岩体蠕变时间一般长达几年,而岩块蠕变达到稳定的时间仅需几小时,两者相差显著。现场岩体蠕变试验蠕变持续时间长,能较好地反映岩体的蠕变时效性。详细推导了圆形刚性承压板岩体蠕变试验广义Kelvin五参量模型变形表达式,该表达式在特定条件下可以退化为广义Kelvin三参量模型或Burgers模型,对岩体蠕变试验的参数辨识具有更好地适应性。对钙质板岩的现场蠕变试验按五参量模型进行了参数辨识,与三参量模型拟合参数对比,五参量模型拟合精度更高,得到的长期剪切模量更小,且能间接反映钙质板岩的加载特征,因此五参量模型能更好地反映岩体的蠕变特性。

针对压力分散型锚索锚固机理及其抗震性能理论研究成果较少这一问题,基于等效拟静力方法,结合Mindlin基本解推导了压力分散型锚索锚固段注浆体压应力表达式和岩土体与锚固体侧摩阻力表达式,通过算例系统分析了预应力荷载与地震荷载耦合作用下多锚固单元的应力分布特性及关键参数影响规律。研究结果表明:压力分散型锚索通过多锚固单元分层传递荷载,降低了局部应力集中风险,提升了锚固系统的冗余度和抗震性能;增大承压板半径或增大锚索孔半径可降低注浆体压应力峰值与锚固体侧摩阻力峰值,改善荷载传递均匀性,有效抑制局部粘结滑移破坏;岩体泊松比的增大使注浆体压应力峰值升高,但使锚固体侧摩阻力峰值降低,二者呈现出相反的变化趋势;地震荷载和预应力荷载均与注浆体压应力峰值和锚固体侧摩阻力峰值呈线性正相关。研究揭示了压力分散型锚索的应力重分布机制,为边坡锚固工程的抗震设计提供了理论依据与设计参考。

为揭示风化花岗岩在循环冲击扰动下的力学退化与损伤演化机制,并构建可连接“微观结构—宏观破坏”的量化表征框架,选取未风化、中风化与强风化花岗岩开展对比研究。首先基于扫描电镜(SEM)图像,结合图像预处理与二值化分割提取微裂隙网络,采用二维盒计数法计算微裂隙分形维数D_f以表征裂隙结构复杂度;随后利用分离式霍普金森压杆(SHPB)开展恒定气压条件下的循环冲击试验。基于动态应力-应变响应与弹性模量退化,定义风化损伤变量D_W及其与冲击累积损伤的耦合表征;同时依据冲击后碎屑粒径分布计算宏观碎屑分形维数D_S,以量化破碎尺度特征。结果表明:随风化程度加剧,矿物分解与次生黏土增多促使微裂隙网络显著发育,D_f由约1.72增至约1.95;在循环冲击作用下,试样峰值承载与动态弹性模量持续劣化,强风化试样退化更为剧烈且更易进入损伤快速增长阶段;分形参数与损伤变量之间具有明确的定量关联,D_f与D_S均随D_W增大呈显著线性增长(R²>0.90),表明微裂隙网络复杂度的分形指标不仅能够表征冲击循环过程中的微观损伤累积,而且能够定量推断宏观破碎尺度与碎屑分布特征,从而实现由微观损伤表征向宏观破坏程度评价的跨尺度联通。

为探明土体微观固有特性与其宏观力学响应、失稳破坏之间的内在因果关联,构建膨胀土地区边坡加固科学实用的技术体系,以淠史杭与驷马山灌区为研究对象,从粒径分布、微观结构和元素组成等方面研究该渠坡膨胀土工程特性与失稳机制,并采用有限元数值模拟,对其失稳滑弧特征和综合治理措施进行探讨,得到以下结论:采用激光粒度分析、扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)等试验方法对膨胀土粒径分布、微观结构和元素组成的测试结果表明,膨胀土为级配不良土,粒径主要集中于10~100 μm,内部结构松散,含有大量Si、O、Al等矿物元素,亲水性强,不利于膨胀土渠坡的抗滑稳定;通过对渠坡滑动趋势进行数值模拟,发现滑面呈弧形分布,滑体主要集中于中上部水位波动范围,膨胀土的水敏感性对边坡稳定具有不利影响。据此总结出渠坡综合治理的4项措施:坡面排水与坡内导渗、削坡减载与改性重筑、抗滑桩与刚性支挡、锚杆加固与土体键锁。通过“微观机理-宏观响应-数值模拟-治理策略”的系统性研究框架,清晰揭示了膨胀土边坡失稳的内在因果链条,并提出了针对性的综合治理体系,可为类似灌区工程提供理论依据与治理参考。

为了探究岩锚体锚碇变形破坏机理,以西堠门公铁两用特大桥岩锚体锚碇为研究对象,在桥址区按1∶10比例建造4 m×6.2 m×4.84 m(长×宽×高)的岩锚体锚碇实体模型,施加载荷直至模型锚碇失稳破坏。加载过程中观测模型锚碇位移及破裂演进过程,结合数值模拟反演分析,研究超载作用下模型锚碇位移-破裂-整体失稳的变形破坏过程。载荷为1P时(P=3 243.46 kN)位移0.085 mm,后锚板上部岩体局部初始拉裂;超载至7P时位移3.63 mm,后缘拉裂面向地表扩展贯通,两侧侧裂面追踪陡倾节理面拉剪破坏贯通,底滑面受拉剪应力作用沿缓倾角节理开始剪切错动,形成整体失稳破坏的雏形;超载至9P时底滑面拉剪破裂贯通,至11P时模型锚碇整体失稳破坏。超载作用下,模型锚碇变形破坏受拉剪应力状态、岩体拉剪强度、节理产状等多因素影响和控制,概化为初始拉剪破裂阶段(0~1P)、拉剪破裂扩展贯通阶段(1P~7P)、追踪节理拉剪整体滑移失稳破坏阶段(7P~11P)的渐进破坏模式,具有明显的后缘岩体拉裂、侧裂面及底滑面追踪原生节理拉剪破裂的渐进破坏特征。

为解决多点接触状态和颗粒形状对堆石坝颗粒破碎影响机制不明确的问题,对480个不同粒径(d)、纵横比(AR)和加载角度(α)的石膏颗粒开展单轴压缩试验,结合数字图像相关技术(DIC)获取位移场;构建特征数据库,采用网格搜索和5折交叉验证,对比SVM、MLP、RF和XGB的破坏模式分类及强度预测性能。结果表明:①颗粒出现劈裂、压碎和剪切3类破坏,剪切破坏仅发生于3点及以上接触。②极端梯度提升(XGB)模型表现最优:测试集宏平均AUC为0.96,RMSE和MAE分别为0.9 MPa和0.8 MPa;粒径为20 mm,XGB模型预测误差仅为0.06 MPa,优于Hertz理论。研究成果揭示了形状与接触状态对破碎特性具有显著非线性影响,所建模型可为堆石料力学分析与离散元参数确定提供参考。

针对洞庭湖生态修复工程中钻探抽砂工艺引发的沉积层突发性塌陷预测难题,基于自行设计的取砂可视化试验装置,开展了不同级配砂土、取砂深度和水深下的概化物理模型试验,分析砂土变形发展过程,并建立了钻探取砂诱发地表塌陷预测模型,实现钻探取砂引起地表变形宽度和最大塌陷深度的预测。研究结果表明,砂土流动区边界呈现椭圆形,其离心率随特征粒径D₉₀或取砂深度增加而减小,随水深的增加而增大,此外,水深增加还将加快砂土塌陷速度;在Peck沉降曲线与地表塌陷曲线的拟合优度中,当土体损失率低于20%时,拟合优度偏低,呈现离散分布(R²=0.78~0.96)。随着取砂过程的持续,Peck曲线与地表塌陷曲线的拟合优度逐步增加,并在55%左右达到最大(R²=0.98),此后,塌陷曲线逐渐向倒三角形态进行演变,与Peck曲线拟合优度也随之降低;建立的地表塌陷预测模型在塌陷深度<15 cm存在较好的适用性。该研究成果可揭示洞庭湖生态疏浚工程中沉积层塌陷规律并预测塌陷范围,为安全施工与灾害风险提供理论参考。

河床覆盖层是一种厚度大、组成结构复杂的不良粗粒土地基,在覆盖层上修建工程需要对其进行加固处理。强夯法是一种快速有效的地基加固技术,目前采用强夯法加固河床覆盖层时,尚缺乏合理的强夯加固效果评价方法,也难以准确获取强夯后覆盖层的工程力学特性指标。依托某具体工程覆盖层强夯加固项目,基于旁压模量当量密度法思路,综合采用原位密度试验、现场旁压试验、室内模型旁压试验、室内单元体力学试验等手段,提出了一种砂砾石覆盖层强夯处理效果综合评价方法,并获取了强夯后覆盖层力学特性指标。试验结果表明,强夯后覆盖层试验Ⅰ区和试验Ⅱ区浅部原位干密度分别较强夯前提升7.8%和5.3%。强夯后,6 m深度以上范围覆盖层的原位密度和旁压模量均有所提高,6 m深度以下范围覆盖层的旁压模量与强夯前接近,强夯主要对覆盖层浅部有加固效果,对于覆盖层深部的加固效果不明显。研究成果可为类似强夯加固工程提供借鉴。

为探索饱和冻结砂岩的压缩起裂行为,对-10 ℃环境下的饱和砂岩开展不同围压下的低温三轴压缩测试,获取不同条件冻结砂岩的峰值强度,同时基于裂缝体积应变拐点确定了冻结砂岩的起裂应力。结果表明:峰值应力与起裂应力均随围压增大而提高,起裂应力为峰值应力的25%~35%;单轴压缩下,轴向应变持续偏移而环向应变趋于平缓,体积应变由压缩转向扩容,宏观呈现为I型张拉劈裂破坏;三轴压缩下,轴向与环向应变均持续偏移且偏移量不同,宏观呈现为剪切破坏。试样内初始微裂缝的长轴与轴向应力呈30°夹角时,尖端应力集中最强,最易萌生张拉翼裂纹,表明微裂缝方位对抗裂强度具有显著的各向异性调控作用;最后基于应力腐蚀机制阐述了冻结砂岩的起裂机制,颗粒与冰晶间黏结应变能累积至临界值后释放的损伤演化过程,剪切微裂纹与张拉微裂纹并行耗散应变能,驱动裂纹起裂与扩展。

高压气体密封技术的可行性和经济性是建设大规模压气储能(CAES)地下储气库的前提。Ⅰ、Ⅱ级岩体中地下储气库密封结构的技术和经济可行性已经得到了证明。为了提升人工内衬岩穴储气库的选址灵活性,采用数值模拟方法,系统分析了围岩等级、衬砌参数(厚度、强度、配筋率)、密封层特性(尺寸、结构、材料)对密封结构力学响应及围岩变形的影响。研究成果表明:Ⅲ级围岩中埋深为200 m级的地下岩穴可以满足储气库的安全稳定性需求,但亟需解决整体式钢衬密封层的环向应力及应变过大的问题;采用分片式或波纹式结构方案可使6 mm厚钢板密封层的环向应力和应变极值降低70%以上,并满足强度设计要求;衬砌配筋率为0.5%以上,可将衬砌最大裂缝宽度控制在2 mm范围内;橡胶密封层在Ⅲ级围岩条件下一般不会发生拉伸破坏,但为了避免陷缝破坏发生,橡胶厚度不应<6 mm。研究成果可为CAES人工内衬储气库建设提供理论支撑。

为探究深部巷道无穷远边界条件近似化处理对计算精度的影响,基于Toupin-Mindlin应变梯度理论,构建了可解析蜕化的深部巷道厚壁筒应变梯度模型,系统分析了半径比k(半径比k为模型外边界半径b与巷道半径a之比,k=b/a)对围岩变形计算精度的影响规律。通过将高阶微分方程转化为一阶常微分方程组,采用Matlab-ODE45求解器结合拟牛顿迭代法,实现了高阶应力与柯西应力边界条件的同步满足;以经典弹性解为基准,验证了该计算方法的可行性。通过对比不同半径比k下应变梯度数值解与经典弹性解析解,量化分析了围岩位移的近似误差。结果表明,当半径比$k\ge 10$,模型计算误差低于10^-7量级;基于此规律,进一步提出了模型误差Λ与半径比k的拟合关系式Λ=6.21×10^-4 k^-3.2065。该研究成果为深部巷道尺度效应数值模拟提供了临界半径比$k\ge 10$的边界设定准则,有效推动了应变梯度理论在岩爆、分区破裂等工程灾害预警中的可靠应用。

针对传统水泥固化法在修复镉(Cd)污染土方面存在效率低、成本高及环境负担重等问题,以赤泥(RM)、高炉矿渣(GGBS)、电石渣(CCR)和磷石膏(PG)四种工业固体废弃物为原材料,构建绿色多组分复合固化体系。为科学优化固化剂配比,分别采用正交试验与响应面法(RSM)进行对比分析。结果表明,RSM优化配比(CCR 13.77%、PG 10%、m_RM/m_GGBS=0.57)获得的固化土抗压强度为2.12 MPa,Cd²⁺浸出浓度降至1.57 mg/L,性能优于正交法优化结果(强度1.90 MPa,Cd²⁺浓度1.71 mg/L)及传统水泥固化组。XRD与SEM-EDS分析表明,多种胶凝产物协同稳定Cd²⁺,机制包括物理包裹、化学沉淀与离子交换。同时,该固化体系在碳排放与成本方面远优于波特兰水泥,具备广阔的工程应用潜力和可持续性价值。

为研究破碎带地层深基坑开挖对紧邻地铁车站变形响应规律,结合深圳市地铁5号线临近的某破碎带地层深基坑工程,采用理论分析、数值模拟和现场监测等研究手段,对基坑开挖卸荷引起紧邻地铁车站变形展开深入研究。结果表明:考虑基坑开挖空间效应下的土体和围护结构变形协调作用,利用Mindlin 解计算附加应力,确立的车站变形计算公式更准确;通过对计算结果、数值分析和监测数据进行对比分析,显示三者变化趋势一致,说明数值分析方法可为后续的影响因素分析提供可靠依据;采用灰色关联分析法对影响车站变形的各因素进行敏感性分析,得到地连墙惯性矩、覆土厚度以及开挖深度对其关联度较高,依次为0.874、0.816、0.759。研究成果可供类似工程实践提供参考。

盐渍土广泛分布于滨海地区,普遍存在结构松散、胶结弱、强度低等工程缺陷。为改善其工程力学特性,构建海藻酸钠(SA)协同微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)复合固化体系。以高产脲酶的巨大芽孢杆菌为菌种,采用乙酸钙-尿素体系作为胶结液,设置SA掺量为0%~6%,并通过碳酸钙生成量测试、无侧限抗压强度(UCS)、劈裂抗拉强度(BTS)试验及粒径分析、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等多尺度手段,系统评估SA协同效应及其固化机制。结果显示,适量SA显著提升CaCO₃沉淀效率与空间分布均匀性,其中3%掺量为最佳配置,碳酸钙产量较对照组提升约58%,UCS和BTS分别提高35.2%和194.8%。微观分析表明,SA通过构建Ca²⁺-SA凝胶网络,增强钙离子局部富集与空间限域诱导作用,促使CaCO₃在颗粒间隙中有序沉淀,形成稳定的“晶桥-包裹”胶结结构。XRD结果显示方解石为主要沉淀晶相,结晶度显著提高;粒径分析与SEM观察亦表明固化样结构更致密、颗粒团聚更显著。研究明确了SA-MICP固化盐渍土的协同机制路径,即“微生物生物矿化—高分子限域诱导—晶体桥联胶结”,为MICP技术在高盐地区软土地基处理中的推广应用提供了理论依据与材料优化策略。

防渗墙与心墙是土石坝渗流控制的关键结构,但目前针对防渗墙与心墙界面接触力学行为仍缺乏深入研究。为此,通过自主设计的模型试验装置,采用黏土制备试样,并分别施加100、300、500 kPa上覆压力,基于墙端压力-刺入位移试验数据,建立了双曲线型非线性法向接触模型。该模型描述防渗墙刺入黏土心墙的过程中墙端压力与刺入位移呈现显著非线性特征,并通过不同上覆压力下的试验数据验证了该模型的适用性。同时基于该模型开展了相应的数值模拟分析,有限元计算结果和模型试验结果基本一致,说明了所提双曲线型非线性法向接触模型的有效性。研究成果揭示了防渗墙刺入黏土心墙的力学行为规律,为防渗墙与心墙相互作用分析提供了理论依据,对实际工程中的防渗墙稳定性评估具有重要参考价值。

为了揭示微生物诱导CaCO₃沉积（MICP）技术改良膨胀土强度特性的作用机制，试验选用菌株CGMCC1.3687，采用拌和工艺，系统开展膨胀土强度特性研究。通过固结快剪试验，重点探究了钙离子（Ca²⁺）浓度对膨胀土强度特性的影响机制。结果表明：MICP处理可显著提升膨胀土的抗剪强度；膨胀土经改良后的黏聚力与内摩擦角随Ca²⁺浓度增加均呈现先上升后下降的非单调趋势，并在Ca²⁺浓度为1.5 mol/L时达到峰值（黏聚力42.5 kPa，内摩擦角18.4°），相较于未处理土样，黏聚力增幅高达269.6%，内摩擦角增幅10.2%；CaCO₃生成量同样在1.5 mol/L时达到最大值；相关性分析进一步证实，CaCO₃含量与抗剪强度指标之间存在显著正相关关系。研究成果验证了MICP技术可以显著增强膨胀土强度，其机制在于CaCO₃含量与黏聚力及内摩擦角呈显著正相关。

为探究玄武岩纤维对花岗岩-混凝土组合体高温损伤的改善作用，以花岗岩、混凝土和4种纤维掺量（0%、0.1%、0.2%、0.3%）的花岗岩-玄武岩纤维混凝土组合体为研究对象，对其在常温和高温（200、400、600 ℃）后的抗压强度、抗拉强度、破坏形态、损伤因子和微观结构进行研究。结果表明：组合体表现出连续介质的力学特性，抗压和抗拉强度均介于花岗岩和混凝土之间；掺入玄武岩纤维可以提高组合体的抗压和抗拉强度，改善破坏形态，0.2%为较优掺量；在600 ℃高温处理后花岗岩-混凝土组合体（G-PC）的损伤因子为0.702 7，600 ℃的高温对组合体造成了严重的损伤；组合体在压缩破坏时以混凝土破坏为主，交界面和花岗岩的破坏相对较小；玄武岩纤维在混凝土内部起到了连接和阻裂作用，能够有效减少裂纹的产生和扩展。

针对五强溪水电站扩机工程进水口大型围堰爆破拆除过程中的岩坎稳定性问题，为避免裂隙渗流影响下顺层岩坎分层爆破后剩余薄层岩坎产生滑移失稳，考虑渗流-应力耦合作用下围堰岩坎的损伤特征，提出了“主围堰内侧削薄瘦身，择机削顶，外侧逐步爆除”的爆破方案。采用离散裂隙渗流-应力耦合模型，对岩坎背水坡的开挖顺序、坡高比及渗透稳定性进行计算论证，分析了裂隙渗流影响下不同爆除方案及不同坡高比的岩坎稳定性；考虑安全系数与破坏滑移模式的双重因素，给出了最佳爆破顺序及1∶0.7的背水坡开挖坡高比。该方案能够有效控制预留薄壁岩坎的变形及失稳风险，研究成果可为裂隙渗流影响下大型围堰拆除过程提供参考以及岩坎稳定性评价提供借鉴。

准确方便地预测压缩变形影响下压实黄土的土水特征曲线和渗透系数，对于黄土填方工程的渗流分析具有重要实际意义。针对延安压实黄土试样，开展了吸力控制的等向压缩试验，分析了其力学增湿效应。在此基础上，将孔隙比相关的幂次方程引入Fredlund-Xing模型，并充分考虑吸附水对高吸力段渗透系数的贡献，以及孔隙比对饱和渗透系数的影响，构建了考虑压缩变形的土水特征曲线和渗透系数预测模型。模型共含7个参数，可通过吸力控制的压缩试验和饱和渗透试验获得。预测结果表明：采用的模型可较准确地预测广吸力范围内任意孔隙比下压实黄土的土水特征曲线和渗透系数曲线；随着压缩变形过程中孔隙比的减小，压实黄土土水特征曲线的进气值增大，曲线整体向右上方移动，其渗透系数在低吸力段呈现减小趋势，在中高吸力段则为增大的态势。研究成果可用于黄土填方工程的渗流分析。

长江三角洲前缘的典型平原感潮河网地区，河道水系密布、通航频繁，堤防工程的安全受航道运行、泥面冲刷影响较大。为研究通航感潮河道堤防结构抗冲敏感性及其变化规律，选取黄浦江上游某通航支流堤防实际运行条件计算出理论冲刷深度，并以该值为参考，通过有限元模型分析重力式堤防、桩基式堤防在不同结构尺度与冲刷深度耦合下的位移响应，得到不同堤防结构型式的抗冲敏感性及变化趋势。研究结果表明：重力式堤防的抗冲敏感性主要受底板宽度和埋置深度影响，当底板宽度<4.0 m或埋置深度<2.0 m时，墙前冲刷0.5~1.0 m即出现墙顶位移速率陡增；当底板宽度>5.0 m或埋置深度>2.0 m后，继续增大尺度对抗冲性能的增益显著降低。桩基式堤防的抗冲敏感性主要受桩基长度控制，当桩基长度<15.0 m时，冲刷1.0~1.5 m后位移增长速率明显加快；桩基长度>15.0 m后，增加桩基长度对提高抗冲性能的效果减弱。根据研究结果提出堤防结构抗冲经济尺度，并确定不同冲刷条件下的结构适应性，为通航感潮河道堤防结构设计和管理提供科学依据。