本项目属非饱和土力学、颗粒力学、表面科学、热力学、冻土力学及工程地质等多学科领域交叉。

    水力-力学特性是岩土力学理论与工程的重要课题之一。在大型水利水电、交通、地下空间利用等岩土工程建设中，普遍涉及复杂地质环境和水环境下水分的分布和迁移对岩土体变形和稳定性影响显著的问题。例如，在暴雨诱发滑坡、泥石流等地质灾害中，由于雨水的入渗，坡体内部产生水、气两相运动，导致土体的力学特性和有效应力状态发生变化，从而引起坡体发生变形，甚至诱发滑带的形成和贯通；在水利水电工程中，土石坝的黏土心墙孔隙中水分的运动也会显著影响黏土心墙的沉降变形过程；此外，因水力-力学行为变化而诱发的变形和稳定性问题又普遍存在于各类岩土工程中，已造成了严重的人员伤亡和巨大的经济损失，以陕西省境内的公路工程为例，据不完全统计，由于气候变化致使路基覆盖层水分分布和应力传递特征剧变而引发的持续不均匀沉降约2500余处，因此而产生的路面维修与维护经济的损失已逾数亿元。在上述实际岩土工程中，水力-力学特性研究是工程设计和性能评价的基础与关键。由于已有研究没有充分揭示其物理机制--颗粒-水分的相互作用机理，因而对岩土工程结构的设计优化不足，造成投资浪费或存在安全隐患。因此，深入认识水力-力学特性的颗粒-水分的相互作用机理，是重大岩土工程建设的迫切需求。

    本成果依托国家自然科学基金、中国博士后科学基金、陕西省自然科学基础研究计划项目、陕西省教育厅重点实验室计划项目及课题组承担的企业委托技术研发课题，采用"试样-颗粒-集合体"的细-宏观多尺度分析模式，将岩土材料的宏观水力-力学特性与颗粒-水分的细观相互作用机理有机结合，探索岩土工程变形分析及其稳定性评价的新理论、新方法、新技术，取得的创造性和先进性成果如下：

    ① 研制了适用于测试复杂应力状态下非饱和土水气渗透系数的试验装置，在湿度和密度双变化条件下构建了两种非饱和黄土渗透系数函数，并将其应用于非饱和渗流计算分析；

    ② 研发了适用于测试坚硬黄土及冻土力学特性参数的旋转触探试验设备；

    ③ 基于土样的持水试验结果，改进了Van Genuchten持水曲线模型，以考虑应力引起的密度变化以及较低含水率条件对其持水特性的影响；

    ④ 将土材料中的粗粒和细粒分别简化为球体颗粒和片状颗粒，构建了颗粒-水分相互作用及其孕灾机理的评价方法；

    ⑤ 将土材料简化为球体颗粒集合体，提出了预测其滞回持水曲线的数学模型；

    ⑥ 将土材料简化为气、液、固三相及其交界面组成的集合体，构建了考虑气-液交界面水力-力学耦合效应的有效应力描述方法；

    ⑦ 基于多元变形分析模式，提出了寒区冻土地基沉降计算及其稳定性评价的新方法。

    ⑧ 在砂卵石深厚覆盖层的水力灌浆过程中，提出了"钻具交替-孔口定位-间隙灌注"的快速施工方法。

    课题组共出版著作1部，发表论文100余篇，其中SCI、EI检索论文70余篇，获得授权专利8项，依托本项目培养博士2名、硕士37名。承担课题30余项，总经费591.267万元。本成果可应用于黄土、冻土以及砂卵石水力-力学特性参数快速确定及其工程沉降计算与稳定性评价，已在中国水电基础局有限公司、上海汇壹土木工程技术有限公司等生产机构的沉降变形分析及其稳定性评价项目中得到广泛应用，并取得显著经济效益。研究成果对于岩土工程水力与力学孕灾-致灾机理评价、防护与治理具有重要的理论价值和实践意义，综合效益显著，应用推广前景广阔。