中国已建和在建的高土石坝大多位于高地震烈度区，大坝的抗震安全问题将日益突出。在强震作用下，土石坝最主要的震害表现为震陷、坝体裂缝等。震陷与坝体裂缝均与坝体地震变形有关。汶川地震中碧口心墙土石坝最大沉降达24cm，紫坪铺大坝最大90cm的震陷更是超过了设计阶段的预测，说明当前土石坝地震变形预测不能令人满意。由此便产生了土石坝地震安全性评估较难控制的问题。坝体地震变形的预测受筑坝材料动力本构关系及其参数选取的影响很大。尽管人们已经提出了各种各样的土体动力本构模型，并进行了大量的动力三轴试验以获得参数;但由于土体动力性质的复杂性，土体各单元在动力循环荷载作用下的应力条件及应力历史差别很大，其耗能机制也不够明确。因此筑坝土石料的应力-应变本构关系仍有待深入研究。
　　掺砾黏土既具备黏土的防渗性能好的优点，同时又具备砾石强度高、压缩变形小以及与坝壳料变形协调等特点，目前广泛应用于高土石坝的心墙防渗体。反滤料作为心墙与堆石体之间的过渡层，具有滤土排水、保证渗透稳定、填充心墙裂缝使其自愈的作用。反滤料与心墙掺砾黏土料是确保大坝安全的关键。目前对于反滤料和掺砾黏土在动力本构适用性方面研究较少。本文的主要目的在于对筑坝土石料的动力特性进行试验分析，提出一种改进的本构模型并进行模拟验证，分析筑坝土石料在循环加卸载过程的能量变化规律。
　　Bouc-Wen模型从求解一阶非线性微分方程入手，可模拟材料的非线性、滞后性、变形累积以及强度与刚度退化等特性，具有良好的适应性。用于描述筑坝反滤料与掺砾心墙土料的动力特性，可以扩大土体动力应变的适应范围，克服当前筑坝土石料动力模型适应动应变水平较窄的问题;模型可模拟较大动应变条件下土体的动力特性，直接用于地震残余变形的计算。Bouc-Wen模型便于计算筑坝土石料的动力变形，但未能反映其孔隙水压力发展规律。本文采用的方法是对反滤料和心墙掺砾黏土料进行室内动三轴试验并分析试验成果，将Bouc-Wen模型应用于筑坝材料动力特性研究并进行改进，应用热力学方法研究筑坝材料在循环加卸载过程的能量变化规律。论文基于筑坝土石料的试验及改进的Bouc-Wen本构模型研究，得到一系列结论，具体如下所示:
　　(1)当动应变较大时，常用的等效线性动粘弹性模型容易过高估计筑坝料的阻尼比，且不能反映变形累积过程。论文深入研究了Bouc-Wen模型的特性以及参数对应力变形的影响规律，发现参考剪应变γr对动剪切模量和阻尼比特性影响最为显著，形状参数g、n和η0主要控制各动应变水平下的滞回圈形状。拟合了国内外筑坝材料模量与阻尼比试验的均值曲线，确定了筑坝材料的Bouc-Wen模型参数范围。
　　(2)应用GDS高精度动三轴仪，对糯扎渡心墙堆石坝的反滤料和心墙掺砾黏土料分别进行了静动力三轴试验，分析了不同应力条件下两种筑坝材料的静动力特性。试验发现:静力荷载作用下，饱和反滤料具有显著的剪胀性和应变软化特征，而掺砾黏土料应力-应变关系呈硬化型。动力荷载作用下，固结比对饱和反滤料的破坏模式和动强度有显著影响。等压固结条件下反滤料的破坏模式为循环液化破坏;偏压固结条件下的破坏模式为循环塑性累积破坏。固结比越大，反滤料达到破坏振次所需的循环应力比越大;而初始有效围压对反滤料动强度影响较小。与反滤料相比，掺砾黏土料的破坏模式是循环塑性累积破坏，循环累积变形更为显著，动强度具有围压敏感性。针对反滤料达到初始液化后的循环流动性，改进捏垅参量λ的表达式，反映了累积滞回耗能对滞回圈捏垅效应的影响。考虑反滤料的剪胀性，引入剪胀参数，建立剪胀方程。结合应变孔压模型，模拟计算反滤料动孔隙水压力的瞬态波动和增长规律。基于反滤料静动三轴试验，整理确定模型参数。数值模拟结果与试验曲线对比显示，改进的Bouc-Wen本构模型能够较好地模拟等压固结时滞回圈捏拢效应和循环流动性，以及偏压固结时滞回圈棘轮效应和应变累积性。
　　(3)基于Bouc-Wen模型与内时理论的联系，建立掺砾黏土的塑性体积压密与Bouc-Wen型内时函数的关系，扩展模型计算永久变形的能力。考虑动剪应力比的影响，建立了孔压与内时函数的对数关系，提出掺砾黏土的孔压模型。应用该模型对掺砾黏性土料在不同应力条件下的循环三轴试验进行了数值模拟，较好地模拟了多次循环荷载作用下掺砾黏土的累积变形和动孔隙水压力。与边界面模型计算的滞回圈相比，改进的Bouc-Wen模型模拟的掺砾黏土阻尼耗能特性更精确。
　　(4)应用热力学原理分析了Bouc-Wen本构模型。建立土体代表单元的物理元件模型与Bouc-Wen本构模型之间的联系，构造模型耗散增量函数和自由能函数，解释模型主要参数的物理意义，研究筑坝土石料在循环加卸载过程的能量耗散机制。研究发现，筑坝土石料在循环加卸载过程中，绝大多数塑性功通过耗散应力对塑性应变增量做功不可逆地耗散掉，储存的塑性自由能在塑性功中占比很小。