砂土及其它无粘性土地基在地震作用下发生液化引起土工结构物的破坏是最为普遍的震害。振动荷载作用下饱和砂土的动力失稳过程是一个复杂的变化过程，整个过程伴随有孔压的发展、强度的发挥以及变形的增长甚至破坏。而正确评价和估计由于地震引起的土工构筑物和土工基础的变形，关键在于建立简单、实用的土体本构模型。 目前，尽管针对岩土材料的各种建模思想不断涌现，出现了各种不同形式的土体本构模型，但在弹塑性模型中，剑桥模型与修正的剑桥模型是得到公认的为数不多的模型之一，而由此发展起来的临界状态理论，更具有明确的几何与物理意义，是其它许多模型无法比拟的，尤其对砂土临界状态下的变形或流动规律的研究与探讨，围压和密度对砂土应力应变关系的耦合作用研究，对循环荷载下砂土变形规律的模拟，具有重要的理论意义和实际工程意义。在剑桥模型基础上针对其局限性进行改进和修正，仍是岩土材料建模的重要方向，这也是这篇论文的方向。 在传统的土力学中，经常假定剪胀与应力比η存在惟一关系，这与松砂剪缩、密砂剪胀的试验结果不相符，也无法用一种统一的模型模拟无黏性材料在不同初始密度和固结围压条件下的不同特性。本文在充分考虑砂土变形和破坏的宏观特征及参考前人文献基础上，基于临界状态土力学框架，吸收边界面塑性理论及次加载面理论的优点，建立了新的、适用于砂土的弹塑性静本构模型和动本构模型，采用的是无弹性域假定，土体在卸荷过程中也同时发生弹性、塑性变形。模型将状态依赖的剪胀关系和偏应变硬化规律结合起来，考虑了剪胀对应力状态及变形历史中材料内部状态的依赖，可以用一组统一的模型参数模拟砂土在不同初始密度和围压下，土从起始阶段近似弹性的响应直到趋近临界状态破坏。 模型的正确性得到了本人试验及文献中试验结果的证明。静本构关系能够很好地反映砂土静荷载下的应力．应变非线性、硬化性、剪缩性、剪胀性等多种主要变形特性，动本构模型则合理预测了往返循环荷载作用下应力．应变关系的光滑性、变形积累性、滞洄性等变形特性，该模型仅有8-9个土性参数，均可通过常规试验确定。本论文研究内容主要有： (1)本文回顾、总结和讨论了土的本构关系发展研究情况。认为在剑桥模型基础上针对其局限性进行改进和修正，是岩土材料建模的重要方向。本文所修正的剑桥模型局限性主要有：1)屈服面形状不适用于砂土；2)受制于经典塑性理论，采用Drucker公设和相关联的流动法则，在很多情况下与岩土工程实际状态不符；3)因为屈服面只是塑性体积应变的等值面，只采用塑性体积应变作硬化参量，因而没有充分考虑剪切变形；只能反映土体剪缩，不能反映土体剪胀；因此不适用于强超固结粘土和密实砂，在工程应用范围上受限制，并且对于水平位移无法得出符合实际的结果；4)采用各向同性硬化，不能用于描述循环剪切荷载条件，在此条件下观察到应力—应变具有高度的非线性，迴滞圈斜率依赖于加卸载条件；5)未能反映剪胀对于状态的依赖性，这一现象在绝大部分无粘性土中均可见到：6)其假定的弹性墙内加载仍会产生塑性变形。 (2)总结和讨论了静荷载及循环荷载下土体典型的宏观本构特性。静荷载下砂土应力应变关系曲线有应变硬化型和应变软化型两种，并随密度、围压大小的不同而变化。循环荷载作用下，砂土应力-应变关系曲线具有光滑性、非线性、变形积累性、滞洄性的特点。 (3)采用不同的初始孔隙比，e。分别为 0.53、0.63、0.73 情况下，对不同的围压进行了砂土常规三轴试验，测定了各种不同情况下偏应力-偏应变、偏应变-体应变的关系，为本构模型的验证奠定了基础。 (4)基于临界状态土力学框架，建立了一个剑桥类砂土本构模型，适用于单调静力荷载，加入了剪切硬化、依赖状态的剪胀的概念。屈服面采用倒子弹头型。硬化规律不是采用剑桥模型的体变硬化，而是采用增量形式塑性偏应变硬化，建议了一个新的硬化规律表达式。流动法则采用加入状态参数概念的修正的Rowe应力剪胀关系，该模型能考虑砂土变形特性对密度和固结压力的双重依赖型，只用一组材料参数就能模拟不同密度和固结压力下的应力应变响应。通过与常规三轴试验、等p压缩三轴试验等结果的对比，表明该模型是合理的、有效的。 (5)考虑砂土的循环变形特性，并基于建立的静本构关系，进一步发展了适用于往返循环荷载作用的边界面动本构模型，采用无弹性域假设，认为受到反向荷载的瞬时土体就产生塑性变形，砂土的弹性区域退化为一个点。常规的弹塑性本构方程假设屈服面内部是一个弹性域，无论应力如何改变都没有塑性变形产生，即只有纯弹性变形产生，它只能描述应力达到屈服状态的显著塑性变形，而不可能用来描述应力在屈服面内变化而产生的塑性变形。另外，模型加入了相对应力比概念使得应力路径上的每一个点都处于加载状态。依然采用剪切硬化，状态依赖的应力剪胀关系。映射法则为径向映射，屈服面大小的比值β反映了塑性模量的演化，并推导了β的表达式。该模型能合理地模拟砂土动荷载下的应力-应变关系曲线的光滑性、变形积累性、滞洄性。 (6)为对比研究，基于提出的静本构关系，还进一步发展了次加载动本构模型，模型也加入了相对应力比概念，依然采用上面的硬化规律、流动法则，次加载模型中，屈服面大小的比值Ns-面尺寸比R反映了塑性模量的演化，与边界面不同的是，R随塑性应变演化的方程由满足条件的假定给出。该模型也能合理地模拟砂土动荷载下的变形特性。 本文的创新点主要有： (1)本构模型采用了一个倒子弹头型的封闭屈服面。而原始的剑桥模型屈服面是子弹头型，修正剑桥模型的屈服面是标准椭圆，适用于粘土，不适用于砂土。本文的模型屈服面较吻合试验数值。 (2)采用偏应变硬化方式，建议了一个新的硬化规律表达式。原始的剑桥模型及修正剑桥模型都是采用塑性体积应变作硬化参量，因而没有充分考虑剪切变形；只能反映土体剪缩，不能反映土体剪胀。采用偏应变作硬化参量，首先计算偏应变值，再利用依赖状态的应力剪胀关系计算体积应变，通过与试验结果的对比，表明该模型是合理的、有效的。 (3)基于该本构模型，推导了不排水的应力-应变关系及孔压表达式。考虑孔压与体积应变的相容性，利用本构关系建立的孔压表达式比各种孔压模型更具合理性。 (4)基于上述的静本构关系，进一步发展了适用于往返循环荷载作用的边界面动本构模型、次加载动本构模型，与常规的边界面模型、次加载模型不同的是，本模型加入了相对应力比概念，并推导了塑性模量的表达式。加入了相对应力比概念，应力始终处于加载状态，通过模拟结果可以看出，预测非常符合实际变形特性。 综上可见，本文提出的临界状态本构模型只需8-9个参数，其物理意义明确，实现了力学原理上的严密性、物理描述上的全面性与实际应用上的简明性之间较自然的结合。静、动荷载条件下该模型对土的变形特性的模拟表明，它具有良好的推广前景。