试验结果，建立了含水率-孔隙比-孔隙分布曲线关系，提出了一个考虑孔隙结构变化的重塑黏土土-水特征曲线计算框架。最后，与试验测得的土-水特征曲线进行比较，验证了所提出的计算方法的准确性。

盾构隧道施工产生的废弃土面临堆放、运输及处理等难题，将原材料丰富、生产耗能少、环境友好的MgO用于废弃土固化处理是一个值得探索的方法。通过改变MgO掺量am、养护龄期T、碳化时间H研究MgO固化-碳化淤泥质废弃黏土界限含水率w、无侧限抗压强度q_u、弹性模量E₅₀，结合微观形貌及矿物成分变化规律探讨其固化-碳化机制。结果表明：MgO固化-碳化具有明显的加固土体效果，加固效果随am、T呈先上升后趋于稳定的趋势，随H呈先上升后下降的趋势；不同am、T下，碳化4 h会使土体塑性指数IP降低57%以上，土体可塑性显著下降；不同am和T的固化-碳化土q_u均在H为4 h时取得峰值，最高可达1.4 MPa，比碳化前强度提升了220%～350%；固化-碳化反应对土体的E₅₀提升受am影响较大，当am超过9%时，碳化4 h试样的E₅₀增幅在500%左右；MgO固化-碳化过程中水化产物、碳化产物不断生成和发育，形成网状、花朵聚集状的形貌，填充土颗粒间的孔隙，增强了土颗粒间的胶结作用，土体结构更为密实。该研究为长三角地区土压盾构产生的淤泥质废弃黏土的固化-碳化处理与再利用提供了思路。

钙质砂的颗粒破碎、变形和强度特性与受剪时的排水条件有关。然而当前的研究很少考虑不排水剪切过程对钙质砂颗粒破碎和力学特性的影响。对不同初始相对密实度的钙质砂进行了一系列不同有效围压下的三轴固结排水和不排水剪试验，以研究剪切过程中排水条件对钙质砂颗粒破碎和力学性质的影响。结果表明：在相同的有效围压下，排水剪试验的颗粒破碎率高于不排水剪试验。在排水剪与不排水剪过程中，钙质砂的应力-应变曲线都表现为应变软化行为，其剪胀趋势受到初始相对密实度和有效围压的影响。钙质砂的临界状态与初始状态无关，与剪切过程中的排水条件有关，对于临界应力比和相变应力比，排水剪试验大于不排水剪试验。钙质砂的峰值有效内摩擦角随初始相对密实度、有效围压和颗粒破碎率的增大而减小，但是临界有效内摩擦角不受初始条件、有效围压和颗粒破碎的影响，两种有效内摩擦角都与剪切过程中的排水条件有关。对于峰值有效内摩擦角和临界有效内摩擦角，排水剪试验大于不排水剪试验。上述结果表明，钙质砂的颗粒破碎、变形和强度特性与剪切过程中的排水条件具有明显的相关性。

为探究不同应力路径下层理煤体力学特性和破坏特征，利用MTS816岩石力学试验系统对0°、30°、45°、60°和90°层理倾角煤样开展了常规三轴加载、增轴压卸围压和恒轴压卸围压应力路径下的力学试验，分析了应力路径和层理倾角对煤样强度、变形及破坏特征的影响规律。研究结果表明：（1）常规三轴加载条件下煤样在达到峰值强度前，应力-应变曲线呈近线性关系，达到峰值强度后，应力-应变曲线迅速跌落；增轴压卸围压条件下，随着卸荷比的增加，轴向应变增量比呈线性增加趋势，而环向应变增量比和体积应变增量比呈低速增长-急剧增长-平稳增长的三阶段变化特征；恒轴压卸围压条件下，轴向应变增量比、环向应变增量比和体积应变增量比均呈低速增长-急剧增长的两阶段变化特征。（2）随着层理倾角的增加，不同应力路径下煤样峰值强度和轴向峰值应变均呈先减小后增大的V型变化趋势，在0°时达到最大值，在60°时达到最小值。（3）随着卸荷比的增大，煤样变形模量先平缓后迅速劣化，泊松比先缓慢增加后呈指数形式增加，临界卸荷比随层理倾角的增大先增加后减小；当层理倾角相同时，增轴压卸围压条件下的临界卸荷比低于恒轴压卸围压。（4）常规三轴加载条件下煤样发生脆性剪切破坏，增轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下煤样呈张拉-剪切混合破坏模式，当层理倾角为60°时，煤样主剪切破裂面角度与层理倾角几乎一致。

为研究冲击荷载作用下充填节理岩体I型裂纹动态扩展特性，利用分离式霍普金森杆（split Hopkinson pressure bar，简称SHPB）试验系统及裂纹扩展测试系统，对石膏、水泥及云石胶3种充填节理的侧开三角形单边裂纹（single cleavage triangle，简称SCT）岩体试件进行动态冲击压缩试验，对比分析裂纹动态扩展过程及冲击破坏模式，并通过试验-数值法研究了I型裂纹动态扩展过程中的应力强度因子及能量释放率的变化规律。研究表明：充填节理岩体主要有3种破坏模式，分别为预制裂纹扩展贯穿整个试件、裂纹贯穿后发生充填节理破坏、充填节理先破坏并阻滞裂纹贯穿；节理充填体的破坏与充填体强度、胶结力及应变率等相关；裂纹扩展速度自起裂处振荡增长，并在贯穿充填节理前某个位置达到最大，而应力强度因子及能量释放率在节理附近达到最大；充填节理刚度退化会抑制裂纹的扩展，并造成能量释放率的急剧增大；岩性组合差异加剧岩体试件材料属性的失配，导致应力强度因子及能量释放率随裂纹穿过节理后出现不同程度降低。

在单向冻结中，已冻区分凝冰的产生和发展是影响冻融土结构性特征的重要因素。选取降温速率（0.5～0.005 ℃/s）、冷端温度（–30～–70 ℃）、暖端补水（无补水、恒压补水）等3种单向冻结边界条件，探究其对已冻区分凝冰发育的影响规律。基于光学显微数字拍摄，自主研发了裂纹显微测量系统，为分凝冰裂纹的原位、无接触式测量提供了便利。试验研究发现：（1）不仅是温度梯度、暖端补水条件，单向冻结冷端降温速率对已冻区分凝冰分布也会产生影响，传统模型（如分凝模型）计算的水分迁移量难以准确反映已冻区冰裂纹分布特征；（2）冻结锋面移动速率对已冻区分凝冰宽度的影响大于温度梯度；（3）冻结过程中已冻区分凝冰宽度随0 ℃线移动速率呈指数形式变化。最后基于0 ℃线移动速率提出了已冻区分凝冰宽度预测的经验公式，为工程中评估变降温速率条件下黏土的单向冻胀破坏提供了参考。

针对考虑温度变化下由土工膜（geomembrane，简称GM）+土工复合膨润土衬垫（geosynthetic clay liner，简称GCL）+ 压实黏土衬垫（compacted clay liner，简称CCL）组成的3层复合衬垫中重金属污染物一维运移问题，基于相关假定发展得到了热传导与重金属污染物运移的控制方程，并建立了相应理论模型。通过有限差分，对所建理论模型进行了数值求解。随后，开展了与试验结果、解析解计算结果以及其他数值解计算结果的对比分析，验证了该模型的合理性。最后，以Cd²⁺为例，分析和讨论了不同因素对运移规律的影响。结果表明，上部温度升高会使复合衬垫中Cd²⁺的运移通量和底部浓度增大，但会使其上部浓度降低。热扩散效应对运移行为的影响会随Soret系数ST的增大而变显著，当ST为0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 K^–1时，所定义的击穿时间tb依次为37.9、37.2、36.4、31.2、26.5 a。GCL和CCL最大吸附量的增大均会使tb近似线性增加，且在一定渗沥液水头h_b下，tb随GCL和CCL厚度的增大呈线性增大趋势。此外，当h_b从0.5 m增大到1.0 m时，t_b平均降低了8.33 a。在工程实践中，可结合GCL和CCL的吸附性能和厚度来设计复合衬垫，同时应考虑温度变化对阻隔效果的影响。

为了预测膨润土胶体在甘肃北山高放废物深地质处置库围岩裂隙中的扩散过程，提出了综合考虑膨润土胶体颗粒自重与水化力的扩散模型。研究了钠离子浓度、水化力、胶体颗粒自重以及蒙脱石体积分数对膨润土胶体的扩散过程和扩散系数的影响。研究结果表明：随着钠离子浓度的增加，膨润土胶体的扩散速率与扩散距离均减小。胶体颗粒自重越大，对扩散的影响越大。随着扩散的进行，水化力对扩散的影响逐渐减小，范德华力和扩散双电层力对扩散的影响逐渐增大，膨润土胶体的扩散系数整体表现为先减小后增大。当蒙脱石体积分数较小时（φ<0.45），随着钠离子浓度的增加，扩散系数整体上逐渐增大；当蒙脱石体积分数较大时（φ>0.45），钠离子浓度对扩散系数的影响较小。

疏浚工程中清淤泥浆的含水率通常非常高，常采用先脱水为泥饼再进行固化的方法，处理效率相对较低。为此选择普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥作为固化材料，结合絮凝材料和板框压滤技术，对太湖清淤泥浆进行脱水-固化一体化工艺研究。通过比阻试验和固化试验等手段，分析了该工艺中泥浆的脱水性能、固化效果的变化规律以及固化材料的损失情况。此外，还基于一体化工艺试验中泥浆的基本性质变化，讨论了固化材料流失的途径以及对泥浆脱水性能的影响机制。研究结果表明，采用脱水-固化一体化工艺能够改善清淤泥浆的粒径、压缩性，从而提高脱水特性，并且在工艺过程中固化材料的流失在9%以内，由于脱水泥饼性质更好，后续同样能够实现良好的固化效果。实际工程应用中，采用脱水固化一体化工艺可以提升泥浆处理的效率。

软弱夹层作为边坡的“薄弱环节”，时刻威胁着边坡的稳定性。以我国西南地区广泛存在的二叠系炭质泥页岩软弱夹层为研究对象，开展了软弱夹层蠕变特性的研究，在常规剪切试验的基础上进行分级剪切蠕变试验，系统分析了软弱夹层的剪切变形规律，并采用稳态蠕变速率法确定了软弱夹层的长期强度。基于Riemann-Liouville分数阶积分理论及统计损伤理论对传统西原模型进行了改进，利用自适应差分进化算法结合软弱夹层剪切蠕变试验曲线验证了模型的准确性，并进行了参数敏感性分析。研究表明，改进后的模型可以完整地描述软弱夹层蠕变的3个阶段；蠕变曲线的变化由微分阶次γ、形状参数m及比例参数F₀共同控制；m反映软弱夹层的脆性特征，F₀则表征软弱夹层的物理力学强度。该研究结果可为含软弱夹层边坡的防灾监控与稳定性分析提供理论依据。

通过对纤维加固超疏松和疏松饱和砂土开展不排水动三轴试验，分析了其超孔压发展规律和流动液化特性。结果表明，未加固超疏松和疏松饱和砂土具有较高的液化势，其在不排水循环荷载下均发生流动液化。离散纤维向砂土骨架提供加密效应和约束效应，从而提高其抗流动液化特性，然而，纤维的约束效应受到加载路径和试样应变发展模式的显著影响。纤维加固改变了饱和砂土残余孔压的发展规律，当纤维向砂土骨架施加较强的约束效应时，试样的残余孔压发展呈倒L型，明显不同于未加固砂土的S型发展。在双向非对称和单向循环荷载下，纤维应力贡献较大，砂土骨架的有效应力在超孔压上升100%后远大于0，加固试样的强度损失低于11%，纤维阻止了液化的发生。

为研究高寒干旱-半干旱环境黄土区种植不同类型草本植物边坡土体电阻率与其物理力学性质之间的定量关系，探讨电阻率数值反映边坡土体物理力学性质及其变化特征，在西宁盆地长岭沟流域自建试验区选取未种植裸坡以及种植生长期为3年的垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb.）、老芒麦（Elymus sibiricus Linn.）、细茎冰草（Agropyron trachycaulum Linn. Gaertn.）、高羊茅（Festuca arundinacea Schreb.）的边坡共5种类型边坡为研究对象。通过开展边坡土体密度、含水率、含根系与不含根系土体直剪试验，对比不同草本植物根系对边坡土体物理力学性质的影响。在此基础上，利用二维电阻率层析成像方法建立不同边坡土体物理力学性质指标与土体电阻率间的定量关系。结果表明：（1）与未种植裸坡相比较，种植老芒麦边坡上层（0～10 cm）土体含水率增幅最大为26.53%；种植高羊茅边坡上层（0～10 cm）土体平均密度降幅最大为18.30%；种植垂穂披碱草边坡上层（0～10 cm）土体黏聚力附加值最大，且为未种植裸坡的2.75倍。（2）5种类型边坡的电阻率受根系分布和边坡位置因素的共同影响，电阻率随着深度增加逐渐降低。4种草本边坡坡面以下0～20 cm处土体电阻率均较裸坡大，该深度为根系分布大致范围。（3）5种边坡土体物理力学性质与电阻率数据之间存在拟合方程式（相关系数R²为0.48～0.77），且通过Pearson相关性分析得到边坡土体黏聚力c与电阻率间的相关性相对最高，相关系数R²为0.765。上述研究结果反映出可通过电阻率层析成像技术反映边坡土体物理力学性质，以及边坡土体中植物根系分布特征，可为研究区及其周边地区采用植物有效防治水土流失、浅层滑坡等灾害提供理论依据和实际指导意义。

西南艰险山区分布着大量的不同倾向的层状碎裂结构斜坡，地震作用下极易发生崩塌、滑坡等灾害，对在建的川藏铁路造成严重威胁。通过大型振动台模型试验，研究了强震条件下顺倾、反倾层状碎裂结构斜坡的动力响应、失稳破坏模式以及能量传递规律。试验结果表明：反倾斜坡的抗震性能显著优于顺倾斜坡；顺倾斜坡的破坏模式主要为拉裂−剪切−隆起−滑移型破坏，反倾斜坡的破坏模式主要为拉伸−弯曲−倾倒−崩塌型破坏；反倾斜坡的自振频率高于顺倾斜坡，顺倾斜坡的自振频率随震级的增加而逐渐降低，而反倾斜坡的自振频率在地震波幅值为0.4g～0.7g时出现反复震荡现象；顺倾斜坡存在明显的高程放大效应和趋表效应，反倾斜坡存在高程放大效应，其内部的加速度响应大于坡表。边际谱识别显示：顺倾斜坡的边际谱幅值（peak of marginal spectrum amplitude，简称PMSA）突变在坡腰上部最显著，说明该位置附近地震波的能量损失最大，反映出顺倾斜坡在坡腰上部附近形成了滑动破坏面；反倾斜坡的PMSA在坡肩处降低得最为显著，反映出坡肩部位损伤最为严重，易发生局部崩塌破坏。分析结果与试验现象能够较好地吻合，进一步揭示了不同结构类型层状碎裂结构斜坡在强震作用下的动力响应与失稳破坏模式，为川藏铁路的安全建设提供了依据。

基于黏性、弹性和塑性元件构造的动本构模型往往存在预测效果较差，不能完全反映黏性土的黏性、弹性、塑性的缺点。通过引入一种触发式的黏塑性元件ψ，以残余变形为切入点，提出了一个考虑振动稳定和振动衰化现象的黏性土黏弹塑性动本构模型，并通过动三轴试验进行了验证。该动本构模型不但能够描述动荷载作用下黏性土残余应变的发展规律，且能合理地预测动应变的发展情况。结果表明，试样在动荷载作用下，存在元件ψ的黏滞系数随振动周期增长而衰减的现象，且衰减情况和含水率密切相关。最优含水率是影响振动稳定和振动衰化现象的重要参数，当含水率小于最优含水率时，试样变形表现为振动稳定，此时元件ψ黏滞系数的变化可以忽略不计；当含水率大于最优含水率时，试样变形表现为振动衰化，此时元件ψ 黏滞系数的变化不可忽略。

劲性复合桩（stiffened deep cement mixing pile，简称SDCM桩）兼具高强度芯桩的轴向荷载传递能力与搅拌桩较高的桩侧摩阻力优势，施工效率高、性价比高，在土木建筑领域中得到推广应用。然而，由于其荷载传递机制尚缺乏统一认识，现有计算方法与实测承载力差异较大。基于此，开展了粉土地基中SDCM桩现场足尺试验，研究了其抗压承载特性与荷载传递机制。搅拌桩固化剂采用普通水泥和GS固化剂（gypsum-slag soil hardening agent）。依据实测荷载-位移曲线分析了单桩抗压极限承载力及不同固化剂的影响，并通过现场桩身取芯及芯样无侧限抗压试验分析了现场施工水泥土与室内试样强度的差异。建立了考虑芯桩-水泥土、水泥土-土体接触面的三维弹塑性有限元模型，分析了竖向下压荷载条件下桩身轴力、接触面的剪切应力分布规律，探讨了SDCM桩的荷载传递机制与承载力提高原因。研究结果表明：粉土地基中SDCM桩抗压承载力大于纯搅拌桩和单独芯桩抗压承载力之和的1.5倍；在端阻力发挥作用后，桩底水泥土由于轴向受压变形，芯桩-水泥土之间的剪切变形会大幅增加，该位置易产生剪切破坏。水泥土固化后与地基土接触面性能的改善是SDCM桩相对传统灌注桩具有更高的承载力的主要原因。

由于应力和沉积作用的历史差异，不同场地的岩土类型与性质会有所不同；即使同一场地，在不同位置处的岩土类型及性质亦存在差异。目前普遍采用的均匀随机场模型很难准确表征上述复杂空间变异性，且缺乏原位测试数据的验证。为此，基于国际土力学与岩土工程学会风险评估和管理委员会TC-304所开发和维护的岩土实测参数数据库304dB，对北欧三国挪威、芬兰、瑞典海相黏土参数的空间变异性展开了深入研究。分析比较了北欧三国海相黏土的统计特征参数沿深度变化的异同以及各参数相互影响的物理机制，明确了各参数的空间变异性规律。通过趋势性、涨落性与相关性分析，揭示了北欧三国海相黏土参数均值、标准差以及涨落尺度沿深度均非常数，均值沿深度线性增长，标准差沿深度的变化趋势近似为二次函数，相关函数与间距及位置有关，但随间距增长不会一致收敛。基于综合样本的分层相关性分析，建立了海相黏土参数分层非均匀随机场，该随机场均值为沿深度的线性函数，标准差为在空间变化的随机场，其趋势函数为沿深度的二次函数，不同分层位置处黏土参数可具有不同的均值和标准差初值，各层内参数具有不同涨落尺度。与均匀随机场以及仅考虑均值沿深度线性增长的非均匀场模型相比，所建立的分层非均匀随机场模型可以全面描述海相黏土参数均值、标准差及其相关性沿深度的复杂空间变异性及其非连续变化的分层特性。

复合地层中盾构掘进诱发地表沉降的准确预测是隧道工程安全建设与施工决策的关键问题。基于隧道施工诱发地层变形机制构建隧道收敛变形与掘进位置的联系，并将其耦合至深度神经网络（deep neural network，简称DNN）框架，建立了预测盾构掘进诱发地层变形的物理信息神经网络（physics-informed neural network，简称PINN）模型。针对隧道上覆多个地层的地质特征，提出了多域物理信息神经网络（multi-physics-informed neural network，简称MPINN）模型，实现了在统一的框架内对不同地层的物理信息分区域表达。结果表明：MPINN模型高度还原了有限差分法的计算结果，可以准确预测复合地层中隧道开挖诱发的地表沉降；由于融入了物理机制，MPINN模型对隧道施工诱发地表沉降的问题具有普适性，可应用于不同地质和几何条件下隧道诱发地表沉降的预测；基于工程实测数据，提出的MPINN模型准确预测了监测断面的地表沉降曲线，可为复合地层下盾构掘进过程中地表沉降的预测预警提供参考。

目前危岩防治工作中，危岩稳定性评价主要以简化后的二维剖面作为计算模型。由于自然界中的危岩形态极不规则，采用二维剖面计算模型并不能真实反映危岩受力情况。为了研究危岩稳定性三维计算方法，在前人研究基础上，基于极限平衡理论，提出了由后缘裂缝抗拉强度控制的危岩倾覆稳定性三维计算公式，采用数值积分和空间几何方法给出了在危岩单体三维模型基础上求解危岩后缘岩体抗拉力、水压力及其力矩计算公式和实现流程。以三峡库区瞿塘峡吊嘴危岩为实例开展了应用，并通过数值分析进行了验证。通过不同形态危岩的三维稳定性分析，讨论了三维与二维稳定性计算结果的关系，对比发现危岩形态对稳定性计算结果有明显影响，三维计算较二维计算更准确和实用。

三峡库区周期性水位升降引起的消落带岩体劣化对典型危岩岸坡稳定性具有重大影响。基于野外调研及地勘资料，采用通用离散单元法程序（universal distinct element code，简称UDEC）研究了消落带劣化区形态对近水平层状高陡危岩岸坡的稳定性影响。研究表明：目前三峡库区巫山段的近水平层状危岩岸坡消落带岩体劣化严重，在不同消落带劣化区存在紧密层状、松散碎裂状、溶蚀凹腔状、含挤压碎裂带等典型消落带劣化区形态；含有第1种消落带劣化区形态的危岩岸坡稳定性较好，危岩体位移较小，失稳模式为滑移破坏；含有第2种消落带劣化区形态的危岩岸坡危岩体先向坡内偏移，其后随着消落带岩体支撑强度弱化向坡外倾倒破坏；含有第3种消落带劣化区形态的危岩岸坡危岩体向坡外位移较大，失稳模式为倾倒破坏；含有第4种消落带劣化区形态的危岩岸坡稳定性主要受挤压破碎带的力学性质控制，易产生沿破碎带切割面的旋转滑移破坏；通过对以上4种劣化区形态的危岩岸坡增加防治加固措施，危岩体的变形位移得到了不同程度的有效控制。

基于改进Knothe时间模型，根据地表移动延续时间定义，建立能够综合考虑采高、平均采深、松散层厚度、基岩层厚度和开采速度等因素的深部开采地表移动延续时间理论预测模型，并根据概率积分法给出了模型参数确定方法。采用24个深部工作面开采地表移动延续时间监测数据对预测模型的合理性和精确性进行验证。结果表明：地表移动延续时间模型预测结果与24个工作面监测结果基本吻合，两者平均绝对误差仅38 d，均方根误差仅为47 d，平均绝对误差百分比仅为9%，远小于现有3种经验模型的预测误差，验证了地表移动延续时间预测模型的精确性；地表移动延续时间受采高、平均采深、松散层厚度、基岩层厚度和开采速度的影响，随采高的增加而非线性增加，随平均采深、松散层厚度、基岩层厚度的增加而线性增加，但随开采速度的增加而非线性减小。该研究可为深部开采地表移动变形稳定性评估和科学制定开采计划提供理论指导。

冻融损伤岩石的劣化机制研究对于认识冻融灾害机制、灾变预测与寒区隧道防护体系设计具有重要理论意义。基于体积膨胀理论，建立了冻融过程中不可逆体积增加与冻融次数的关系方程，推导了冻融循环过程中圆柱形试样热量径向传递规律。考虑饱和试样冻融损伤过程，建立了基于离散元的岩石冻融损伤模型。开展了不同冻融循环次数的砂岩物理力学性质测试，通过应力-应变曲线及单轴抗压强度验证了该模型的有效性。在此基础上，分析了冻融循环过程中岩石试样中裂纹生长规律及层进式分布特征，研究了冻融-应力耦合条件下岩石试样裂纹扩展过程。研究结果表明：随着冻融循环次数的增加，裂纹的发育经历了缓慢增长、快速增长及趋于稳定3个发展阶段。裂纹数沿径向方向由内而外层进式增加，80%左右的冻胀裂纹分布在距离试样轴心10～25 mm的圆环柱区域内。当冻融次数小于80次时，裂纹数随距圆心距离的增加呈指数函数关系；当冻融次数大于80次时，裂纹数与距圆心距离呈对数函数关系。冻融循环过程中，试样内的破坏以拉伸破坏为主，岩石的冻融损伤过程受初始孔隙结构控制。

粗糙单裂隙及其周围岩石基质是组成复杂岩体裂隙网络的基本单元，了解其中发生的流体流动行为具有重要意义。通过直接求解Navier-Stokes（N-S）方程开展三维粗糙单裂隙和裂隙-孔隙双重介质模型的渗流模拟工作，研究了裂隙表面粗糙度、匹配性和基质渗透性对粗糙单裂隙中发生的非达西流动的影响规律。结果表明：Forchheimer方程可以准确描述双重介质模型中粗糙单裂隙流体流量与压力梯度间的非线性关系；表面粗糙度和不匹配性的增大会加剧裂隙内部开度分布的不均匀性，增大裂隙的流动阻力而促进非达西流动的发生；可渗透基质会使得裂隙过流能力增强，通过粗糙单裂隙的流量最多可增大约14%，这会抑制非达西流动的发生；基质渗透性对裂隙过流能力增长的影响程度与表面粗糙度和不匹配性呈正相关。

基于常规态型近场动力学方法实现了岩石裂隙扩展演化，采用实时追踪新生裂隙面并施加表面压力的方法来模拟压裂液与裂隙表面的相互作用，建立了岩石水力压裂的数值计算模型。根据数字图像处理技术将Zhang-Suen细化算法应用于水力裂隙网络的骨架提取，并采用统计方法计算裂隙网络形态参数，提出了水力裂隙网络量化计算方法。最后考虑加载速率、地应力条件及弹性模量等因素影响，研究了水力裂隙扩展过程及裂隙网络形态参数的演化。研究结果表明：当加载速率较小时，主裂隙朝着较大地应力的方向扩展，裂隙分支并不明显；增加加载速率会增大裂隙均宽和裂隙密度，能够促进裂隙的张开程度及裂隙数量，增强裂隙网络的复杂程度并提高其渗透能力。当水平向地应力和竖向地应力相同时，主裂隙呈十字交叉分布；随着竖向地应力的增大，水平裂隙受到抑制作用，主裂隙沿着竖向扩展，而裂隙总长和裂隙密度则呈增加的趋势。岩体弹性模量的增加会减少细小裂隙分支的扩展，使裂隙网络形态趋于简单化。

通过离心机模型试验，结合离散元数值分析对钙质砂中海底管道竖向贯入机制进行了研究。研究结果显示，钙质砂中管道竖向贯入阻力与埋深基本呈线性关系，其值大致等于管-土接触宽度与静力触探试验（cone penetration test，简称CPT）中相同深度锥尖阻力的乘积。当管道埋深较小时，由于土体变形主要以颗粒重排挤密为主，管道竖向贯入阻力几乎不受颗粒强度影响；当管道埋深较大时，管道竖向贯入阻力随着颗粒强度的降低以及颗粒破碎的加剧而减小。钙质砂中管道竖向贯入机制主要表现为典型的冲剪破坏，土体变形主要集中在管道底部，且水滴状变形区域随着颗粒破碎的加剧逐渐收缩。颗粒破碎从管道底部向远离管道径向发展，大量贴近管道底部的颗粒发生连续破碎，少量远离管道的颗粒发生独立破碎。颗粒破碎导致管道底部土体中的集中应力释放，颗粒破碎越多，应力释放导致管道竖向贯入阻力减小的现象越明显。

顶煤结构的准确探测是实现综放智能化开采的重要依据，然而我国煤层结构复杂且内部常含多层夹矸，易影响综放智能化开采的水平。为此，提出一种多频雷达融合的顶煤结构精准探测方法，可提高雷达天线探测深度内的浅部探测精度，同时对顶煤内部的结构信息进行解释。主要研究步骤如下：首先，对不同频率的雷达数据进行预处理和空间对齐，建立不同频率雷达数据之间的空间对应关系；其次，利用滑动窗口与小波变换加权融合方法对多频率雷达数据进行处理，根据窗口内各分段小波信号的能量占比确定各频率信号的时变权重值，并引入边缘检测算法来提高小波变换对雷达数据的融合效率，实现多频雷达数据有效融合；最后，根据煤-矸-岩的介电常数差异和电磁波传播的衰减特性，建立顶煤内部回波强度模型，并利用分层识别方法计算出顶煤内部煤-矸-岩之间的界面信息，进而反演出顶煤内部结构（包括顶煤厚度、夹矸厚度及层数、夹矸层间距等）。试验结果表明：所提出的方法能有效地将不同频率雷达数据进行融合，并能有效地探测出顶煤内部结构特征，且顶煤厚度、夹矸厚度和夹矸层间距的探测误差均小于10%。该方法有助于实现顶煤结构的精准探测，为综放智能化开采提供理论技术支撑。