二氧化碳（CO₂）地质封存作为碳捕集、利用与封存（carbon capture，utilization，and storage，简称CCUS）的核心环节，是削减温室气体排放的重要手段。随着封存规模的不断扩大，CO₂泄漏风险的提高将威胁封存项目的安全性和有效性。首先，系统综述了大规模CO₂地质封存中泄漏问题及研究现状，探讨了主要泄漏路径及其物理、化学和地质机制，重点分析了井筒、断层/裂隙和盖层等关键通道的泄漏行为，总结了CO₂泄漏引发的灾害链及其对地下水、土壤微生物、植被和气候变化的潜在影响，梳理了泄漏监测与风险评估技术的最新进展，突出多源传感、智能分析和多尺度耦合模型的重要作用；然后，探讨了当前泄漏管控与修复的研究进展，包括水泥基材料、聚合物凝胶、生物矿化技术、泡沫技术及纳米技术的应用，指出了这些技术在长期稳定性和大规模封存应用中的局限性；最后，提出未来研究应聚焦泄漏路径机制识别、多源融合监测与智能预警以及适应复杂地质环境的快速响应修复系统，构建全周期的泄漏防控与管理框架。

锚杆与土体之间的蠕变是决定锚杆预应力损失规律的关键因素，直接影响着边坡的长期稳定性。与传统锚杆不同，节泡型锚杆作为一种承压型锚杆，其预应力损失计算需要考虑与土体的剪切和压缩蠕变的耦合作用。因此，揭示节泡型锚杆与土体相互作用下的独特蠕变机制具有显著研究价值。首先，开展红黏土剪切和压缩蠕变试验，获取其蠕变参数；其次，利用自主研发的模型试验系统，开展节泡型锚杆蠕变特性试验；最后，基于分数阶微积分理论，建立考虑土体剪切和压缩蠕变耦合作用的分数阶节泡型锚杆蠕变模型。结果表明：相比于传统注浆锚杆，节泡型锚杆蠕变的衰减蠕变阶段持续时间较长，且衰减速率较慢；节泡型锚杆在红黏土中发生土体压缩蠕变占总蠕变的90%以上，且随时间增加而增大；建立的考虑土体剪切和压缩耦合蠕变的节泡型锚杆蠕变模型，能较好地描述节泡型锚杆-土体的蠕变行为。研究结果不仅能为新型节泡型预应力锚杆的设计和应用提供理论基础，而且能为节泡型预应力锚杆的服役性能评价提供依据。

膨润土的主要黏土矿物为蒙脱石，其片层因同晶替代带有固定负电荷，形成的层电荷是控制其收缩行为的关键因素。通过试验与理论结合，探讨了层电荷对膨润土收缩特性的影响机制。试验中，以钠基膨润土为原料，利用锂离子固定法制备了一系列层电荷逐渐降低的减电荷膨润土。采用数字图像法获得收缩特征曲线，并结合露点水势仪和核磁共振仪，获取土-水特征曲线及水分分布。结果表明，随着层电荷降低，膨润土由高收缩性逐渐转为低收缩性，收缩曲线出现结构收缩阶段，并可根据拐点划分为毛细作用阶段与吸附作用阶段，该拐点与水分分布特征高度一致。层电荷降低同时削弱了持水能力，但经阳离子交换量归一化后，土-水特征曲线在高吸力区段趋于重合，表明吸附阶段主要受层间可交换阳离子水化作用控制。采用粒间应力表征的脱湿诱导压缩曲线显示，收缩变形主要发生在毛细阶段，为弹塑性变形，而在吸附阶段则转为弹性变形。综合分析可知，收缩特征曲线、水分分布、土-水特征曲线和脱湿诱导压缩曲线在毛细与吸附阶段的分界点高度一致。

互锁式L型沉箱作为一种新型沉箱结构，能够有效应对复杂海洋环境荷载。该结构在深水港码头、防波堤和人工岛等海洋基础设施中具有广阔的应用前景。通过室内加载模型试验，探究了所提出的互锁式L型沉箱（interlocking L-shaped caisson，简称ILC）替代传统L型沉箱（conventional L-shaped caisson，简称CLC）的可行性。研究了相邻ILC形成的六棱柱空腔内部的填充材料、地基类型和荷载形式对沉箱码头稳定性的影响。与CLC码头相比，在条形荷载下采用碎石或混凝土块联锁加固的ILC码头极限承载力分别提高了15.5%和20.1%。混凝土块联锁加固的ILC码头具有更优的承载性能。随着软土夹层地基替代砂土地基，ILC码头的极限承载力降低，其破坏模式由倾覆破坏变为整体失稳破坏，破坏面形态由直线-圆弧状变为多折线状。随着作用范围更小的集中荷载替代条形荷载，ILC码头的整体性变差，极限承载力显著降低，沉箱附近回填土表面沉降增大。

为探究新疆长距离输水工程建设中黄土的湿陷性问题，以新疆伊犁河长距离输水工程湿陷性黄土为研究对象，开展渠基黄土不同埋深湿陷性、含水率及孔隙比现场监测试验，重点分析渠基黄土湿陷性的空间分布规律。通过室内自重湿陷试验、浸水压缩试验对不同含水率原状黄土的湿陷特征、孔隙结构进行定量测定，采用微观电镜扫描（scanning electron microscope，简称SEM）和颗粒及裂隙图像识别系统，研究不同湿陷次数、不同竖向应力作用下原状黄土湿陷特征与内部微观孔隙结构的关系。研究结果表明：（1）输水渠道黄土的湿陷性主要受含水率控制，含水率越小，微观孔隙结构特征越显著，湿陷变形特征也越大，且具有一定的“剩余”湿陷性。（2）黄土在湿陷变形过程中存在颗粒软化效应和聚合物效应，孔隙结构逐渐减小，引起了较大的湿陷变形，且在低含水率状态时湿陷变形特征更加显著。（3）长距离输水渠道黄土的湿陷性随埋深增大而逐渐减弱，且渠基黄土的湿陷是多次发生的，先期湿陷性较大、后期湿陷性较小，渠基黄土湿陷性具有多阶段特征。

掌握和利用气候变化下黄土的水热迁移规律，对边坡工程安全和农业生产等具有重要意义。基于自制的竖向控温水热迁移试验装置，采用非接触式湿度场与温度场连续测试技术，系统开展了不同温度水平和初始含水率条件下的黄土底部增温试验，研究温度势、重力势及基质势三者共同作用下黄土的竖向水热迁移规律，结果表明：（1）45～75 ℃热源温度下，黄土试样的温度场约在24 h内趋于稳定状态；（2）在0～40 cm高度范围内，土样初始含水率越高，热源温度越高，稳定后土样的温度越高，温度梯度越大；（3）随着加热时间的增长，土样的含水率沿高度分布曲线出现明显峰值，且峰值位置逐渐向上移动，同时峰值大小也逐渐增大；（4）温度势对黄土中水分的向上迁移起主导作用，温度的升高显著增强了水分迁移的驱动能力；（5）初始含水率适中时，土中水分向上迁移现象最为显著。

为探究粉煤灰作为胶凝材料的胶结充填体力学性能与破坏特性，对粉煤灰替代水泥量为0%、40%和100%的尾砂胶结充填体开展了单轴压缩、声发射（acoustic emission，简称AE）及扫描电镜试验。基于分形和尖点突变理论对加载过程中得到的AE参数与应变能参数分别进行研究，分析了3种不同粉煤灰掺量胶结充填体破坏过程的AE分形维数变化特性与应变能突变下的预警区间。结果表明：各粉煤灰掺量下胶结充填体试件的水化产物主要为钙矾石和无定形簇状水化硅酸钙；随粉煤灰掺量增加，水化产物生成量、紧密性及整体性均降低，试件强度呈减小趋势，而弹性模量则呈先减后增趋势；各粉煤灰掺量胶结充填体应变能突变区域均在应力峰值前，并呈现两次突变；掺量为0%和40%的试件局部破坏加剧集中于应力峰值后，整体破坏发生前分形维数呈下降趋势，预警区间位于分形维数下降区中后段；掺量为100%的试件局部破坏加剧集中于应力峰前，整体破坏发生前分形维数呈上升趋势，预警区间位于分形维数上升区前中段；粉煤灰掺量为0%、40%的胶结充填体预警区间与AE前兆特征对应性优于100%掺量的胶结充填体。研究结果可为尾砂胶结充填体的破坏预警提供理论依据。

地下煤矿的开采会引起采掘工作面前方岩体应力状态的变化，进而导致岩体损伤，形成地下水渗流通道，并引起突水、围岩垮落等灾害。针对这一情况，为模拟开采扰动下不同区域岩体的应力状态，设计3种应力加载路径进行三轴压缩试验：常规三轴压缩（conventional triaxial compression test，简称CTCT）、增轴压卸围压（loading axial pressure and unloading lateral pressure test，简称IUT）、恒轴压卸围压（keeping axial pressure and unloading lateral pressure test，简称KUT），并设计了两种加载方式的蠕变试验：梯级加载蠕变试验以及卸围压蠕变试验，研究岩体损伤与渗透特性演化规律及其时效性机制，并通过理论分析表征蠕变过程与蠕变卸载过程中灰岩的损伤。结果表明：（1）不同的应力路径下灰岩表现出的屈服特性、渗透率等力学与渗透性能存在显著差异，但破坏形式均以剪切破坏为主；（2）随着围压水平的提高，渗透率增长速率最大值所对应的应力路径分别为：常规三轴加载、增轴压卸围压、恒轴压卸围压，这表明灰岩的渗透性能演化规律与地应力水平以及应力状态密切相关；（3）损伤主要发生于轴向加载以及围压卸载过程中，在卸围压的加载方式下，灰岩损伤累计与破坏的速率高于常规加载路径；（4）改进了西原模型并成功验证了其可靠性。研究成果可为巷道、隧道等地下工程施工稳定性研究提供参考。

岩体赋存结构面在受到地震等动力扰动时可能会发生损伤和破坏，其在峰前循环剪切作用下的力学响应对于地下工程动力灾害防控具有重要意义。当前研究多聚焦相似材料而非岩石基质，加载特征多考虑往复而忽视赋存地应力，循环阶段结构面力学特征演化规律仍不清晰。通过巴西劈裂试验获取天然粗糙结构面，并基于3D扫描与雕刻技术批量重构具有天然形貌特征的岩样，开展了峰前循环荷载作用下粗糙结构面的响应研究，分析了法向应力、加载频率、静载幅值及动载幅值对结构面力学特性的影响规律，主要包括峰值强度、累积位移和滞回环平均刚度、阻尼比等指标。采用随机森林方法确定4类因素对结构面力学性质影响。试验结果表明：随着循环次数增加，结构面局部应变增大，应变局部化区域由低应变带状分布变为高应变离散分布，累积位移和平均刚度增加，阻尼比减少。随着法向压力和加载频率增加，累积位移降低、平均刚度和阻尼升高；随着动载幅值增加，累积位移和平均刚度降低，阻尼比升高；随着静载幅值增加，累积位移和平均刚度升高，阻尼比降低，法向应力、加载频率、动载幅值和静载幅值对力学性质参数的影响逐渐降低。研究结果为地下工程岩体结构面动力稳定性评估及灾害防控提供了数据基础。

膨胀珍珠岩（expanded perlite，简称EP）协同水泥等固化材料固化淤泥，兼具泥-水分离功能与火山灰活性作用。为验证EP的火山灰活性效应，首先提出将EP浸泡于饱和Ca(OH)₂溶液中，借助傅立叶红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，简称FTIR）、X射线衍射（X-ray diffraction，简称XRD）等测试方法，研究碱性环境中EP的火山灰反应过程；发现生成以水化硅酸钙（C-S-H）为主的胶凝产物，同时EP的多孔结构形成较大的比表面，为水化产物提供了生长便利，其反应程度受浸泡龄期影响；随后，将EP与淤泥混合后，再掺入水泥固化，研究其强度变化规律；结合扫描电镜-能谱分析（scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy，简称SEM-EDS），揭示EP增强固化土强度的微观机制。结果表明，固化土pH值变化规律可间接反映EP的火山灰反应进程；EP-水泥固化土的强度既源于水泥水化产物的胶结作用，亦得益于EP的火山灰反应，该反应进一步增强了水泥水化产物、淤泥和EP之间的界面摩擦力和抗变形能力。碱性环境下EP也可缓慢溶出硅、铝等活性成分，进而与Ca²⁺发生反应，生成更多的胶凝产物，如C-S-H等，增强淤泥、水泥水化产物和EP之间的联结作用。

植物根系经历生长―成熟―衰亡的生命周期，但这一动态过程对根-土复合体力学性能的影响却长期受到忽视。植物根系衰亡对根-土复合体力学性能的长期劣化作用是生态护坡工程耐久性评估的关键问题。以福建省武平县马尾松覆盖的斜坡为研究对象，通过单根拉伸试验与根土复合体大型直剪试验，系统探究根系衰亡动态过程中力学特性及根-土复合体抗剪强度的演变规律。结果表明：马尾松根系抗拉强度与极限抗拉力随衰亡历时呈指数衰减趋势，其中衰亡初期为快速下降阶段，抗拉强度降幅达30%～50%，衰亡后期退化速率趋于平缓。根-土复合体抗剪强度受根系衰亡影响显著，附加黏聚力随衰亡历时推进而逐步减小，而内摩擦角变化不显著。基于试验数据，建立了根系抗拉强度幂函数模型与抗剪强度指数衰减模型，并修正Wu模型引入附加黏聚力衰减系数，定量表征根系衰亡对根-土复合体抗剪强度的时变效应。研究揭示了根系衰亡削弱自身固土能力的机制，为生态护坡工程长期稳定性评估及维护决策提供了理论依据。

为研究准饱和路基土初始饱和度、干湿循环作用和交通荷载引起的主应力轴旋转对土体长期变形特性的影响，考虑了循环竖向应力比CSR、循环扭剪比 η 、初始饱和度、干湿循环次数和干湿循环幅度等因素，采用GDS空心圆柱扭剪仪对准饱和路基粉质黏土进行了循环三轴试验和循环扭剪试验，分析了长期变形的发展规律。试验结果表明：初始饱和度会显著影响准饱和重塑路基黏土的轴向应变，初始饱和度越高，封闭气体含量越低，轴向应变稳定值越大。循环竖向应力比越大，试样轴向应变稳定值越大，循环竖向应力比增量越大，轴向应变增量越大；循环扭剪比越大，试样轴向应变稳定值越大，循环扭剪比与其呈正相关。干湿循环次数和干湿循环幅度增加，试样轴向应变显著增大，且干湿循环次数变化的影响效果更为显著。上述规律揭示了主应力轴旋转和封闭气体含量对准饱和黏土长期变形特性的关键作用，对土体含水率季节性波动地区交通荷载下路基工程的变形控制与设计具有重要指导意义。

现有对爆炸冲击下隧道衬砌及周围土体的动力响应研究，大多将土体视为各向同性，而实际为横观各向同性介质。为研究爆炸荷载作用下横观各向同性土的轴对称动力响应规律，根据Biot理论和横观各向同性弹性力学理论，推导出衬砌及周围横观各向同性饱和土的控制方程，引入势函数并进行Laplace变换和Fourier变换后得到通解。结果表明：随着横观各向同性参数ξ 的增大，土体径向位移、有效环向应力峰值减小。横观各向同性土体径向应力、环向应力和孔隙水压力的峰值在爆炸时刻几乎同时到达；在隧道轴向上，随着距离爆炸震源中心距离的增加，这些响应呈指数衰减，轴向距离达到隧道内半径的6倍时，土体瞬态响应值趋于0。

为探究高温条件下膨润土缓冲层材料导热性能的热老化时间效应，在100 ℃和200 ℃条件下分别对MX80膨润土粉末进行了0、15、30、60、90、120 d的热老化预处理，利用热探针法测定了预处理后膨润土压实试样的导热性能，并分析其热老化时效性；采用粒度分析、X射线衍射和热重分析等微观试验，揭示出高温条件下MX80膨润土试样导热性能热老化时间效应的产生机制。试验结果表明：（1）高温（100、200 ℃）热老化预处理后膨润土试样的导热系数λ 均随着热老化时间 t 的递增而降低，呈现出明显的热老化时间效应：0～15 d急剧降低，30 d后趋于稳定；相较于100 ℃，200 ℃条件下膨润土试样的热老化时间效应更显著。（2）高温（100、200 ℃）作用均会引起膨润土试样中各形态水逐渐脱附，结合水膜变薄，固体土颗粒粒径减小；此外，在200 ℃条件下，试样中的部分蒙脱石矿物转变为钠云母；上述微观特征演化呈现出与试样导热系数λ 一致的热老化时效性。（3）膨润土材料导热性能热老化时间效应产生的本质原因在于：100 ℃条件下，随着热老化时间 t 的递增，温度作用导致膨润土中各形态水逐渐脱附，结合水膜变薄，颗粒粒径减小，固相体积减少，气相体积增加，但矿物成分未发生变化；而200 ℃条件下，随着热老化时间 t 的递增，上述温度作用进一步加剧，且高温引起了部分蒙脱石矿物转变为导热系数较低的钠云母。

缓冲层的应用为解决隧道二衬开裂难题提供了一种有效方案。不同缓冲层材料力学特性差异显著，建立具有广泛适用性的理论模型十分必要。为此，首先将缓冲层材料的非线性压缩应力-应变曲线划分为n个变形阶段，并利用直线进行替代来描述该阶段的变形特征；其次，建立了考虑缓冲层影响的流变围岩与支护相互作用的力学模型，利用围岩-缓冲层界面以及缓冲层-二衬界面在整个相互作用过程中的界面变形协调条件，分别给出了处于缓冲层材料不同变形阶段的隧道位移以及各界面接触压力的解析解；进一步，通过与既有文献结果以及数值模拟结果的对比，所建立理论模型的有效性得到了验证；最后，利用理论模型分别对含聚氨酯和聚乙烯（具有不同变形特征）泡沫缓冲层的隧道力学响应开展了相关的参数分析。结果表明：此理论模型适用于不同的缓冲层材料，且缓冲层材料变形阶段的划分对预测结果具有显著影响；对聚氨酯泡沫缓冲层而言，不考虑变形阶段划分比考虑时的二衬压力预测值高出35.2%，而使用聚乙烯泡沫缓冲层，不考虑比考虑时预测值甚至高出96%；对某一隧道而言，缓冲层厚度存在一个合理的范围，本计算工况下聚氨酯和聚乙烯泡沫缓冲层厚度最优值均为25 cm；安装缓冲层对长期变形效应显著的隧道更有益，可有效缓解二衬压力，保证其长期安全。

冻融损伤是寒区工程研究的关键问题。岩堆体是一种特殊岩土混合体，为更好地了解寒区岩堆体的力学性质和冻融侵蚀引起的细观损伤，开展了不同冻融条件及不同含水率作用下岩堆体的三轴压缩试验。提出孔隙损伤增量模型，利用颗粒（孔隙）及裂隙图像识别与分析系统（particles (pores) and cracks anlysis system，简称PCAS）深入研究冻融过程中孔隙结构的变化趋势。以孔隙度分形维数为核心，建立冻融-损伤模型系统地分析冻融循环次数对岩堆体损伤的关系。结合材料的细观与宏观参数变化趋势，验证模型合理性及全面揭示岩堆体在冻融作用下的损伤模型。结果表明：（1）在冻融循环过程中细观损伤对宏观强度的影响显著，孔隙损伤增量增加导致应力峰值下降，两者呈负相关；（2）岩堆体的峰值应力随着冻融循环次数的增加而降低，且降低幅度在冻融循环次数为4次前逐渐增大，随后幅度逐渐减小；（3）利用孔隙度分形维数建立的孔隙增量模型，从细观层面有效地验证了岩堆体的冻融损伤是随着冻融损伤次数的增加而增加，该模型的参数数据与实测数据高度一致，且相比传统模型计算更简便。

隧道开挖、滑坡、断层等人工或者地质活动引起的场地变形会对浅埋管道安全造成严重威胁。然而，现有埋地管道相关研究多基于饱和土力学理论，忽略了非饱和砂土中基质吸力对管-土相互作用的影响。开展了6组不同饱和度条件下浅埋管道室内模型试验，通过在管顶与45°剪切带范围内同步布置张力计并结合粒子图像测速（particle image velocimetry，简称PIV）技术获取位移场，定量揭示了管道上拔过程中“吸力-变形-破坏”协同演化规律。在此基础上，提出基于倒梯形楔形破坏模式与极限平衡原理的简化管-土相互作用力学计算模型，将等效吸力应力显式并入抗剪强度，推导得到上拔管土极限抗力公式。结果表明：非饱和砂土因基质吸力使峰值管-土上拔抗力较干/饱和提高约3～4倍，达到峰值的位移也增大约30%。管周土体破坏呈倒梯形楔形体，非饱和工况下的楔形土体宽度为6D（D为管道外径）、剪切带倾角为40°，显著大于干燥/饱和工况（4D 和25°），并且所建立的简化管-土上拔抗力计算模型对本试验及文献历史数据的预测误差基本控制在±15%。形成了“吸力与位移场变化-变形破坏机制识别-简化力学模型解析”的一体化框架，所提出的简化力学模型可以较好用于不同饱和度砂土中浅埋管道上拔极限抗力的工程估算与设计校核。

竖向隆升屈曲是埋地管道失稳破坏的主要形式之一，对管道运输安全构成了严重的威胁。目前，相关研究多聚焦于平坦场地条件下的管道隆升屈曲行为，而对于斜坡场地条件下管道隆升破坏机制的关注较少。基于分布式光纤感测和粒子图像测速技术，开展了斜坡埋地管道隆升破坏的模型试验研究，系统分析了不同坡角与埋深率条件下土体变形破坏机制及管道隆升土抗力的发挥机制。研究结果表明：（1）随着坡角的增大，管道隆升过程中土抗力峰值逐渐减小；而随着埋深率的增大，峰值土抗力和残余土抗力显著增加；（2）在不同坡角与埋深率条件下，管道隆升土抗力达到残余值时的管道位移量约为0.2D（D为管道外直径）；（3）管道隆升过程中，横截面呈现“椭圆化”变形，管道上方土体形成楔形破坏体。在此基础上，结合应力莫尔圆理论，提出了一种适用于斜坡场地条件下管道隆升峰值土抗力的计算方法。相关结论有助于揭示斜坡地形下埋地管道及周围土体的变形破坏机制，可为复杂地形条件下管道结构的设计与安全评估提供理论支持与工程参考。

土钉支护是粤港澳大湾区花岗岩残积土边坡最常见的加固型式之一。大湾区降雨频繁，土钉-花岗岩残积土界面存在干湿循环效应，界面抗剪强度逐渐减弱，且这一减弱效应随着循环次数的增加而累积，致使边坡安全性降低。该界面强度在长期干湿循环作用下的弱化累积规律尚不明确。鉴于此，开展了大量高干湿循环次数（100次）下小型与大型直接剪切试验，分析了同等竖向应力条件下钉-土界面黏聚力、摩擦角、抗剪强度等随干湿循环次数和界面饱和度的变化关系，并量化了钉-土界面的弱化累积效应。试验表明，界面表观黏聚力虽然在前10次干湿循环作用下快速弱化，之后弱化速率趋于平缓，但长期的弱化累积量仍占比较大。界面摩擦角随干湿循环次数增大未呈现规律性变化。建立了钉-土界面抗剪强度弱化累积预测神经网络模型，并对其准确性进行了量化评估与验证。分析表明，所建立的神经网络模型整体误差小于10%，且预测精度离散性低。研究成果为粤港澳大湾区花岗岩残积土边坡土钉支护的长期稳定性评估及边坡灾变预测提供了理论支撑。

为合理描述非饱和地层圆形基坑围护结构侧向土压力沿深度的大小、分布、合力及作用点高度，基于非饱和土的吸应力理论与极限平衡法，首先推导了对吸应力均匀/线性分布都适用的围护结构后方土体滑动面倾角，然后组合竖向土拱和环向土拱的不同作用，建立了空间土拱效应下非饱和地层圆形基坑围护结构侧向土压力的计算方法，并对比已有理论解答和模型试验数据进行验证、分析相关因素的影响规律。研究结果表明：计算方法不仅与文献理论解答、模型试验数据吻合良好，验证了其准确性和合理性，而且有效解决了非饱和地层、空间土拱效应、结构-土体接触参数等对圆形基坑侧向土压力的综合影响，有助于实现圆形基坑的设计与施工优化，具有一定的理论意义和良好的应用前景；基坑侧向土压力合力随着地表吸应力的绝对值、环向应力系数、外黏聚力的增加而明显减小，而合力作用点高度的变化却不大；线性吸应力下的基坑侧向土压力大于均布吸应力下的，但均布吸应力下的侧向土压力变化更显著。

隧道最小覆土厚度是水下隧道施工中的关键参数。为了计算考虑注浆影响的隧道最小覆土厚度，基于镜像法和渗流力学理论，推导了水下隧道渗流场在注浆影响下的解析解，并结合日本最小渗流法对隧道最小覆土厚度的计算进行修正。通过公式退化和室内相似模拟试验，验证了理论解析解的正确性。基于此解，探讨了注浆相对渗透系数、注浆范围、水深等参数对解的影响。研究表明：在不同埋深比条件下，衬砌外水压力随水深增加呈线性增长；埋深比越小，水深变化对衬砌外水压力的敏感性越高；提高注浆圈的抗渗性比单纯增大其注浆范围更能有效降低隧道渗流量，特别是在1～3 m注浆范围内控制效果尤为显著；未实施注浆时，隧道覆土厚度对水深变化更为敏感，提升注浆材料抗渗性可有效减少水深的影响；对于高风险隧道，建议采用高抗渗性注浆材料，注浆厚度可扩展至5 m以上。而常规工程中，1～3 m的注浆范围为优选，以实现安全性与成本的平衡。

在岩土工程设计和施工前，通常需要充分了解工程场地地质条件以确保后期工程安全运行。重构三维岩土地层是了解场地地质条件的有效手段。由于地质构造空间特征的复杂性和场地勘探数据的稀疏性，传统方法基于少量钻探数据难以准确揭示不同地层间的边界形态及空间分布特征，基于有限钻探数据的三维岩土地层重构仍面临较大挑战。为解决这一问题，采用一系列三维距离场特征来表征不同地层之间的潜在边界特征，并引入距离场的特征选择过程，确定针对特定工程场地钻探数据的最优距离场特征组合，提出了基于边界字典-随机森林模型（boundary dictionary-random forest model，简称BD-RF）的三维岩土地层重构方法。通过两个工程实例验证了提出方法的有效性。结果表明：提出方法利用一系列三维距离场特征能够有效捕获钻探数据所揭示的地层分布规律。与其他方法相比，提出方法在预测不同地层之间边界特征方面具有明显的优势，为工程实际中基于少量钻探数据重构三维岩土地层模型提供了有效的分析工具。

为了研究深部矿柱破坏机制与锚杆加固效应，在有限-离散元方法（finitediscrete element method，简称FDEM）的基础上提出了一种可破Voronoi块体模型（Voronoi breakable block model，简称VBBM）用来表征矿柱岩体。通过开展实验室尺度和现场尺度矿柱单轴压缩试验，探讨模型参数标定方法以及验证模型有效性，结合全长黏结锚杆模型，探讨矿柱渐进损伤机制与锚杆支护效应。研究结果表明：提出的参数标定方法能有效利用实验室数据获得不同尺度岩柱模型参数设置，基于合理的参数设置并开展模拟研究发现，该模型能有效捕捉从柱角初始剥落到矿柱浅表层剥落和深层共轭剪切破坏的宏观破坏机制，矿柱宽高比（W/H）是其应变软化行为到伪延性行为转变以及核心区域变形差异性的根本因素。全长黏结式锚杆产生的被动围压只有在矿柱产生足够的体胀时才会激活，锚杆产生的约束显著影响矿柱峰后变形行为。矿柱变形由浅表层到核心区存在梯度特征，裂纹张开度和动能释放率与锚杆支护压力呈负相关，且存在较强的幂指数关系，说明支护压力存在一个过渡区间，锚杆密度存在最优值。研究成果为深部岩体渐进破裂机制提供了一个有力的分析工具，为深部采矿灾害风险评估和支护可靠性评价提供理论支撑。

角砾含量及几何形态的非均一性是造成含角砾砂岩力学性质存在离散性的重要原因，忽视角砾几何形态分布对含角砾砂岩力学性质的影响，无法准确认识含角砾砂岩的力学性质。为探究非均质含角砾砂岩力学性质，确定测试其力学性质所需的最小样本数，引入颗粒形状指标，定量评价角砾几何形态并统计分布规律，通过室内试验和数值模拟构建考虑角砾含量及几何形态分布规律的含角砾砂岩数值模型，研究角砾面积、细长度和粗糙度对含角砾砂岩力学性质以及最小样本数的影响规律。研究表明，角砾含量以及角砾细长度与含角砾砂岩单轴抗压强度存在明显正相关性，其皮尔逊相关系数分别为0.87与0.62；角砾粗糙度对含角砾砂岩单轴抗压强度影响较弱，皮尔逊相关系数为0.31。角砾细长度离散性上升导致最小样本数明显增加，角砾粗糙度离散性与最小样本数间无明显关联，单个角砾面积增加并不会影响最小样本数的数量，但会使含角砾砂岩的单轴抗压强度上升。研究揭示了含角砾砂岩力学性质差异性的原因，通过动态确定样本数的方法确定最小样本数为14，测得单轴抗压强度与真实值的误差小于2%。研究结果为明确含角砾砂岩力学性质以及确定其最小样本数提供参考。

深海管线通常铺设于海床表面，在自重和铺管作业的影响下会嵌入海床，其嵌入深度w_ini显著影响海床对管线的侧向土阻力。现有研究多聚焦于嵌入深度较浅情况（w_ini=0.1D～0.5D，D为管径），而最新调查表明，部分管线嵌入深度已超过0.5D。为揭示更大嵌入深度下管-土相互作用机制，采用径向基点插值法-网格重剖分和小应变插值技术（radial point interpolation method-remeshing and interpolation technique with small strain，简称RPIM-RITSS）数值方法，对嵌入深度为0.1D～1.0D的管线开展了管-土侧向相互作用大变形数值分析。通过与已有相关离心机试验及数值结果对比，验证了该数值方法的有效性。在此基础上，深入分析了管线嵌入深度和重量对其侧向屈曲模式和土阻力的影响，据此提出了适用于嵌入深度为0.6D～1.0D的残余侧向屈曲土阻力预测模型，以期为深海管线的侧向稳定性和安全评估提供参考。

堤防是应用最广泛且有效的防洪工程措施之一。然而，由于堤防老化、加固措施不力以及复杂的地质条件，在汛期常发生管涌等险情，导致重大且往往难以修复的损失。以双层堤基逆向侵蚀管涌（backward erosion piping，简称BEP）为研究对象，开展遗传算法（genetic algorithm，简称GA）优化的反向传播（back propagation，简称BP）神经网洛对逆向侵蚀管涌通道进行刻画研究。主要研究工作及成果包括：（1）通过非均质含水层中BEP的数值模拟构建训练数据集，并利用室内沙槽管涌试验验证了该数据集的可靠性；（2）从BEP室内试验的II、III和IV组数据中提取水头H和渗透系数K数据，进行数据集扩充，并优化GA-BP模型以表征I组试验结果，结果表明优化后的模型能更准确地刻画K≤1.0 cm/s的区域；（3）利用优化后的GA-BP模型表征BEP通道的发展过程。结果表明，该模型能准确捕捉总体发展趋势，但在表征通道位置和尺寸方面与实际条件仍存在微小偏差。综上所述，研究为表征BEP提供了有效工具，并证明了GA-BP网络模型在该领域的实际应用潜力。

裂隙是岩体内渗流的首要通道，裂隙岩体内的注浆封堵是一个由裂隙网络内浆液-水两相驱替控制的过程。鉴于裂隙网络由诸多交叉裂隙连接构成，研究浆液在交叉裂隙内的驱替机制对裂隙岩体工程注浆设计具有重要意义。采用三维重构技术，建立3D打印的透明粗糙正交裂隙模型并开展室内注浆可视化试验，观测注浆过程中浆-水竞争渗流规律及界面演化特征；基于COMSOL Multiphysics软件建立正交裂隙注浆数值模型，通过试验和数值结果对比验证模型，进而研究不同浆-水流速比、进出口组合等因素对浆-水驱替过程的影响。结果表明：动水条件下注浆开始后注浆压力随时间呈非线性增大，浆液首先沿优势渗流通道驱替水，在完成主要动水驱替后压力趋于稳定；交叉口处串流混合越充分，出口端的浆液体积分数越接近；优势渗流通道越显著，浆液的驱替效果越好；裂隙表面粗糙度显著影响注浆压力，采用传统的平行平板模型将低估注浆压力达30%以上。

四参数随机生长（quartet-parameter structure generation set，简称QSGS）法是目前较常用的多孔介质建模算法，多孔介质的分形维数D 和孔隙自相关距离是评价建模效果的两个重要指标，目前缺乏关于QSGS法建模参数与多孔介质分形维数、孔隙自相关距离间关系的研究。首先，提出了一种生长核分布概率归一化处理方法，在此基础上设计了一套不同网格尺寸N、孔隙率φ 、归一化生长核分布概率 p_η 组合下多孔介质建模的数值模拟方案；然后，基于数值模拟结果分析了D、λ 随建模参数N、φ 、 p_η 的变化规律，并基于正交试验分析了建模参数的敏感性；最后，构建了建模参数N、φ 、 p_η 与D、λ 的拟合关系。结果显示，建模参数N、φ 、 p_η 对D 均有一定程度的影响，且φ 的影响最大， p_η 的影响其次，N的影响最小；λ 的最主要影响因素是 p_η，其他参数的影响较小。所构建的多元回归拟合模型精度较高，可以用于指导QSGS法的建模。