周德泉，鄧超, 2，李疊磊，周毅

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重復壓縮?回彈條件下土石混填體變形規(guī)律與壓實指標相關性試驗研究

周德泉1，鄧超1, 2，李疊磊1，周毅3

(1. 長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙，410114；2. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410012；3. 廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州，510620)

從湖南省龍(山)—永(順)高速公路大壩隧道棄碴填筑體取樣，開展土石混填體壓實模擬及壓實評價指標室內對比試驗。研究結果表明：土石混填體壓縮曲線呈上凸型；回彈曲線平緩圓滑，呈微下凹型；第+1次壓縮回彈曲線均位于第次曲線下方，線形相似；土石混填體變形具有記憶效應；濕化對土石(灰?guī)r)混填體壓實變形特征影響不明顯；分級加載比1次加載產生的變形大；隨著循環(huán)荷載和加載次數增加，累積總變形、累積塑性變形和累積塑性變形率增大，壓縮5次基本不再增大；分級總變形、分級塑性變形和分級塑性變形率隨加載次數增加而減小，減小率也不斷減?。划斞h(huán)荷載超過400 kPa時，分級總變形、分級塑性變形和分級塑性變形率基本接近；在工地碾壓過程中，采用高噸位壓路機或者輕重機具組合碾壓5次，能有效提高土石混填體的壓實度；壓實評價指標30(地基系數)、v1(靜態(tài)變形模量)與(孔隙比)具有較好的相關性，v2(靜態(tài)變形模量)、vd(動態(tài)變形模量)與(孔隙比)的相關性較差；30和v1可作為土石混填體壓實質量評價指標。

土石混填體；累積變形；地基系數；變形模量

我國山嶺眾多，中西部地區(qū)地質環(huán)境和水文條件復雜且差異性較大，修筑高速公路、高速鐵路等基礎設施勢必開挖山體、修筑隧道，必然產生大量的棄碴(土石混合體)。棄碴是工程建設需要慎重處理的問題之一。山區(qū)棄碴轉運困難，異地堆填閑置消耗大量的土地、人力和財力，若處置不當則會污染環(huán)境，造成水土流失、坡體失穩(wěn)等，阻礙區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。山區(qū)高速公路建設實踐表明，棄碴越來越多地被用作路基的填筑材料[1?4]，形成土石混填體，其物理力學特性比較復雜。目前，人們對土石混填體的研究主要集中于壓實度檢測方法和變形特性。張獻民等[5?8]提出了土石混填路基的壓實度檢測新方法，梁承祥等[9?12]對土石混填路基的壓實和剪切變形特性進行了研究。但由于巖石種類不同、風化程度各異，人們對實際土石混填體的工程特性并不十分清楚，土石混填路基的填筑質量仍然難以得到有效保障。為此，本文作者通過對湖南省龍(山)—永(順)高速公路大壩隧道棄碴填筑體現場取樣，在室內固定反力架下設置試驗裝置進行模型試驗，研究石灰?guī)r中開挖隧道形成的土石混合體筑路特性，以便為控制土石混填路基施工質量提供依據。

1 試驗

在長沙理工大學結構試驗中心反力架下加工圍擋，制作可方便施加荷載的模型槽，見圖1。模型槽內充填大壩隧道棄碴填筑體樣品，該樣品作為模型土。通過室內小型平板載荷試驗模擬現場壓實施工過程，分別對3處測點(，和)土石混填體進行不同額定荷載下的1次預加壓+4次循環(huán)荷載+1次12 h超載濕化+1次超載循環(huán)荷載試驗，探究實際土石混填體在不同加載過程中的荷載?變形曲線特征、壓縮變形與加載次數的關系，以指導現場壓實控制。加載路徑見 表1。

(a) 平面布置圖；(b) 側面布置圖

表1 加載過程

在土石混填體現場壓實模擬試驗完成后，挖出土樣重新攤鋪，記錄槽內土樣初始高度0，計算初始孔隙比0。通過長×寬為1.2 m×1.2 m的剛性板進行加荷，記錄槽內土樣壓縮后的高度h(1，2，3，4)，按下式計算壓縮后相應孔隙比e：

壓實指標相關性模型試驗布置如圖2所示。具體方案如下。

(a) 平面布置圖；(b) 側面布置圖

圖2 壓實指標相關性模型試驗布置圖

Fig. 2 Arrangement of model test for correlation between compaction indexes

1) 準備工作。在反力梁兩立柱內側安裝“鋼管+鋼板+木板”組合結構，形成側限模型槽，其長×寬×高為1.5 m×1.4 m×0.6 m，在槽壁刻畫豎向尺寸。預鋪裝10.0 cm厚的土石混填體并壓實，再攤鋪厚度為30.0 cm的土石混填體，以此近似模擬現場土石混填體壓實所處環(huán)境。標定壓力傳感器、千斤頂。

2) 重復壓縮?回彈模型試驗。按照圖1中，和的順序進行平板載荷試驗。測點處放置直徑為400.0 mm的承壓板(中部預留孔洞)、千斤頂、壓力傳感器，其間隙根據實際情況加減墊塊、傳力墩進行調節(jié)。在凳式傳力架左、右兩側對稱設置2個大量程百分表，并與承壓板保持垂直，且保持獨立，不受試驗加載及讀數的擾動。試驗參照文獻[13]中附錄C進行。要點為：測試前加載5 kN，以校核實驗系統(tǒng)的整體工作性能，然后分級加載，根據平臺反力與變形特征決定終載；每級荷載前后測讀百分表，按間隔10，10，10，15和15 min讀數，以后每0.5 h測讀1次，在連續(xù)2 h內，當每1 h內承壓板沉降小于0.1 mm時加下一級荷載；操作油泵旋紐，盡量分級卸載，每級維持 0.5 h，測讀百分表，完成預加載1次。表1所示加載過程的參數測讀方法相同。

3) 壓實指標相關性模型試驗。挖出土樣，重新攤鋪模型土。利用滑輪組吊裝長×寬為1.2 m×1.2 m的剛性板，通過千斤頂加載的方法制作不同孔隙比的土石混填體，在圖2(a)所示平面位置測試地基系數30、靜態(tài)變形模量v1和v2以及動態(tài)變形模量vd。地基系數30反映路基在荷載作用下的可壓縮性，測試時，利用直徑=300 mm的剛性荷載板進行平板載荷試驗。預壓荷載0.01 MPa，此后以增量Δ=0.04 MPa逐級加載。在每級荷載作用下，以1 min內的沉降量不超過該級荷載沉降量的1%且加載時間不小于3 min為穩(wěn)定標準，讀取沉降量并記錄荷載強度，直至總的沉降量達到或超過1.25 mm時停止試驗。對靜態(tài)變形模量v1和v2進行試驗時，應預先施加荷載0.01 MPa，保持加荷恒載時間為30 s，穩(wěn)定后卸除荷載并將百分表的讀數歸零，并保證百分表與荷載板垂直且接觸良好。在進行第1次加載試驗時，應將荷載至少分為6級施加，增量Δ=0.08 MPa。每次施加荷載的時間不宜超過1 min，每級荷載維持時間不少于2 min，且保持恒載。當沉降量剛好超過或等于5 mm或者試驗最大荷載超過0.5 MPa時，逐級卸載。卸載按最大荷載的0.50，0.25和0的比例遞減、遵循3級卸載原則。卸除荷載后，按照初次施加荷載的程序再次加載，第2次加載可以直接加到第1次所加最大荷載的倒數第2級荷載。動態(tài)變形模量vd荷載板的直徑也為300 mm，錘質量為10 kg，最大沖擊力為7.07 kN，荷載脈沖寬度為18 mm，試驗記錄落錘沖擊時板的沉降。

2 試驗結果與分析

2.1 土樣級配特征

土石混填體中，巖性以肉紅色、淺灰色、青灰色的隱晶質結構的瘤狀灰?guī)r為主，包含少量的頁巖，土性主要表現為砂性土特征，由砂巖、頁巖的碎粒、砂土及微量的硬塑黏土組成。

室內平板載荷試驗要求土石混填體直徑≤ 75 mm，本試驗采用等量替代法對超粒徑料進行處理。篩分試驗時，利用對超粒徑料現場多次取樣求均值的方法得到超粒徑的顆粒為12.86%。采用下式計算代換后某粒徑的粒料通過率：

式中：P為代換后某粒徑的粒料通過率；5為原級配中粒徑為5 mm的粒料通過率；m為原級配中粒徑為75 mm的粒料通過率；0i為原級配中某粒徑粒料的通 過率。

也許你此時正覺得自己一無是處，為自己對什么都不感興趣而不知所措，甚至煩悶不已。你要明白，也許你并不是對什么都不感興趣，只是沒有去接觸而已。

2.2 不同加載過程中荷載?變形曲線特征

不同荷載下土石混填體經歷1次預壓+4次循環(huán)加載+1次超載的壓縮?回彈曲線如圖4所示，其中，“第1次200 kPa”指第1次壓縮?回彈、最大荷載為 200 kPa，其他類同。圖4(a)所示為試驗點經歷1次100 kPa預壓+4次200 kPa循環(huán)加載+1次超載至 300 kPa的壓縮?回彈曲線；圖4(b)所示為試驗點經歷1次300 kPa預壓+4次400 kPa循環(huán)加載+1次超載至500 kPa的壓縮?回彈曲線；圖4(c)所示為試驗點經歷1次500 kPa預壓+4次600 kPa循環(huán)加載+1次超載至700 kPa的壓縮?回彈曲線。從圖4可見：

圖3 土石混填體顆粒級配曲線

試驗點：(a) A；(b) B；(c) C

1) 土石混填體壓縮曲線整體上呈上凸型，經預壓和第1次加載之后產生了明顯沉降；回彈曲線平緩圓滑，均呈微下凹型，卸載完畢時無法回到加載前的水平，這說明土石混填體為非理想彈性體，在荷載作用下產生的變形由彈性變形和塑性變形2部分組成；第+1次壓縮回彈曲線均位于第次曲線下方，線形相似；當第1次加載超過預壓荷載、超載超過第4次加載時，加壓曲線將回歸到前次壓縮曲線的延長線上，即具有記憶效應。

2) 預壓越大(圖4(b)、圖4(c))，變形就越大，說明工地碾壓選用高噸位壓路機是合理的；預壓100 kPa 后第1次加載到200 kPa 產生的變形(圖4(a))比預壓期直接加載到200 kPa 產生的變形(圖4(b))大,預壓 300 kPa 后第1次加載到400 kPa產生的變形(圖4(b))比預壓期直接加載到400 kPa產生的變形(圖4(c))大。由于塑性變形的累積效應，預壓較小荷載，然后施加到額定荷載與直接施加到額定荷載相比能產生較大變形。這說明在工地碾壓過程中，輕重機具有組合碾壓作用，能明顯提高土體的壓實度。

2.3 濕化效應

為了研究土石混填體濕化變形規(guī)律，超載后從承壓板中部預留的孔洞灌注2瓶礦泉水，恒載12 h，讀取沉降，再回彈，最后完成1次加載?回彈。濕化前后荷載試驗曲線對比見圖5，其中，圖5(a)所示為經過超載至300 kPa、濕化恒載12 h、卸載至0 kPa后再進行1次最大加載為300 kPa的壓縮?回彈曲線；圖5(b)所示為經過超載至500 kPa、濕化恒載12 h、卸載至0 kPa后再進行1次最大加載為500 kPa的壓縮?回彈曲線；圖5(c)所示為經過超載至700 kPa、濕化恒載12 h、卸載至0 kPa后再進行1次最大加載為700 kPa的壓縮?回彈曲線。從圖5可見：恒載作用下加水濕化12 h，土石混填體沉降量很?。粷窕暗膲嚎s曲線與濕化后的壓縮曲線線形相似、呈上凸形；濕化前后回彈曲線均呈微下凹形，說明濕化對石灰?guī)r土石混填體的變形特征影響不明顯，沒有出現濕化全風化砂 巖[14]和濕化花崗巖殘積土[15]加載曲線的下凹曲線 特征。

2.4 壓縮變形與加載次數的關系

從圖4可見：最大荷載為200，400和600 kPa的4次壓縮?回彈曲線與壓路機碾壓4遍的壓縮?回彈曲線十分相似。

2.4.1 累積壓縮變形與加載次數的關系

圖4中，4次等載(200，400和600 kPa)循環(huán)加卸載之后分別經受了1次超載(分別為300，500和 600 kPa)，所以，試驗點經受了5次200 kPa壓力，試驗點經受了5次400 kPa壓力，試驗點經受了5次600 kPa壓力，產生了5次累積變形和4次累積塑性變形(包括1次預壓產生的變形)。累積沉降?加載次數曲線見圖6，累積塑性變形?加載次數曲線見圖7，累積塑性變形率(塑性變形與總變形之比)與加載次數的關系見圖8。從圖6~8可見：

試驗點：(a) A；(b) B；(c) C

1—5次200 kPa累積總變形；2—5次400 kPa累積總變形；3—5次600 kPa累積總變形。

1—4次200 kPa累積總變形；2—4次400 kPa累積總變形；3—4次600 kPa累積總變形。

1—4次200 kPa分級塑性變形率；2—4次400 kPa分級塑性變形率；3—4次600 kPa分級塑性變形率。

2) 循環(huán)荷載越大，土石混填體累積總變形和累積塑性變形也越大，壓實度越高；累積總變形、累積塑性變形?加載次數曲線的斜率隨循環(huán)荷載增大而 增大。

3) 當循環(huán)荷載較大時，累積塑性變形率隨壓縮遍數呈整體增大趨勢，與花崗巖殘積土的變化趨勢[15]相似。且額定荷載越大，累積塑性變形率越大。當循環(huán)荷載較小時，壓實2次后的累積塑性變形率變化不明顯，這與全風化泥質砂巖的變化趨勢[14]相似。

在工地碾壓過程中，宜選用高噸位高能量壓路機，單次壓實效果好，且增加壓實遍數更有效。

2.4.2 分級壓縮變形與加載次數的關系

圖4中，每次等載壓縮?回彈曲線都反映了總變形、塑性變形和彈性變形。為了便于辨析，將等載循環(huán)加卸載階段每次等載壓縮?回彈過程擬定為“級”。獲得的分級總變形、分級塑性變形和分級塑性變形率與加載次數的關系見圖9~11。分析圖9~11可見：

1) 加載次數增加，分級總變形、分級塑性變形和分級塑性變形率隨之減小，減小趨勢變緩，分2個階段：第1階段是從第1遍至第2遍壓縮回彈結束，為急劇減小階段，此時土體被迅速壓實；第2階段是從第2遍結束開始至最后，為緩慢減小階段，土體變形逐漸由彈性變形主導。當加載到第5次時，分級總變形仍減小，這與全風化泥質砂巖[14]和花崗巖殘積土[15]循環(huán)加卸載3次趨于穩(wěn)定明顯不同。第1次加載400 kPa產生的分級總變形和分級塑性變形比第1次加載 200 kPa產生的相應變形小(1 mm)，是因為其預壓(300 kPa)較大，大部分變形提前完成。

1—5次200 kPa分級總變形；2—5次400 kPa分級總變形；3—5次600 kPa分級總變形。

1—4次200 kPa分級塑性變形；2—4次400 kPa分級塑性變形；3—4次600 kPa分級塑性變形。

1—4次200 kPa累積塑性變形率；2—4次400 kPa累積塑性變形率；3—4次600 kPa累積塑性變形率。

2) 循環(huán)荷載增大，分級總變形、分級塑性變形和分級塑性變形率隨之增大；當循環(huán)荷載超過400 kPa時，分級總變形、分級塑性變形和分級塑性變形率基本接近。

在現場壓實過程中，壓實遍數可以增加到5遍以上，但單靠增加壓實遍數來增加壓實效果是有限的?，F場壓實效果主要靠提供較大荷載的高能量壓路機實現。

2.5 壓實指標相關性

靜態(tài)變形模量v1和v2與地基系數30都是在直徑為30 cm的承載板上逐級施加靜力載荷，觀測地基在各級荷載作用下的沉降量，根據荷載?沉降曲線計算的。其中，30=/1.25，單位為MPa/mm，其中為第1 次加載測得的荷載?沉降曲線上沉降= 1.25 mm(沉降包括彈性變形和塑性變形)時對應的荷載，每級荷載增量為0.04 MPa；靜態(tài)變形模量通過1次加載或重復加載測得的應力?位移曲線上0.3 倍最大荷載和0.7 倍最大荷載之間的割線斜率確定，每級荷載增量為0.08 MPa。由第1 次加載曲線求得的變形模量為1次變形模量，用v1表示；由第2 次加載曲線求得的變形模量為2次變形模量，用v2表示，其變形主要以彈性變形為主，計算方法為

式中：為荷載板半徑，m；Δ為應力差， MPa；Δ為沉降差，m。

vd為動態(tài)變形模量，通過落錘試驗和沉陷測量直接求出，以反映土體動態(tài)特性。在假定沖擊力恒定和泊松比為0.21的情況下，由下列彈性半空間體上圓形局部荷載公式計算：

式中：為應力，MPa；為沉降，m；為泊松比；為荷載板半徑，m。

2.5.1 不同孔隙比土石混填體30和vi測試曲線

通過對模型槽內土石混填體試樣先后進行壓實，按式(1)計算獲得4種孔隙比(0.246 4，0.211 5， 0.165 3和0.137 2)。在不同的壓實荷載作用下土石混填體產生沉降，對比測試不同壓實狀態(tài)下的土石混填體壓實指標。圖12和圖13所示分別為30和v1測試曲線。

從圖12和圖13可見：在不同的壓實狀態(tài)下，土石混填體荷載?沉降曲線平緩程度不同；土石混填體越密實，荷載?沉降曲線越平緩，表明土石混填體在壓實功作用下，壓實度越高，抵抗變形的能力越強，路基在施工、使用期間抗變形能力也越強；靜態(tài)變形模量試驗第1次加載時土石混填體表現出30曲線相似的規(guī)律；靜態(tài)變形模量2次加載曲線的斜率比較接近，可知v2對密實程度不太敏感，30和v1對密實程度較敏感。v2反映的是土石混填體的特征參數，主要是反映彈性變形。v2更適合作為路基特別是基床表層和基床底層剛度檢測指標。碾壓的目的是為了消除土體的塑性變形，使填料更加密實。顯然，30與v1更好地反映出填料的塑性變形，因此，30與v1可以有效地評價土石混填體的壓實質量。

孔隙比e：1—0.246 4；2—0.211 5；3—0.165 3；4—0.137 2。

孔隙比e：1—0.246 4；2—0.211 5；3—0.165 3；4—0.137 2。

2.5.230，vi和vd與的相關性

為了建立土石混填體壓實評價物理指標與力學指標之間的關系，根據相關試驗原理計算得到測試指標，研究指標與壓實狀態(tài)之間的關系。根據Origin最佳擬合得到的孔隙比與各指標之間的關系如圖14所示。為了更好地反映擬合關系精確性，得到反映擬合精確性的指標相關性系數、擬合優(yōu)度，如表2所示。相關性系數絕對值和擬合優(yōu)度越接近于1，表明相關性越強，擬合越精確。由圖14和表2可知：30和v1與之間相關性較好，說明30和v1可以有效地反映土石混填體的壓實質量；v2與土樣壓實狀態(tài)即密實程度之間的相關性較差，在一定程度上可以反映出土石混填體的壓實情況；vd與土樣孔隙比擬合結果偏差較大，不能很好地反映土石混填體路基的壓實情況，對土石混填體路基壓實質量的檢測僅起輔助評價作用。

2.5.330，vi和vd之間的相關性

為了探討壓實指標之間的關系，作30，vi和vd間關系圖，如圖15所示。從圖15和表2可知：30?vi和v1?v2之間相關性較好，在實際工程中可以經過大量現場試驗確定指標間的換算公式并推廣到質量檢測；vd與30和vi的相關性較差。

(a) K30與e的關系；(b) Evi和Evd分別與e的關系

表2 K30，Evi，Evd與孔隙比e的擬合方程

(a) Evi(i=1，2)和Evd分別與K30的關系；(b) Ev2與Ev1的關系；(c) Evi(i=1，2)與Evd的關系

3 結論

1) 土石混填體壓縮曲線整體呈上凸型，回彈曲線平緩圓滑均呈微下凹型，說明土石混填體為非理想彈性體；第+1次壓縮回彈曲線均位于第次曲線下方，線形相似；超壓曲線具有記憶效應；濕化對土石(灰?guī)r)混填體壓實變形特征影響作用不明顯，且沒有出現濕化花崗巖殘積土和全風化砂巖加載曲線的凹曲線 特征。

2) 分級加載比1次加載產生的變形大；循環(huán)荷載和加載次數增加，填料的累積總變形、累積塑性變形和累積塑性變形率增大，壓縮5次基本不再增大。分級總變形量、分級塑性變形量和分級塑性變形率隨加載次數增加而減小，減小率也不斷減小。當循環(huán)荷載超過400 kPa時，分級總變形、分級塑性變形和分級塑性變形率基本接近。在工地碾壓過程中，采用高噸位壓路機或者輕重機具組合碾壓5次，能有效提高土石混填體的壓實度。

3) 密實程度對30與v1較敏感，對v2不太敏感。土石混填體碾壓的目的是為了消除填料的塑性變形，使填料更加密實；30與v1更好地反映出填料的塑性變形，可以有效地評價土石混填體的壓實質量；v2反映土石混填體的材料特征，主要反映彈性變形，更適合作為路基特別是基床表層和基床底層剛度檢測指標；在土石混填體壓實質量檢測中，應以30和v1為主要參考指標，v2為輔助參考指標。動態(tài)變形模量vd與其他壓實指標之間沒有存在良好的相關性，以vd作為土石混填體壓實質量評價指標尚待試驗分析論證。

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Experimental study for soil-rock mixture about deformation law and correlation between compaction indexes under repeated compression-rebound

ZHOU Dequan1, DENG Chao1, 2, LI Dielei1, ZHOU Yi3

(1. School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China; 2. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410012, China; 3. Guangdong Provincial Changda Highway Engineering Co. Ltd, Guangzhou 510620, China)

Samples were obtained from the Daba tunnel of the Longyonghighway in Hunan Province, and compactionsimulating and comparative test of compaction quality indexes were carried out. The results show that the compression curves of soil rock mixture areoverall convex type in plate loading test, and the rebound curves are smooth and slightly concave type. The (+1)thcompression-rebound curve is located below theth curve, and has the similar linearity. The over-pressure curve has memoryeffect. The effect on wetting compaction deformation characteristics of soil-rock (limestone) mixture is not obvious. The deformation caused by the step loading is larger than that of the single loading. All of the cumulative total deformation and cumulative plastic deformation and ratio of accumulative plastic deformation increase with the increase of cyclic loading and loading times, but do not increase when cyclic times exceed 5 times. The classification total and plastic deformation and ratio of classified plastic deformation decrease with the increase of loading times, and the decreasing rate also decreases. But when cyclic loading exceeds 400 kPa, the classification total deformation and plastic deformation and ratio of classified plastic deformation are approximately equal. In the site rolling process, the use of high tonnage roller and 5 times combination rolling of light and weight equipment can effectively improve the compaction degree of soil rock mixture. Void ratiohas good correlation with compaction quality index30(foundation coefficient) andv1(static deformation modulus), but little correlation with compaction quality indexvd(dynamic deformation module) andv2(static deformation modulus).30andv1may be effective in evaluating indicators of compaction quality for soil-rock mixture.

soil-rock mixture; accumulative deformation; foundation coefficient; deformation modulus

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.12.022

TU 413

A

1672?7207(2018)12?3077?10

2017?12?22；

2018?03?15

國家自然科學基金資助項目(51378083)；湖南省交通運輸廳科技項目(201304)；國家級大學生創(chuàng)新實驗項目(201610536004)；長沙理工大學土木工程優(yōu)勢特色重點學科創(chuàng)新性項目(2016-1)；中南大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項(2017zzts178) (Project(51378083) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(201304) supported by Department of Transportation of Hunan Province; Project(201610536004) supported by the National College Students Innovation Experiment; Project(2016-1) supported by the Key Innovative Advantage Subject of Civil Engineering of Changsha University of Science and Technology; Project(2017zzts178) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University)

周德泉，博士(后)，教授，博士生導師，從事地基基礎、隧道與地下工程研究；E-mail：zhoudequan28@163.com

(編輯 陳燦華)