我国山体滑坡、泥石流、地震和洪水等自然灾害频发，亟待解决应急救灾、工程抢险“生命通道”的快速开辟问题；同时，我国东南沿海、西南山区等区域存在岸滩、淤泥、沼泽和冻土等复杂地质，亟待解决我国特种车辆的越野机动性评估和离路导航等问题。目标区域地面力学的远程、快速、精准勘测是解决上述重大需求的首要前提。

现有的天基遥感和空基物探等技术手段属于非接触、非原位测量，仅能识别土体类别和属性，无法快速、准确获取地面力学信息；传统的静力触探、动力触探等接触、原位式探测技术手段属于人工抵近探测范畴，不具备远程、实时勘测的能力。为此，力学所研究团队发明了多功能高精度冲击贯入触探方法，该方法实现了阻力、加速度和姿态角测量，定位与远程通讯等功能一体化，突破了哑区地面力学测试的技术瓶颈；通过理论分析、实验研究和数值仿真等手段，从介、宏观角度揭示了冲击贯入触探的动力学响应特性和贯入阻力机理；提出了土体力学参数的智能解译方法，实现了典型沙土、黏土力学特性参数的快速精准反演识别。相关成果分别以“Cone impact penetration in sand: from high-rate granular mechanics to rapid inversion of shear-strength parameters”和“A rapid interpretation RBF-NSGA-II framework for multi- mechanical parameters from impact penetration technique”为题发表于《Computers and Geotechnics》期刊。

基于岸滩沙土的室内冲击贯入触探实验，构建了考虑颗粒形状效应和颗粒间毛细力的离散元仿真模型，阐明了初始贯入速度、颗粒密度、毛细力和颗粒间摩擦系数与贯入阻力的关系，揭示了土体变形和应力分布的演化规律（图1）。此外，通过耦合欧拉-拉格朗日有限元（CEL）模拟与室内冲击贯入触探实验构建数据库，并利用径向基函数（RBF）神经网络建立了土壤力学特性参数与冲击贯入触探仪响应数据之间的映射关系。进而结合非支配排序遗传算法（NSGA-II）进行多目标优化，精准解译土壤的密度、内聚力、内摩擦角、弹性模量及泊松比等关键力学参数（图2）。采用西藏羊八井地区的砂土与粉质黏土开展室内验证实验，结果表明：在不同含水率条件下，该方法的平均误差＜25%，部分关键参数误差甚至＜10%；同时，单工况平均解译耗时＜1min，与传统三轴试验相比，解译效率提升了3个数量级及以上。

上述研究得到了国家级重点项目、中国科学院青年创新促进会优秀会员、中国科学院战略性先导科技专项、技术领域基金、国家自然科学基金以及广东省高水平创新研究院项目等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2025.107546

https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2025.107377

图1. 贯入仪周围土体颗粒的旋转云图和位移云图

图2. 土壤力学特性参数解译与验证流程图