地下内衬硐库的压缩空气储能，以其发电时间长、规模大、建设周期短、选址灵活、工程造价低、运行周期长、环境友好等优势，在新型储能领域展现了较强的生命力，将有力地促进新型电力系统的构建和新能源的高质量发展。与传统地下空间的运行特点有较大不同，在充放气过程中，储备有压缩空气的地下内衬硐库不仅需要承受交变高内压膨胀压力，同时伴随着显著的温度变化。围绕地下内衬硐库，阐述了其工作原理以及柔性密封结构的设计理念，针对高压、交变应力和温度变化等荷载特征，系统分析了地下内衬硐库相关理论与分析方法等方面的研究进展，主要包括库内温压响应与密封结构传热特性、围岩应力路径与力学响应、钢筋混凝土衬砌开裂与控制标准、上覆岩体稳定性与安全埋深、密封层及密封堵头等，并对地下内衬硐库基本原理与分析方法的发展趋势进行了展望。

以沅麻盆地红层软岩为研究对象，开展不同饱水时长下的岩石单轴压缩试验、电镜扫描试验、弹性纵波波速测试，研究饱水红层软岩力学性质、微观结构、弹性纵波波速随时间的变化规律；采用数字图像处理技术对岩石微观结构特征进行量化处理，定量分析岩石微结构变化特征；基于损伤力学理论，构建水化作用下红层软岩损伤模型。研究结果表明，红层软岩饱水1、2、3、5 d后强度分别下降了14%、27%、39%、80%。随着饱水时间的增加，红层软岩单轴抗压强度单调递减，其破坏模式从脆性破坏模式逐渐往延性破坏模式发展，破坏时岩石破裂面与水平面夹角逐渐变小，主贯穿剪切裂缝周围的次生裂纹数量呈先增大后减小的趋势。红层软岩岩样缺陷面积占比随着饱水时间的增长逐渐增加，孔隙数量与孔隙平均尺寸呈负相关，孔隙数量表现为先升高再降低的趋势，红层软岩缺陷面积占比增量与饱水时间呈线性递增关系；同时，随着饱水时间的增长，红层软岩纵波波速降低，expdecl函数适用于拟合红层软岩纵波波速与饱水时间的关系。建立了红层软岩饱水损伤模型，并将模型计算值与试验值进行对比，验证了模型的准确性。该模型能以无损检测的方式准确预测不同饱水时长下岩石的单轴抗压强度，能较好地描述红层软岩饱水后的损伤特性。

深部高地应力隧道开挖卸荷后围岩的变形破坏过程受能量的驱动，其本质是输入能超出围岩储能极限后耗散和释放的结果。既有的理论研究主要针对弹性卸载条件下深部圆形隧（巷）道围岩弹性应变能的计算，很少有学者对弹塑性卸载下深部圆形隧道围岩的能量计算和能量演化开展理论研究。首先根据岩石的能量演化过程，明确了弹性应变能、塑性耗散能和塑性释放能的定义；然后基于弹塑性理论和Hoek-Brown强度准则，考虑岩石的峰后应变软化特性，提出半径增量法计算围岩的卸荷应力路径；最终，建立了基于卸荷应力路径的深部圆形隧道围岩能量计算方法。基于能量守恒定律验证了计算方法的正确性，并分析了不同峰值强度下深部圆形隧道围岩的能量演化机制。研究结果表明：隧道开挖后能量从远处围岩输入，弹性阶段输入能全部转化弹性应变能，越靠近隧道洞壁弹性应变能密度越大。塑性阶段能量持续输入，弹性应变总能继续增大，但靠近洞壁的围岩达到储能极限，产生塑性区，且受应变软化行为影响，塑性区的储能极限降低，围岩的耗散能和释放能呈指数增加；峰值强度越大的深部岩体，在高地应力环境下开挖后以能量释放为主，硬岩岩爆源于能量释放机制。对于峰值强度低的深部软岩，在高地应力环境下开挖后以能量耗散为主，软岩挤压大变形源于能量耗散机制。

黄土因具有结构性强度和水敏性，桩-黄土接触面的剪切变形特性受水分影响显著，且剪切变形过程中因结构性强度退化而呈现出应变软化特性。根据桩-非饱和黄土接触面的水-力耦合特性，以有效饱和度和Bishop有效应力作为直接驱动变量反映饱和度对黄土结构性强度的影响。为考虑桩-非饱和黄土接触面剪切变形过程中结构性强度的退化特征，分别构建了接触面黏聚力、摩擦角和压缩指数的结构性参数，并建立了各结构性参数随塑性应变和土体有效饱和度的演化方程。在此基础上，通过等效侧限条件下非饱和结构性黄土与饱和无结构性黄土的塑性变形，在有效应力-有效饱和度空间建立了桩-非饱和黄土接触面的增湿屈服方程，进而耦合土-水特征曲线，提出了桩-非饱和黄土接触面的水-力耦合弹塑性本构模型。通过兰州非饱和结构性黄土的直剪试验数据和山西非饱和黄土桩的现场试桩数据对模型进行了验证与分析。结果表明，建立的桩-非饱和黄土接触面荷载传递模型可以描述桩-非饱和黄土接触面剪切变形的水-力耦合特性，体现桩-非饱和黄土接触面剪切强度随饱和度增加而减小的特征，且能够有效反映桩-土接触面应变软化特征随饱和度的变化规律。模型为非饱和黄土桩基灾变防控设计、计算和承载特性分析提供了有效途径。

岩石的短期和长期力学性能和变形特性对工程长期稳定与安全有着重要的影响。传统的本构模型难以统一描述不同岩石材料的短长期力学特性，而基于深度学习方法的理论可在不引入其他弹塑性参数以及本构规律的情况下预测不同岩石的力学特性。长短期记忆（long short-term mernory，简称LSTM）深度学习算法适用于处理具有时间序列的数据任务，用于预测岩石短长期力学特性具有显著优势。通过引入LSTM算法，分别根据三轴压缩加载路径和应力松弛随时间变化的规律构建序列数据，建立了灰砂岩在常规三轴压缩以及应力松弛下的力学特性预测模型。与试验数据进行对比，可以证明基于深度学习的岩石短长期力学预测本构模型的准确性。为进一步提升模型工程应用价值，将LSTM本构模型嵌入到有限元法（finite element method，简称FEM）框架中进行数值实现，并应用于灰砂岩变形特性的模拟。对比结果表明，LSTM-FEM方法具有较好地预测岩石短长期变形特性的能力。

武汉市碳酸盐岩天兴洲条带，发育一套巨厚层砂化白云岩，其岩体力学参数取值，目前尚无相关经验或建议。基于Hoek-Brown（简称H-B）准则及其Mohr-Coulomb（简称M-C）线性转换理论，归纳总结前人研究成果，在试验数据的基础上，研究了砂化白云岩的H-B准则参数，提出一种基于静止侧压力系数k₁的最大围压上限σ_3max 简化取值方法，估算其岩体力学参数并给出了取值建议。结果表明：基于k₁的σ_3max 简化取值方法，合理缩减了围压σ₃ 的取值区间，提高了计算精度；砂化白云岩的地质强度指数GSI与无侧限抗压强度σ_ci 呈良好的线性关系，结合其砂化程度在岩体块度上的贴切表现，制作了针对砂化白云岩的改进GSI建议值表；岩体材料参数 m_i 的大小主要受控于岩石种类及细观颗粒的粗糙程度，其取值区间跨度小且对岩体力学参数影响较小，取用m_i =9；通过H-B准则与M-C准则的线性转换，建立了σ_ci 与岩体抗剪强度之间的计算关系；各试验值、拟合值及理论计算值之间关系自洽、结果合理，有效解决了极破碎白云岩岩体力学参数的取值问题。上述基础性工作对H-B准则的应用起到了有益的补充，对武汉市类似岩层的岩体力学参数取值方法研究及运用具有重要借鉴意义。

陆相页岩普遍发育黏土质、长英质及方解石质等不同组分的纹层，在水力压裂刺激页岩裂隙网格结构过程中，界面过渡区（interfacial transition zone，简称ITZ）的存在严重地影响了裂纹的扩展方向和形态。然而，目前缺乏针对页岩纹层ITZ分布范围的有效量化方法。针对页岩微观力学参数曲线的离散特征，通过置信椭圆标定ITZ范围内的离散数据，使用线性拟合与置信椭圆交点的投影长度作为定量页岩纹层ITZ的新方法。借助扫描电子显微镜与矿物定量评价系统，获得页岩表面形貌和矿物分布情况，对划痕试验后矿物破坏形式进行分析。基于纳米划痕试验结果，通过断裂韧性确定了不同岩性矿物的分布长度，并将其与扫描电子显微镜识别结果进行对比。结果表明：伊利石等塑性矿物在划痕试验过程中呈现出碎屑在两侧堆积的破坏模式，而钠长石和石英等脆性矿物则呈现出锯齿状的破坏或点状的崩裂。由于ITZ的存在，扫描电子显微镜识别出的塑性矿物分布长度大于断裂韧性曲线的定量结果。摩擦系数法受到表面粗糙度的影响，拟合置信度较低，定量结果偏大。与摩擦系数法相比，断裂韧性法具有更高的数据连续性和拟合置信度，但是考虑因素较为单一。无量纲参数法综合考虑了断裂韧性、硬度、摩擦系数和划痕深度的影响，曲线离散度较低，拟合误差较小。相比于传统单个力学参数的识别手段，基于无量纲参数对ITZ分布范围的量化准确度有较大提升。

土拱效应广泛存在于岩土工程中，通常采用活动门试验进行研究。传统的活动门试验较少关注隧道抗浮、锚板拉拔等被动活动门的工况。有鉴于此，研发了伺服升降的阵列式活动门试验装置，采用密实砂土作为填料开展了平面应变被动活动门试验，采集了活动门上升过程中的全阵列竖向荷载变化以及断面位移，得到了被动土拱效应演化的荷载−位移反应曲线。试验结果表明：随着填料高度增加，荷载重分布更加明显，最大土拱率、极限土拱率及对应的归一化位移量均增大。断面位移与滑移面呈喇叭口形向填料表面发展，剪应变集中分布在活动门两侧形成显著的弧形滑移面，滑移面底部与竖直方向夹角接近于0º，并随路堤高程增加而增大。当填土高度较高时，随着活动门上升量的增加，外侧滑移面的内部发展出新的滑移面。依据实测得到的剪切带与垂直方向的夹角，得到了修正的极限平衡法计算公式，计算出的最大土拱率与试验结果较为相符。

降雨诱发强渗透性土质边坡失稳破坏通常始发于坡脚部位，但其触发机制一直尚未明晰。通过开展降雨边坡模型试验，并结合计算流体力学−离散元（computational fluid dynamics-discrete element method，简称CFD-DEM）流固耦合数值模拟，捕捉引发边坡的初始微小变形和整体宏观渐进性损伤变化，提取降雨前后坡脚敏感部位的应力路径和土颗粒接触力链，从细观角度揭示了降雨诱发土质边坡失稳破坏的触发机制。结果表明：降雨前，坡脚是整个边坡的敏感部位，呈现出应力集中状态。降雨后，雨水入渗并在坡脚处产生最大渗流速度，坡脚处大颗粒间通过骨架作用形成的力链拱形态逐渐被减弱。降雨触发土质边坡失稳破坏的本质在于较大的渗流力不断冲蚀坡脚处土颗粒间原本稳固的接触力链，使其以群体运动的方式发生由外向内渐进性减弱―断裂―消失。坡脚破坏触发后，颗粒间接触力链损伤区域明显大于位移塑性区（或剪切带），靠近坡面的土体应力迅速从高应力转变为低应力，后期因土体颗粒继续滑移滚动，土体应力状态又呈波动性逐渐增加，整个过程中坡脚处应力路径最长。边坡滑移后易在滑移面后边缘形成应力集中的力链拱形态，突显出边坡破坏后具有一定的自稳能力。

陡倾薄层状矿体在开挖扰动下，易呈现高切向应力导致边墙弯折破断或弯曲内鼓破坏，破坏模式与层理岩体的力学性质紧密相关。为研究思山岭铁矿层状矿体在剪切破坏过程中的变形和强度性质及破坏特征，开展不同层理倾角和围压下层状岩石三轴剪切试验。试验结果表明：思山岭层理铁矿石试样的峰值强度、轴向和环向变形、破坏模式受围压和层状节理角度影响显著。层理角度的增加使得试样抗剪强度呈现先增加后减小的趋势，轴向变形和环向变形呈现波浪形变化；围压的增加使得试样峰值剪切强度有显著的提高，轴向剪切位移也有增加的趋势，环向变形呈减小的趋势。层理铁矿石试样的破坏模式受层理倾角和围压控制，在层理倾角为0°和30°时，试样发生以应力控制型为主的破坏；层理倾角为45°时，试样发生应力-结构控制型的破坏；层理倾角为60°和90°时，试样发生以结构控制型为主的破坏。最后基于试验结果，给出了同时考虑中主应力和矿石层理倾角的破坏判据，研究结果可为思山岭铁矿的采场和支护设计提供重要支撑。

高黏粒含量吹填场地在运营中因大变形固结与流变叠加效应导致地基变形显著，严重威胁工程安全。以高黏粒含量吹填土为研究对象，通过室内试验分析了土体大变形固结与流变特性，推导了大变形固结有限元方程，建立基于分数阶导数的流变本构模型，构建考虑大变形固结与流变叠加效应的有限元模型；利用模型箱试验对数值模拟进行验证，分析了荷载作用下该叠加效应对表面沉降的影响。结果表明：大变形固结过程吹填土应变-时间曲线呈现显著的衰减特征，且后期逐渐显现流变效应；吹填土流变变形具有明显的非线性特征，其中非线性黏塑性变形阶段占流变变形主要地位，该阶段变形量约占流变总变形量的59%；随着固结时间的增加，吹填土排水量和表面沉降呈现先快速增加而后稳定的趋势。该数值模拟能很好地反映吹填土大变形固结与流变叠加效应，模拟值与模型箱实测值较为一致。

红层泥岩水敏性高，作路基填料时可用石灰改良。受季节变化影响，路基基床经历干湿循环，导致服役性能降低。为研究干湿循环下改良填料力学特性劣化规律，开展一系列干湿循环试验、无侧限抗压试验和弯曲元试验测定改良填料无侧限抗压强度和小应变刚度。结合连续滴水扫描电镜（scanning electron microscope，简称SEM）试验，揭示干湿循环后填料微观结构劣化特征。结果表明：低幅度循环下试样在干侧和湿侧均产生体胀。高幅度循环下试样在湿侧产生体胀。在干侧先产生体缩，随循环次数增加，即使含水率较低，试样也产生体胀。体胀导致强度和小应变刚度均有不同程度的劣化。当试样产生体缩时，强度有所增长，但小应变刚度由于裂缝衍生而持续衰减。试样强度随损伤体变可用统一劣化方程表示。但高幅度循环下试样干燥后的小应变刚度远低于劣化线，且劣化速率远大于强度。试样滴水后能维持基本形貌，但观察到团聚体松散、微粒剥落和新生裂缝等结构劣化特征，从而导致宏观力学性能衰减。

随着工业的迅速发展，对传统混凝土原料的需求不断增加，促使研究者探索新的替代材料。赤泥等工业副产品被认为在节约资源、降低成本和减少环境影响方面具有一定潜力。然而这些固废材料在胶凝材料中的水化机制仍不明确。利用低场核磁共振和等温量热法对含赤泥、钢渣、粉煤灰和磷石膏的胶凝材料水化动力学进行了综合分析。研究表明，赤泥基胶凝材料的水化过程可分为结晶成核、相边界反应和扩散3个阶段，其中结晶成核阶段的反应速率最高。钢渣和磷石膏能加速水化反应，改善材料的孔隙结构，而粉煤灰虽反应较慢，但同样有助于最终促进孔隙结构的改善。统计结果显示，早期水化放热量与7 d抗压强度具有较强的相关性，可有效预测材料初期强度。

土体的宏观性质主要受其微观结构和孔隙特征的影响。查明土体在冻融等外部条件影响下的微观演化规律对岩土工程研究具有重要意义。草炭土作为季节性冻土和特殊土，由于其腐殖质和植物纤维含量较高，具有较高的压缩性和较低的强度。因此，以草炭土为研究对象，通过土工试验、核磁共振（nuclear magnetic resonance，简称NMR）、X射线计算机断层扫描（computed tompography，简称CT）和扫描电子显微镜（scanning electron microscope，简称SEM）等方法研究了草炭土的微观结构、孔隙特征和冻融效应。基于岩土力学和核磁共振理论，完成CT切片和SEM的微观图像分割，以识别空气孔隙和储水孔隙。结合微观图像和成分分析，草炭土的微观结构揭示了有机质组分是能够容纳和传导水分的土壤基质。冻融后草炭土的孔径分布表现为中孔比例增加，孔隙总体数量显著增加。因此，量化微观参数表明冻融后草炭土的孔隙连通性增强，孔隙形状复杂程度降低，渗透性增强。通过对非饱和土理论计算的验证表明，核磁共振方法能够有效地表征冻融土渗透性的变化。研究成果可作为高有机质、高纤维含量土壤研究的基础，也可作为草炭土分布区工程建设的参数依据。

超固结黏土的应力-应变特性随超固结程度的演变呈现出较为复杂的力学特性。开发一个实用的本构模型可为超固结黏土的数值分析提供强有力的工具。首先，分析超固结黏土的剪胀特性随超固结程度的变化，将超固结参数引入剪胀关系中，建立形式简单的超固结黏土剪胀方程，并将其积分为塑性势面。然后，在边界面理论的框架下，结合所提出的剪胀方程，采用简单实用的理论方法，建立超固结黏土的边界面本构模型。最后，采用大范围超固结度下的三轴排水压缩和拉伸、三轴不排水压缩和拉伸试验以及复杂应力路径试验对所提本构模型的性能进行全面验证。结果表明：所提出的模型可以较好地描述超固结黏土的应力-应变特性随超固结程度的变化，并且在体变和孔压模拟方面具有较大的优势。

季节冻土区膨胀土的“干缩湿胀”与“冻胀融沉”效应，诱发了诸多工程病害问题。针对北疆供水工程膨胀土输水渠道强度衰减及边坡失稳破坏问题，以渠基膨胀土所经历的干湿及冻融循环作用为试验边界条件，开展渠基膨胀土不同埋深含水率监测试验，分析干湿、冻融不同阶段土体含水率随埋深的变化规律。同时通过干湿-冻融循环室内试验，研究干湿-冻融循环作用对膨胀土不均匀变形、强度衰减及微观结构损伤演化的影响。研究结果表明：（1）干湿-冻融环境下，渠基一定深度范围膨胀土的水分变化剧烈，其中冻融阶段含水率的变化最大，形成了膨胀土的“相变动力区”。（2）干湿-冻融循环作用下，膨胀土微观结构的损伤效应较显著，裂隙随循环次数增加不断发育扩展，膨胀土持续经历着“干缩湿胀”和“冻胀融沉”作用。在干湿-冻融作用的初期，膨胀变形量在总体变形量中贡献较大。经历一定次数的干湿-冻融循环作用后，土体的体积变形、膨胀变形量逐渐趋于稳定。（3）膨胀土的抗剪强度及其强度指标均出现了不同程度的衰减。其中黏聚力的衰减幅度较大，呈指数形式骤减，而内摩擦角的降低幅度则较小。在干湿-冻融作用的初期，黏聚力的衰减幅度占总衰减率的41.2%～48.6%。土体黏聚力的骤减，导致了渠基边坡膨胀土的浅层滑坡破坏，表明黏聚力在边坡失稳中起决定作用。

沿空切顶巷道所处应力环境复杂、留巷服务期长，一次采动及留巷期间底鼓问题突出。以淮南丁集煤矿1462（1）轨顺切顶留巷条件为工程研究背景，建立离散元数值计算模型，分析得到一次采动至留巷稳定阶段底板非对称变形特征及其受力状态。构建一次采动至留巷稳定阶段两端固支二次超静定底板梁力学模型，并引入等效载荷概念求解得到了各分布力作用下底板挠度数学表达式，运用叠加原理推导出切顶留巷底板变形表达式。结合留巷条件，求得该巷道平均底鼓量为0.74 m，最大底鼓量为0.77 m，最大鼓起位置偏向采空区侧，距巷中1.15 m，计算结果与现场实测和数值计算结果较为吻合。依据所求得的底板变形表达式，分析了留巷底鼓影响因素，底鼓量与底板刚度的增加呈负指数减小，底板刚度在5～13 MN•m²之间内变化时，巷道底鼓对其变化较为敏感；与底板载荷、支架载荷、煤帮载荷及应力集中系数λ 均呈线性正相关，增长率分别为0.082 6、0.034 9、0.027 2 m/MPa和0.007 m。基于对留巷底板受力变形及其影响因素的分析，提出了“顶底互控、帮角加固、底板强化”的防控对策。工程实践表明，相较于留巷初期底板变形得以有效控制，底鼓降幅明显，所留巷道能够满足复用要求。

白云石是通过白云石化作用形成，该过程使岩石孔隙率增加，以白云石为特征矿物，研究其对粉砂岩物理力学性能劣化的影响，对深部地下工程设计和稳定性预测具有重要意义。基于X射线荧光光谱仪（X-ray fluorescence spectrometer，简称XRF）、X射线衍射仪（X-ray diffractometer，简称XRD）、镜下鉴定、超声波波速、核磁共振测试，定量分析了白云石对粉砂岩物理参数的影响；通过巴西劈裂、单调加载、循环加卸载试验，获得了抗拉强度、抗压强度等力学参数的演化规律；建立了表观弹−黏−塑损伤模型，结合计算机断层扫描（computerized tomography，简称CT）和扫描电子显微镜（scanning electron microscope，简称SEM）扫描探究了白云石诱发粉砂岩劣化的机制。结果表明：（1）白云石的存在使颗粒磨圆度优，晶间咬合程度弱，与方解石交代边界孔隙明显，使孔隙连通性提升，孔隙率增大了2.77倍。（2）白云石的存在使抗拉最大应变减小，使抗压强度折减了14.5%，压密阶段延长了9%，裂纹稳定扩展阶段缩短了12%。（3）循环加卸载应力差值越大损伤值越高，不含白云石的岩石损伤变化较大，呈前期快速增加，后期缓慢增加的趋势，而含白云石的岩石损伤变化较为平稳，白云石使表观弹−黏−塑性损伤积累更剧烈。（4）不含白云石岩样裂纹弯折，耗散能较高，蓄能值低，含白云石岩样裂纹平直，耗散能较低，蓄能值高。白云石的存在使孔隙连通性增强，裂纹更易扩展，张拉裂纹占比升高。

冻融过程岩石孔隙内未冻水含量变化是影响其力学特性的关键因素之一。以砂岩为研究对象，采用低场核磁共振系统（nuclear magnetic resonance，NMR）对岩石冻融过程（20、0、−2、−4、−6、−10、−15、−10、−6、−4、−2、0、20 ℃）孔隙水含量进行监测，分析未冻水含量随温度的演化规律，并探讨岩石冻融过程未冻水含量演化对其力学特性的影响。研究结果表明：（1）冻融过程岩石中孔隙水受温度影响显著，共经过5个阶段，即过冷段、快速冻结阶段、缓慢冻结阶段、缓慢融化阶段和融化加速阶段。（2）岩石在解冻过程中有明显的滞后现象。在相同温度下，岩样冻结过程未冻水含量明显高于解冻过程。与之对应，解冻过程的峰值强度和弹性模量相对于冻结阶段显著提高。（3）冻融过程的单轴抗压强度以及岩石弹性模量与未冻水含量的关系可由指数函数表示。冻结初期，岩石力学参数的变化主要受孔隙冰含量的增长及孔隙冰对岩石颗粒的胶结作用影响，随温度进一步降低，吸附水膜厚度下降，吸附能力增强，使孔隙冰与对岩石颗粒之间的整体性增强，岩石力学参数进一步发生改变。

随着我国山区高速公路建设的不断推进，弃渣场地的稳定性及致灾机制成为工程建设评估的重要因素之一。为了实现弃渣场的稳定性、失稳灾害动力学全过程的分析，基于面向GPU并行高性能计算软件CoSim中的物质点法（material point method，简称MPM），引入强度折减法（strength reduction method，简称SRM）开展相关研究工作。为了验证算法的合理性，以典型均质边坡为例，采用基于MPM的强度折减法与极限平衡法（limit equilibrium method，简称LEM）进行了对比，表明两者无论在稳定系数F_s还是在潜在滑动面上均具有良好的一致性。在此基础上，以云南某高速公路弃渣场降雨诱发失稳灾害为例，对其在天然工况和暴雨工况下稳定性和失稳过程进行了分析。结果表明，该弃渣场边坡在天然状态下处于稳定状态，而在暴雨工况下会发生失稳和大变形滑动；数值模拟和现场调查结果吻合较好，表明了提出的方法在弃渣场边坡稳定性与大变形失稳动力学分析中有强大的优势，可以实现斜坡的“稳定性→大变形→流动→堆积”的全过程分析。

寒区岩石常因经受冻融循环作用而产生冻融变形累积，对工程稳定产生不利影响，目前对岩石累积冻融变形及其危害认识不足。因此，基于砂岩冻融循环试验，研究砂岩多周期累积变形特性，并探究了冻结温度、降温速率、饱和度、孔隙率对其累积冻融变形特性的影响。利用光学显微镜、扫描电镜、压汞法对冻融作用前后砂岩微观孔裂隙分布、孔径分布演化进行测试，以揭示砂岩宏观冻融变形特性的微观机制。结果表明，砂岩累积冻胀应变和残余应变均远大于首周期冻胀应变和残余应变，寒区工程以单周期冻融应变为依据进行工程响应分析存在显著风险，以累积冻融变形为依据更合理。冻结温度降低、降温速率增大或孔隙率增大时，砂岩累积冻胀应变和残余应变均增大。冻融循环作用下，砂岩内部微观孔隙、裂隙逐渐发育，颗粒间的连接也逐渐松散，内部孔隙结构发生变化，部分孔径范围内孔隙明显增多，孔隙总体积也相应增大，产生无法恢复的塑性变形，从而产生宏观上随冻融循环次数逐渐增长的累积冻胀应变和残余应变。

开展耦合条件下、超低渗缓冲材料中气体迁移行为研究，对于确保深地质处置库安全运营具有极其重要的理论与实践意义。研究表明，气体在缓冲材料中的迁移一般会依次经历超低渗和气体突破两个阶段，分别以气体溶解扩散和显著渗流为特征。其中，突破模式主要包括毛细突破、力学突破和界面突破。为实现气体全过程迁移流量的连续测取与突破模式的甄别，试验装置的研发经历了恒体积、K0侧限、等向应力和三轴应力控制阶段。新近的温控三轴试验系统可实现1/10 000 mL/min超低流量量测，同时借助涡电流传感技术，可实现试样局部微体变的实时感知，助力突破模式甄别。鉴于经验模型和基于拟连续介质理论建立的理论模型缺少突破模式表征指标，学者们基于突破压力曲线优先触碰原则，建立了气体突破模式甄别概念模型。周期短且量测精度高的气体突破测试方法、更为普适的突破模式甄别模型构建以及不同尺度气体迁移参数转换等应该是未来研究重点。

结合简化Bishop法，推导了地震作用下边坡的稳定性计算公式，包括拟静力法（pseudo-static method，简称PSM）、经典拟动力法（pseudo-dynamic method，简称PDM）和修正拟动力法（modified pseudo-dynamic method，简称MPDM）。其中，修正拟动力法将土体视为Kelvin-Voigt材料，考虑了土体的黏弹特性和放大特性。在此基础上，对修正拟动力法进行了推广，使剪应力在坡顶、坡面处均为0，符合边坡应力特征。然后，基于Morlet小波分析，以El centro波为研究对象获得了地震波的频谱分布特征。通过提取峰值加速度PGA时刻的卓越频率，提出了一种考虑地震动时频特征的边坡地震稳定性评价方法。最后，将各方法与实例进行了验证。结果表明：拟动力法所需参数较少且意义明确，能够快速、准确地评价边坡地震稳定性，与时程分析方法结果接近。该研究成果可为边坡地震危险性评价、地震滑坡灾害范围分析预测、抗震应急抢险提供理论依据。

大力发展可再生能源已成为世界各国的共识，其中的重要方向之一是海上风电。海上风机上部结构所受的风、浪、流等复杂环境荷载最终由锚固基础承担，因此锚固基础的承载性能在确保整个系统的服役稳定性中起着决定性作用。串联锚是一种新型混合锚，由两个或多个传统锚板（如拖曳锚或法向承力锚）组合而成，具有安装成本低、锚固效率高、可重复使用和承载能力高等优点。提出了串联锚的塑性极限分析上限解可以快速预测串联锚的承载能力，发现不排水抗剪强度梯度k并不会对承载能力系数产生影响。在耦合荷载的影响下，串联锚的法向抗力主导了承载力的大小，切向荷载与旋转扭矩的发挥机制与单一锚板区别不大。服役过程中，串联锚相对于单个锚板需要更大的位移来调动其极限承载能力。

为研究钻机钻进参数与围岩参数定量关系，实现冲击地压卸压钻进与预警评价同步，自主研发一套防冲钻机钻测智能化试验平台。该平台由智能钻测试验钻机、大尺度真三轴应力加载系统、计算机控制系统和其他辅助装置等组成。平台能够较好地还原现场环境下的岩体力学参数与结构特征，实现随钻参数的实时测量与收集；利用该平台初步开展验证性试验。结果表明：真三轴应力加载系统通过电液伺服系统控制横向与竖向加载液压缸，实现大尺度试件的精确均匀真三轴加载，最大压力达6 000 kN，可真实再现千米深井围岩应力状态；智能钻测试验钻机在导轨式液压钻机基础上，设计新型高精度传感装置及信号传输模块，实现复杂工况下钻杆钻进过程中近钻头处随钻参数的实时测量与传输；计算机控制系统具有真三轴加载、钻机钻进控制、钻进参数收集等功能，实现钻进与参数采集同步；平台整体结构设计合理，操作简单。研发的试验平台可开展真三轴应力状态下大尺度试件钻进试验，对于研究建立钻机钻进参数与围岩参数定量关系，研发钻进过程中冲击危险性同步智能预警技术，实现围岩稳定性评估并进行同步预警等具有重要意义。

室内测量土-水特征曲线（soil-water characteristic curve，简称SWCC）往往需要很长的平衡时间，而实际土体的变化可能并不满足平衡时间要求。当时间尺度较小时，SWCC可能未达到平衡，此时如果仍采用平衡条件下土-水特征曲线来建立非饱和土的方程，就会产生误差。为此，研究了在非平衡条件下土-水特征曲线的动态效应，基于现有理论给出了土-水特征曲线参数与饱和度变化率的关系，并利用动态参数建立了动态毛细滞回模型。自主设计SWCC快速测量装置，针对粗砂和细砂开展了不同饱和度变化率情况下的土-水特征曲线测定试验。试验研究表明：（1）土-水特征曲线参数具有明显的动态效应；（2）进气值和残余饱和度并非定值，随饱和度变化率的不同有所改变；（3）利用试验结果对模型进行了验证，动态模型的预测结果与试验结果吻合较好，说明了该模型的合理性。本研究为解决非饱和土变形、强度和渗流问题提供了更加贴合实际的理论基础。

地下工程施工过程中岩爆的发生与岩石时滞性破坏特性密切相关，而且开挖爆破、机械钻凿等动力扰动直接影响岩爆的形成过程。基于此，特开展不同幅值和频率动力扰动作用下的砂岩时滞性破坏试验，分析动力扰动作用对岩石时滞性破坏的影响规律及机制。研究表明：（1）不同幅值（8%～24%）和频率（0.2～1.0 Hz）扰动作用下岩样破坏孕育时间显著缩短，相较无扰动作用岩样破坏孕育时间缩短了39.49%～98.21%；随着扰动荷载频率和幅值增大，岩样加速变形阶段持续时间占比逐渐减小，破坏突发性增强。（2）随着扰动荷载幅值和频率增加，岩样破坏时的片状剥落现象逐渐减弱，裂纹产生的随机性明显增强，说明动力扰动荷载改变了岩样的时滞性破坏形式和程度。（3）动力扰动作用下岩样损伤变量随扰动时间呈倒S型增长规律，建立了考虑静载和动力扰动作用的岩石时滞性累积损伤模型。（4）静力加载阶段岩样积聚大量弹性能并造成初始损伤，动力扰动作用加剧了损伤演化进程并不断诱发新的损伤，扰动作用幅值和频率增加均会加速岩石损伤进程，使得试样承载能力下降，进而诱发岩爆。相关研究成果可为深部岩体工程动力触发时滞性岩爆分析解释提供较好的参考。

岩石-混凝土界面是工程结构的薄弱环节，对结构整体的强度和稳定性有重要影响。为反映岩-混界面天然粗糙状态，基于内聚力模型（cohesive zone model，简称CZM），建立了具有随机生成粗糙界面的岩石-混凝土复合巴西圆盘试件数值模型，通过不同加载角度下的巴西劈裂物理试验验证了该方法的可靠性，并探究了界面粗糙度、加载角度对试件峰值荷载和破坏特征的影响。结果表明：不同加载角度下，试件存在3种典型破坏模式：界面黏结破坏、复合破坏、双材料拉伸开裂破坏；加载角度对试件力学行为的影响以70°为界，加载角度小于70°时影响显著，大于70°后影响不显著；界面粗糙度的影响随加载角度的不同有较大差异，当加载角度在15°～65°范围内，提高界面粗糙度可显著提高试件峰值荷载，增强岩-混结构的承载能力；界面处应力状态的差异决定了试件破坏模式的不同，但粗糙的界面可以增强混凝土与岩石之间的黏结和互锁效应，对试件破坏模式产生影响。研究结果将加深对岩石-混凝土界面破坏机制的认识，对工程建设具有指导意义。

淤泥颗粒细腻、含水率高，固化强度主要由胶结强度提供，摩擦强度不高。以磷石膏、矿渣和生石灰为原料，制备磷石膏基团粒，再协同水泥固化淤泥，评价了固化淤泥的物理力学性能。结果表明，磷石膏基团粒的吸水率为13.4%，可以局部分离淤泥中的自由水，提升水泥的固化效果；压实成团后，磷石膏中的可溶磷（氟）浸出浓度均显著低于原状磷石膏的对应浸出浓度，且均低于地表III类水的排放标准（P浸出浓度≤0.2 mg/L，F浸出浓度≤1.0 mg/L），满足环保要求；磷石膏基团粒（粒径d≤5 mm）均匀分布于淤泥中，发挥骨架效应，明显提升固化淤泥强度，提升率达到22.3%，强度超过1 MPa。究其原因，团粒中的磷石膏−矿渣粉−石灰反应生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶和针状钙矾石，C-S-H凝胶和针状钙矾石相互交织形成空间网状结构，填补了磷石膏基团粒内部孔隙和团粒−淤泥交界过渡区的孔隙，既固定了可溶磷和氟，又提升了团粒−淤泥界面过渡区的搭接能力。研究结论既为磷石膏综合利用提供参考依据，也为淤泥固化提供新方法。

为了研究降雨作用对花岗岩残积土边坡稳定性的影响，进行了3种降雨强度（30、60、90 mm/h）、2种降雨时长（3、12 h）下的室内模型箱试验，监测了湿润锋、竖向位移等变化规律，使用PFC离散元软件对花岗岩残积土直剪试验进行模拟，标定不同含水率下花岗岩残积土的细观参数，并以此参数建立离散元边坡模型试验模型，分析位移场、转动场、失稳指标、力链、组构各向异性等细观变形和力学机制，揭示模型箱试验中边坡失稳的细观机制。结果表明：当降雨强度达到60 mm/h或以上时，边坡的滑移和扰动范围大幅扩大，滑移体沿着临坡面呈现圆弧形；边坡滑移损失率随降雨时间呈现先减小后增加的趋势，短时间的低强度降雨可以加固边坡，但持续降雨会导致滑移损失率显著上升；边坡中土体颗粒的位移和旋转角在9 h后显著增加，形成明显的圆弧形滑移破坏面；在降雨时长达到9 h后，边坡内力链分布和接触力各向异性显著变化，边坡的滑移面上的力链断裂，稳定区域内力链密集。

深部地下厂房开挖过程中所产生的循环扰动会导致围岩损伤，从而降低围岩力学性质。为揭示叶巴滩水电站地下厂房中深埋花岗岩在循环扰动后的分级卸载破坏特性和损伤过程，首先进行了围压为30 MPa、循环应力分别为12.5%～17.5%（低应力）、10.0%～37.5%（中应力）、62.5%～72.5%（高应力）峰值强度的峰前恒幅循环扰动，在此基础上进行了3种分级卸围压试验，进而开展了峰前循环扰动下的深埋花岗岩特征参数演化规律分析与损伤变量构建。研究结果显示：低、中应力循环扰动对花岗岩造成的损伤可忽略不计，但高应力恒幅循环扰动会导致轻微损伤。在不同分级卸围压路径下，岩样变形主要集中在最后3个阶段的围压降低过程中，其宏观破裂模式为压剪破坏；弹性模量呈下降趋势，泊松比呈上升趋势，最大剪胀角基本相同；高轴压恒幅循环扰动后的分级卸围压试验下的岩样累积应变能最高，表现出更强的脆性破坏倾向。此外，分级卸围压下的岩样应变能均高于常规三轴压缩下的岩样应变能，后者可作为分级卸围压岩样是否进入加速损伤破裂阶段的判别阈值。采用侧向应变响应法和裂纹体积应变法确定的深埋花岗岩闭合应力、起裂应力和损伤应力分别为其峰值强度的17.9%、42.7%和73.8%，并据此建立了基于裂纹体积应变的损伤变量，进而划分了深部硬岩损伤过程的4个阶段。研究成果可为分析高应力花岗岩的破坏过程提供试验和理论支撑。

爆破挤淤法是厚度15 m以上的软弱土地基有效处理方法之一。为了研究炸药埋深对该方法处理效果的影响，开展了淤泥中爆破的模型试验，利用全自动十字剪切板进行了不排水抗剪强度测试，探讨了炸药埋深对淤泥的不排水抗剪强度、含水率等影响，并利用扫描电镜分别观测了不同炸药埋深下爆破前后土体的微观结构。研究结果表明：爆破会破坏爆点附近的土结构，导致孔隙率增加，不排水抗剪强度骤降，形成爆破扰动区；扰动区以外土体受到挤压导致不排水抗剪强度增加，形成爆破挤密区。爆破后土体含水率下降，爆心距越大下降越显著。炸药埋深为0.3倍淤泥厚度的爆后不排水抗剪强度减小最显著，约27%，扰动区范围最大，约为19.2 d（d 为爆点直径），爆破效果最显著。因此，存在爆点最佳埋深，使得爆破效果最好，扰动土体的范围最大；可通过不排水抗剪强度确定爆破扰动范围。研究结果可为相关工程中炸药埋深设计提供技术支持和参考。

浮泥−流泥的物理力学特性与常规软土存在较大差异，以致大面积浮泥−流泥地基的沉降计算仅采用“在经典公式基础上通过沉降计算经验系数进行修正”的方法是欠科学的。鉴于此，通过理论推导建立了间歇沉降阶段及其后续低压（0～100 kPa）排水固结阶段的总沉降计算方法，并通过开展室内静态间歇沉降模型试验和低压固结试验，分别验证了间歇沉降计算方法和低压固结沉降计算方法的科学合理性。研究结果表明：（1）平均孔隙比累计变化率r_e和低压固结压缩指数C_C-low是两个关键技术参数，前者可通过理论公式推导和开展长期静态间歇沉降模型试验综合确定，后者则通过开展低压固结试验确定。（2）对于黏粒含量为40%～60%的浮泥−流泥，在无法开展静态间歇沉降模型试验的情况下，可将“平均孔隙比累计变化率为60%～75%”作为静态间歇沉降稳定状态的判定标准，即当黏粒含量为40%时，r_e 取为75%；当黏粒含量为60%时，r_e 取为60%。该标准同样适用于无初始结构的宾汉体。（3）基于e-lgP（e 为孔隙比，P 为竖向压应力）曲线采用斜率平均法确定低压固结压缩指数的取值，更为合理。（4）总沉降计算公式综合考虑了静态间歇沉降行为与低压（0～100 kPa）排水固结行为，能满足工程精度要求，弥补了现行相关研究的不足，可为浮泥−流泥地基处理的设计与施工提供科学支撑。

针对隧道开挖引起地下管线变形和局部脱空，基于分布式光纤的感知应变，提出了一种非连续管线的变形反演方法。采用双层Winkler地基梁模型模拟管−土相互作用，考虑接头处弯矩−转角关系，基于差分法和共轭梁法，分别推导了应变已知条件下管线位移、转角和土体沉降的反演表达式，对管−土脱空进行了识别。通过与有限元结果的对比，验证了反演理论的合理性和精度。结果表明，接头转动刚度的影响区间基本不受管线弯曲刚度的影响；脱空范围随着管线刚度和土体沉降的增大而增加，当上部土体地基系数较大时，管线主要发生上部脱空，反之，则易发生下部脱空；利用端点和最大应变处双重转角的边界条件，能显著提高反演的抗噪性能。

膨胀土是一种分布广泛的特殊黏土，无法直接应用于工程中。为寻找膨胀土路基高效填筑方式，提出了一种采用膨胀土制备泡沫轻质土、完全消除膨胀性的技术思路。通过流值测试、干燥收缩试验、pH值测试、抗压试验，对不同水固比、湿密度、膨胀土掺量条件的膨胀土基轻质土（expansive soil-based lightweight soil，简称E-LS）物理力学性能开展了系统研究。通过正交试验定量分析各影响因素对无侧限抗压强度q_u的影响规律，提出了E-LS强度确定方法。试验结果表明：利用膨胀土制备E-LS从根本上改变了膨胀土结构，完全消除了膨胀土的膨胀性，其强度随湿密度、养护龄期增加而增大。膨胀土掺量为30%～60%时，28 d无侧限抗压强度q_{u-28 d}在0.21～1.58 MPa之间，其中湿密度为900 kg/m³、膨胀土掺量为50%、水固比为0.8的E-LS，q_{u-28 d}可达到0.92 MPa，满足路基填筑要求。影响抗压强度因素排序为膨胀土掺量>湿密度>水固比，建立了E-LS强度预测模型。E-LS可以满足不同工程填筑要求，并具有去膨胀、免压实、施工方便等优点，具有良好的工程应用前景。

库岸岩质边坡因受库水位波动影响，节理面受到干湿循环的作用，干湿循环后的节理面剪切强度成为控制岩质边坡稳定性的关键因素之一。目前针对干湿循环后岩体节理面剪切损伤本构等方面研究不充分。以三峡库区红砂岩为例，通过开展不同干湿循环次数下红砂岩的节理直剪试验，获得干湿循环作用下红砂岩的强度变形特征，建立了考虑干湿循环效应的修正Iwan节理面剪切损伤本构模型。结果表明：节理试样的剪切应力−位移曲线形态表现为初始压密、线弹性变形、峰前软化、峰后破坏和残余变形5个阶段；通过引入Logistic模型，节理面剪切损伤本构模型能够反映实际的节理面损伤过程，较好地描述规则锯齿状节理面压密阶段剪切变形行为；干湿循环次数与修正后节理面Iwan剪切损伤本构模型参数存在对数关系；通过室内试验，验证了考虑干湿循环效应的修正Iwan节理面剪切损伤本构模型的准确性，该模型能有效预测干湿循环后节理面剪切应力−剪切位移的关系。研究成果可为三峡库区岩质边坡剪切滑移破坏机制研究和灾害防治提供一定参考。

针对膨胀土易开裂且不利于植被生长的问题，提出采用黄原胶-生物炭-椰壳纤维复合（简称生物基质）对膨胀土填方边坡表层土体进行改良。基于响应面法（response surface methodology，简称RSM）对干湿循环作用下不同配比的生物基质改良膨胀土的裂隙性和强度特性进行分析，探明了各因素及其交互作用对膨胀土裂隙率和抗剪强度的影响规律，并结合扫描电子显微镜（scanning electron microscope，简称SEM）试验、X射线衍射（X-ray diffraction，简称XRD）试验和拉伸试验等揭示了其影响机制。结果表明，各影响因素对膨胀土裂隙率和抗剪强度均有显著影响，而各因素间的交互作用主要以黄原胶和椰壳纤维为主，其他两两因素无明显交互作用；黄原胶水化后具有较高的黏度和胶凝性能，可以有效增强土颗粒-纤维之间的界面作用力，并与椰壳纤维黏合交织，形成稳定的三维结构网，整体提升土体的抗拉强度。采用多目标满意度函数优化后，生物基质改良膨胀土的最优配比如下：黄原胶掺量为0.60%，生物炭掺量为3.60%，椰壳纤维掺量为0.24%。与素膨胀土相比，其裂隙率降低了71.04%，抗剪强度提高了93.73%，植被覆盖率提高了223.77%。研究结果可为生物基质在膨胀土边坡生态防护中的应用提供理论基础。

水电站地下厂房的建设因其超大规模、高边墙、大跨度和地质条件的复杂性，破坏机制和稳定性控制一直是设计和施工过程中密切关注的焦点和难题。依托当前世界地应力最高的双江口水电站地下厂房，通过现场调查、原位监测、理论分析和数值模拟，研究了极高地应力下硬岩变形破坏的工程问题和稳定性控制方法，主要从两个方面进行探讨：首先，利用有限的地应力测试数据和导洞中观察到的脆性破坏现象，估算和修正深切河谷地区地下厂房区的原岩应力场；其次，讨论了极高地应力下厂房洞室的典型破坏现象，包括高应力诱发破坏全局问题和局部岩脉切割导致的块体失稳问题，以及相应的破坏机制和控制措施。研究成果将为后续高应力硬岩大型地下厂房洞室群的建设提供重要的案例和借鉴。

横截面异形桩是一种截面非圆的桩型，因其复杂的边界条件，使得受力特性不同于圆桩，目前关于异形桩横向动力响应的理论分析方法较为缺乏。为了研究异形桩在均质黏弹性土中的横向动力响应，将土体视为近似连续介质，基于变分原理和哈密顿原理导出直角坐标系下的桩−土体系控制方程。运用COMSOL物理场中的偏微分方程接口求解含复杂边界条件的土体位移函数，用Matlab中的BVP4c函数求解桩身位移函数，在Matlab中编写迭代程序可得桩身位移函数和土体位移函数的半解析解。将结果与现有圆桩理论解进行对比，结果吻合效果较好。对异形桩进行分析发现，横截面积相等时，形状对桩顶动力响应影响明显，H形桩的桩顶阻抗最大；横截面惯性矩相等时，X形桩的桩顶阻抗最大。以X形桩为例，桩顶阻抗随桩−土模量比的增大而增大；共振频率及桩顶阻尼随长径比的增大而减小，桩顶刚度随长径比增大而增大。

为了研究循环荷载对裂隙岩体力学破坏特征和渗流演化规律的影响，开展轴压和孔压低频多次循环加卸载条件下含倾斜粗糙单裂隙砂岩的应力-渗流耦合试验。结果表明：在应力的作用下，岩样沿预制裂隙面发生相对滑移，裂隙表面凸起在滑移过程中发生磨损、剪断，凸起的剪断和磨损会导致加载过程中应力的小幅跌落，也是导致流量在压缩过程中发生波动的主要原因；对于含倾斜单裂隙的试样，其强度主要取决岩块是否沿预制裂隙面产生滑移和孔压的大小；在轴压循环加卸载过程中，裂隙岩体随着循环次数的增加产生损伤劣化，试样抵抗变形的能力变弱，表现为弹性模量非线性下降，泊松比非线性上升；孔压循环加卸载会减短衰减蠕变段的时间，在稳定蠕变阶段会减小蠕变的应变率；循环加卸载过程中流量是一个动态演化的过程，在加载初期，因为裂隙在应力的作用下发生闭合，流量呈下降趋势，随后流量随着轴压的循环加载―卸载而减小―增大；基于灰度阈值分割方法可以将裂隙的连通域和接触域较好的分离开，连通域与整个裂隙面面积相比得到的裂隙连通率Ф，最终流量随分形维数 D 与裂隙连通率 Ф 的增大呈指数级增大。