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泥岩(Mudstone或者Mudrock)，是一种地球表面分布最为广泛的由粘土或泥固化沉积而成的颗粒细小、富含粘土矿物、没有明显层理或页理的粘土岩，也是地下工程建设中常见的软弱岩土介质。Boom Clay泥岩(国外也称Boom Formation)是一类第三纪细密粘土沉积物，分布于比利时北部的Campine盆地，其成岩程度低、完全饱和、比普通泥岩更为软弱可塑。由于Boom Clay具有低渗透性、均匀少裂隙及遇水损伤自修复等特征而被认为是一种良好的核废料地质储存介质。Boom Clay泥岩力学性质十分复杂，尤其是其应力-渗流耦合作用下的蠕变特性更为复杂，比利时烈日大学、西班牙UPC、法国路桥大学等研究机构和众多国际学者都在开展这方面的试验和理论研究。
本文结合课题组与比利时正合作开展的研究课题，通过试验分析和理论推导建立上下加载面修正剑桥弹塑性模型和不显含时间的非线性蠕变模型，以研究Boom Clay的短期力学特性和蠕变特性，主要研究内容包括：⑴开展了不同围压下Boom Clay的固结不排水三轴剪切试验。试验表明:BoomClay属于粘聚摩擦型材料，应力应变关系是典型的应变软化型;应用摩尔库伦与剑桥等模型难以对其予以有效描述。⑵开展了循环加载试验，研究了Boom Clay在加卸载作用下的应力应变关系。试验表明:Boom Clay在卸载后再加载的过程中仍具有塑性变形。⑶基于固结不排水三轴剪切试验和循环加卸载试验，建立了子午面上考虑粘聚力和偏平面上考虑应力罗德角影响的上下加载面修正剑桥模型。该模型能够考虑粘土类岩土介质的粘聚特性、拉压不等效应及原状态结构性影响下的应变软化等特性而无需引入结构损伤等过多变量。采用向后欧拉半隐式积分算法编制了本构模型子程序;通过在不同排水条件和不同固结状态下进行不同加载方式(位移加载与力加载)的数值模拟，验证了该本构模型对超固结和原状结构性土体力学特性的模拟能力，模拟结果证实了所编程序的正确性和可靠性。通过模拟Boom Clay固结试验和三轴固结不排水剪切试验证明了所建上下加载面修正剑桥模型能较好的反映其非线性、软化性与塑性流动特性。⑷开展了Boom Clay固结蠕变和三轴蠕变试验，研究了Boom Clay渗流-应力耦合作用下的蠕变特性。基于蠕变试验研究和理论分析，认为蠕变特性的研究重点应该在于稳态蠕变过程，稳态蠕变模型应为不显含时间的分离型模型。通过蠕变试验结果分析，给出了以不可恢复应变为变量的蠕变速率计算式，并基于上下加载面修正剑桥模型，建立了以不可恢复应变为变量的不显含时间的分离型蠕变模型;避免了传统显含时间项的蠕变模型在土体经历加卸载过程等复杂工况的实际计算中具体蠕变时间确定的难题。采用积分算法完成了所建蠕变模型的数值实现，编制了该蠕变模型子程序;通过模拟BoomClay固结蠕变和三轴蠕变两类蠕变试验，进行计算结果与试验结果的比较分析，验证了所建蠕变模型的正确性和所编程序的可靠性。⑸针对本研究所建分离型非线性蠕变模型的参数辨识问题，首先采用自然选择、自适应变惯性权重、异步变化学习因子策略，进行了粒子群算法的改进;并完成了改进算法的程序实现和性能测试。之后基于改进粒子群优化算法建立了通过以位移实测值和计算值建立目标函数的反演模型，与有限元软件联合编写了岩土工程力学参数反演分析程序。⑹在Boom Clay泥岩力学特性试验、弹塑性本构模型及蠕变模型研究的基础上，采用数值模拟方法，研究了比利时HADES地下实验室Connecting Gallery施工过程及现场长期观测阶段围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的变形规律，并将现场试验结果与数值仿真成果进行对比分析，预测了Connecting Gallery的长期变形。