开展陌生区域地面力学的远程、广域、快速勘测以评估车辆的越野机动性，在民用和国防等研究领域提出了迫切的需求。但目前现有的天基遥感、空基物探等技术手段属于非接触、原位勘测，只能反演部分地质信息，无法准确、快速获取地面力学参数。中科院力学所创新性提出了自由落体式贯入触探的技术手段，以突破陌生区域地面力学远程、广域、快速勘测的技术瓶颈。

自由落体式贯入触探的基本原理是贯入触探仪（贯入仪）在重力作用下获得贯入速度和动能，在贯入过程中测量贯入阻力和加速度随深度/时间的变化数据，但此测量值并不能直接获得土壤的物理力学参数，需根据贯入阻力来建立对应的参数反演方法。然而，贯入阻力与土壤力学参数的物理关系，特别是Mohr-Coulomb强度参数（黏聚力、内摩擦角）间的关系还不十分清楚。此外，当贯入速度较高时，土壤中会出现弹孔扩张现象，贯入仪与土壤的接触面积不断变化，导致了理论计算的困难。以上复杂因素导致现有的参数反演方法大都存在经验依赖性强、物理图像不清晰等问题。为此，本文针对自由落体式贯入触探开展了数值模拟及理论分析工作，对自由落体贯入过程中的贯入阻力特性及Mohr-Coulomb强度参数的反演进行了研究。

本文首先基于耦合欧拉-拉格朗日算法建立了描述自由落体贯入过程的大变形有限元分析模型，得到了贯入过程中土体应力、应变及速度场的分布规律，验证了不同初始贯入速度下土壤中存在的弹孔扩张现象。仿真结果表明，贯入过程中存在一个速度阈值，当贯入速度低于速度阈值时，贯入阻力中的静态阻力占主导地位；当贯入速度超过速度阈值时，贯入阻力中存在比较明显的动态阻力。对于给定的贯入仪-靶材组合，本文给出了一种利用数值模拟计算结果确定速度阈值范围的方法。进一步的参数分析表明：静态阻力关于土壤泊松比、弹性模量、Mohr-Coulomb强度参数以及贯入仪-土壤接触界面摩擦系数单调递增，而与土壤密度无关。

其次，本文改进了Feldgun等人提出的动态空腔膨胀模型，基于改进后的模型从理论上分析了贯入过程中的弹孔扩张现象，并计算了速度阈值的具体数值。建立了贯入仪的运动控制微分方程，提出了描述贯入过程的分阶段模型与简化模型。模型预测结果与数值模拟的计算结果符合得较好，以仿真得到的最大贯入深度为基准，分阶段模型的预测误差均小于10%，最小误差仅为2.26%。通过引入形状因子解释了理论模型与数值模拟之间静态阻力存在的偏差。

最后，本文利用自由落体式贯入触探获得的阻力-速度曲线、加速度时程曲线，基于改进后的动态空腔膨胀模型对土壤的Mohr-Coulomb强度参数建立了新的反演方法，该方法解决了现有半经验反演方法中经验依赖性强、物理图像不清晰的问题，为复杂地质环境下土壤Mohr-Coulomb参数的快速确定及土壤承载力评估提供了新的解决方案。