基于现场监测位移数据驱动的隧道围岩变形动态预测方法，存在着较大的局限性和滞后性。综合利用隧道工程建设资料蕴含的物理信息和位移时序曲线蕴含的数学信息，通过物理信息机器学习的思想推导动态贝叶斯网络（dynamic Bayesian network，DBN）模型的构建方法，实现围岩变形的动态预测。通过离散化处理、位移时序曲线重构等方式，构建包含物理信息数据和极限位移数据的静态样本库，及包含物理信息数据和位移时序曲线数据的动态样本库。基于静态样本特征，改进K2-score算法建立极限位移预测的静态BN模型。基于静态BN模型和动态样本特征，融合平稳随机过程约束和Markov过程约束等先验信息，推导Markov-DBN的物理数据双驱动建模方法。融合约束增强优化的先验信息，构建优化Markov-DBN模型。5折交叉验证试验表明：Markov-DBN模型的预测能力随时间增加而快速降低，网络转移方向对其影响很大；优化Markov-DBN模型建立了所有时刻目标节点与变形影响因素节点的增强约束联系，其预测能力不随时间发生明显弱化，不受网络转移方向的影响，远高于Markov-DBN模型。案例分析表明：隧道工程施工前和施工初期，优化Markov-DBN模型即可实现位移时序曲线的有效预测，克服了传统方法的局限性和滞后性；隧道施工过程中，实时输入现场监测位移数据，可实现优化Markov-DBN模型的自我更新和围岩变形的动态预测。

当前，针对隧洞穿越活动断层的研究多集中于单一隧洞工况，对多条隧洞构成的隧洞群中所存在的群洞效应尚缺乏系统关注。此外，既有水工隧洞抗错断性能研究往往未考虑内水压作用，高内压条件下跨活动断层隧洞的变形破坏机制尚不明确。以中国西部某工程为背景，采用自主研发的物理模拟试验系统，开展高内水压条件下隧洞群穿越活动断层的模型试验，结合数值模拟，系统分析波纹伸缩节与群洞效应对抗错断性能的影响。结果表明：（1）波纹伸缩节显著提升隧洞抗错断性能，使纵向应变峰值延迟出现，最大拉应变与压应变分别降低69%与48%，促使剪切破坏转化为整体协调变形；（2）错动条件下，群洞效应将加剧围岩破裂，洞间岩体应力叠加形成“Y型交叉裂纹系统”，破裂复杂度显著高于单一隧洞的工况；（3）双洞相邻侧衬砌应变响应高于外侧，反映出“隧洞–围岩–隧洞”相互作用机制，纵向压应变与纵向拉应变峰值较单洞工况分别提高87%和35%；（4）群洞效应导致洞间岩体土压力异常增大，群洞效应对双洞外侧岩体土压力影响较小。（5）隧洞间距越小，衬砌受错动的力学响应就越强烈，表现为衬砌轴力和剪力均增大，表明群洞效应增强了洞室衬砌的力学响应。随着间距变大，相互作用基本消失，内力分布趋于稳定。初步揭示错动条件下高压水工隧洞群的破坏机制，为高地震风险区高压水工隧洞群的抗错断设计提供了理论依据与技术支撑。

岩体在单轴压缩下普遍表现出显著的尺寸效应，但其细观主控机制及裂纹参数敏感性仍缺乏系统认知。本文针对花岗岩不同实验室尺寸试样开展了单轴压缩与声发射（acoustic emission，AE）监测实验，并结合X射线衍射矿物组分约束和AE数据引导，基于PFC平台建立含原生裂隙网络的数值模型。结果表明：岩样的单轴抗压强度、破坏模式及裂纹扩展均表现出明显尺寸依赖性，峰值强度随尺寸增大而降低，破坏模式由劈裂向剪切转变。在均质矿物基质模型（无原生裂隙）下，强度基本不随尺寸变化，表明原生裂隙是尺寸效应的主控因素。此外，裂隙长度对强度劣化的影响远高于裂隙数量，且小尺寸试样对裂隙参数变化更为敏感。所建模型在应力–应变、AE时序、AF-RA裂纹分型及破坏形态等方面与试验结果一致，验证多尺度数值模型的可靠性。研究结果可为复杂地质条件下工程岩体的强度尺寸效应修正与安全设计提供理论支撑。

冰川与下伏基岩之间的相互作用是冰崩灾害的主控因素之一，然而目前关于冰–岩界面力学特性的研究仍较为薄弱。为深入探究高寒山区冰崩启动过程中的关键力学机制，揭示其主控因素与作用规律，研究设计并研制一套适用于冰–岩界面脱黏试验的小型高速离心装置，系统开展多种工况下的冰–岩界面黏结强度测试。研究成果如下：（1）自主研制的离心装置具有试验效率高、数据离散性小的优点，可实现抗拉、纯剪以及压剪等多工况下的冰–岩界面强度测试；（2）冰–岩界面黏结强度与温度、岩面粗糙度以及岩石岩性密切相关。温度越低，黏结强度越大，整体上呈线性关系；黏结强度与岩面粗糙度呈非线性正相关，当粗糙度超过一定值时，界面气穴的产生会抑制黏结强度进一步提升；岩石岩性通过孔隙率和矿物亲水性影响其与冰体的黏结强度；（3）建立冰–岩界面黏结强度计算模型，明确了黏结强度与温度、粗糙度、法向压力之间的定量关系。研究为冰–岩界面黏结力学特性分析提供新的试验方法，研究成果为高寒山区冰崩灾变机制认识和灾害风险评估提供量化依据。

传统有限元方法开展数值模型批量计算易受计算资源限制且耗时较长，基于BP神经网络构建的结构响应预测方法可有效提高计算效率。采用ABAQUS有限元软件建立跨逆断层含腐蚀缺陷埋地管道三维数值模型，研究管道腐蚀深厚比、径厚比、内压和埋深四项关键参数对管道地震响应的影响规律。基于参数分析结果，将断层错动量及以上4项参数输入，以管道轴向峰值压应变作为输出参数，构建基于BP神经网络的跨逆断层含腐蚀缺陷埋地管道地震响应预测模型，并结合数值计算结果数据集对预测模型进行了训练和验证。结果表明：管道腐蚀深厚比、径厚比、内压、埋深的增加均会导致管道下盘峰值压应变达到限值时对应的断层错动量减小，导致管道局部屈曲失效提前；无内压管道和有内压管道的屈曲形式不同，在应力集中处分别呈现为内陷屈曲和鼓胀屈曲；腐蚀深厚比等4项参数与管道压应变响应高度相关，且随断层错动量增加相关性由线性相关转变为非线性相关；已完成训练的BP神经网络模型在管道压应变响应验证集和测试集上的最大预测误差分别为13.60%和12.84%，均小于15%，对于跨逆断层在役埋地管道的地震响应具有良好的预测性能和泛化能力。

为研究干湿、冻融和干湿–冻融循环对膨胀土土–水特征和收缩特性影响的差异，对原状膨胀土设计多次干湿、冻融和干湿–冻融循环试验，再对各循环下饱和样开展常规收缩试验和控制吸力脱湿试验。研究结果表明：屈服吸力s_y和缩限吸力s_SL将饱和膨胀土的脱湿过程划分为3个区域，即s<s_y时，膨胀土处于弹性区域，s_y≤s≤s_SL时，膨胀土处于弹塑性区域，s>s_SL时，膨胀土处于缩限区域；干湿循环后膨胀土的临界吸力、持水能力、进气值、屈服吸力和缩限吸力均最大，冻融循环后次之，干湿–冻融循环后最小；不同循环类型下，脱湿过程中e-S_r曲线皆近似由平缓段、陡降段和垂线段3个部分组成，陡降段结束后干缩变形基本完成；饱和度（或孔隙比）皆随着循环次数的增大而减小（或增大）并最终趋于稳定，其中，首次循环降低（或上升）的幅度较大，3次循环后饱和度（或孔隙比）趋于稳定；干湿循环后饱和膨胀土的干缩程度最大，干湿–冻融循环后次之，冻融循环后干缩程度最小；提出了考虑干湿、冻融和干湿冻融循环影响的饱和膨胀土的SSCC和SWCC曲线模型，且模型拟合效果较好。

为探明拉裂型危岩体在重力主导作用下的崩塌前兆倾斜变形规律，首先将危岩体崩塌演化过程概化为受弯I型断裂模型在应力腐蚀作用下的亚临界扩展过程，构建倾斜变形时效演化方程，分析倾斜变形理论规律。此外，基于微机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）重力加速度测试原理，建立基于空间矢量夹角的危岩体主倾斜方向累积倾斜角度监测方法，设计并实现重力主导作用下拉裂型危岩体崩塌物理模型监测试验，分析倾斜变形试验规律。进一步利用高低温试验对MEMS倾斜传感器进行温度漂移校正分析，并通过拉裂型危岩体崩塌现场自动化监测，得到倾斜角度的时序变化规律。综合分析表明：拉裂型危岩体临崩倾斜变形由“（近）匀速”向“（加）加速”转变，但受裂隙亚临界扩展路径的非均质介质影响，匀速变形阶段会出现“局部阶跃”，加速变形阶段会出现“趋势更新”。拉裂型危岩体临崩加速过程中倾斜变形速率与加速率呈现显著幂函数关系，进而提出倾斜速率倒数崩塌时间预测方程，并明晰了线性与非线性方程的预测效果。研究成果有助于应用倾斜传感技术进行崩塌监测预警研判。

南海岛礁珊瑚砂场地存在地震液化风险。剪切波速作为场地抗液化评估指标，具有快速、无损的优势，但历史震害资料表明，现有判据在珊瑚砂场地的适用性存在局限，亟需建立针对珊瑚砂的专门关系模型。研究采用GDS动三轴–弯曲元试验系统，对饱和南海珊瑚砂及级配一致的对照石英砂分别开展循环不排水液化试验和弯曲元试验，系统获得两类砂土的抗液化强度及剪切波速，进而建立了珊瑚砂的剪切波速–抗液化强度定量关系模型。结合典型地震液化案例对模型的合理性和工程适用性进行了验证，并据此提出了适用于珊瑚砂场地的液化临界剪切波速计算公式。研究结果表明：珊瑚砂的剪切波速与抗液化强度具有良好的相关性，且在相同强度条件下显著高于石英砂，进一步印证珊瑚砂与陆源砂间的系统性差异；所建立的珊瑚砂剪切波速–抗液化强度模型能够较为准确地表征不同地震强度下珊瑚砂土的抗液化能力。将该模型应用于历史震害场地检验中，能够合理判别珊瑚砂层的液化范围。研究成果可为南海岛礁港口等珊瑚砂地基的地震安全评估和工程抗震设计提供理论参考。

当在流变地层中修建隧道时，围岩蠕变会使支护结构荷载随时间增加。同时，受赋存环境的影响，支护结构蠕变现象也时有发生，两者耦合作用下隧道围岩与支护结构的相互作用机制复杂。基于复变函数理论和Laplace变换提出一种圆形隧道解析方法，相比于以往的解析解，提出的解析解耦合考虑围岩的流变，非静水应力场和支护结构的蠕变特性。采用Kelvin-Voigt模型模拟围岩和支护结构的流变特性，通过围岩和支护结构的位移协调方程和应力边界条件得到位移和应力解，通过数值模拟验证解析解的正确性，并开展参数分析。得到的主要结论如下：（1）对于简单的力学模型，提出的解析方法相比于数值模拟更加快速、简便，且具有一定的准确性；（2）当考虑支护结构的蠕变特性时，相比于既有的解析结果，其围岩变形会更大，围岩和初支的接触压力会更小，支护结构的蠕变会降低自身的承载能力和变形约束能力，喷射混凝土蠕变速率越快，围岩变形速度越快，蠕变模量越小，围岩变形越大；（3）在非静水应力场中修建隧道时，隧道和支护结构蠕变产生的耦合作用会加剧仰拱隆起或隧道侧壁向内挤压等隧道病害的发生，从而降低支护结构的安全性，在设计和施工中考虑上述因素对复杂环境下隧道的施工与运营具有重要意义；（4）工程应用结果表明提出的解析方法可以良好地预测隧道围岩变形和支护结构受力的发展趋势，在实际工程应用中具有一定的潜力。

精准预测CO₂注入页岩储层的渗透率动态演化规律对于碳封存和增强页岩气开采具有重要意义。针对传统渗透率模型难以准确描述CO₂由低压气态到超临界态全压注入页岩过程中的渗透率全过程演化问题，基于基质–裂隙双弹性介质系统，构建由组分渗透率权重决定的页岩渗透率演化模型；通过引入基质力学劣化、二次吸附，以及应变滞后效应等关键因素，建立起多效应耦合控制的渗透率演化方程。基于双弹性介质体重叠结构开展并行交叉耦合数值求解，实现对CO₂全压注入过程中页岩渗透率非线性演化过程的准确描述。进一步，影响效应解耦研究结果表明：CO₂对基质材料力学参数的劣化界定渗透率波动范围的边界阈值，机械应变与吸附应变之间的非同步响应显著放大演化阶段差异，形成具有显著辨识度的阶段转换过程；应变滞后效应则显著延长演化时间跨度；气体吸附作用与力学响应共同调控各演化阶段的转变节点，尤其是二次吸附引发的额外膨胀应变明显增强了演化过程中的阶段划分程度。此外，本研究还深入分析流–固耦合渗透率建模基本框架和不同数值模拟方法的特性，不仅可以加深对CO₂注入过程中页岩渗透率演化过程的理解，还为流体地质封存渗透率理论建模及数值模拟方法提供借鉴意义。