非饱和土分布广泛，性质复杂，而且大量的环境地质灾害都与非饱和土有关。在分析这些问题时，关键的问题之一就是建立描述含水量循环变化与土骨架变形等耦合过程的非饱和土本构关系模型。围绕着以上问题，本文研究的主要内容是建立一个非饱和土本构理论模型，能够有效地描述在任意含水量变化路径下非饱和土的力学行为，并在此基础上提出模拟在雨水入渗等复杂边界条件下非饱和土层中孔隙流体流动、含水量变化、土体变形及强度变化等耦合过程的数值分析方法。为全面解决各种环境地质灾害问题提供关键的理论基础，对发展非饱和土力学理论具有重要的意义。　　 本文从热动力学基础、唯象本构模型、实验室试验到数值模拟系统地开展对非饱和土特性的研究。本研究不仅考虑理论上的严密性及一致性，同时还注重研究成果的实用性。主要内容可分为以下几个部分:　　 (1)理论模型的建立:非饱和土是一种典型的多相多孔介质，并且各相之间存在着复杂的耦合作用。因此从连续介质力学出发，根据热动力学和混合物理论，建立描述非饱和土的多孔介质理论。将循环土水特征曲线的毛细滞回和土骨架的塑性变形作为两种不可逆的能量耗散过程，采用内变量来表征，推导出了能量耗散不等式。在此基础上得出系统处于平衡状态时的状态方程，并给出了近平衡状态时的广义力与广义位移的本构关系。将内变量热动力学与多孔介质理论相结合，为建立能够统一描述循环土水特征关系及应力应变关系的非饱和土本构模型提供了理论基础。　　 (2)唯象建模阶段:将含水量变化的不可逆部分和骨架的塑性变形视为内变量来表述含水量变化与土骨架应力应变关系的相互影响。在此基础上，将非饱和土的应力应变关系和循环土水特征关系有机地结合在一起，建立模拟毛细循环过程与土骨架变形耦合效应的非饱和土本构模型。引入能够描述任意干湿路径下毛细滞回特性的土水特征关系来表征非饱和土的水力历史对力学行为的影响。该模型与热动力学相容，并能够有效地模拟任意含水量变化路径对应力应变关系的影响以及变形对循环土水特征关系的影响，并具有适合不同情况的等级结构。通过对文献中的数据进行模拟，结果较好。另外根据模拟结果，对模型进行一些修正使其可以考虑残余含气量的影响，并采用SMP(空间滑动面)准则通过变换应力方法将模型进行合理的三维化，使其较好地描述一般应力状态下非饱和土的行为特性。　　 (3)开展实验室试验:采用黄河三角洲的粉土作为研究对象。首先对不同水力路径下的非饱和土进行抗剪强度试验。从试验结果来看，非饱和土的临界状态和水力路径及水力状态无关，与饱和土的临界状态线重合。并且根据抗剪强度的等效性，进一步说明了有效应力理论的合理性和临界状态的唯一性。然后开展不同孔隙比和不同净应力下土水特征关系的水力学试验，分析试验结果可知，随着孔隙比的减小，土水特征曲线向右移动，进气值增大，但是形状并未发生明显的变化;然而不同净应力下的土水特征曲线几乎是重合的，这也说明了非饱和土的土水特征曲线与应力状态并没有直接的关系，孔隙比才是主要的影响因素。最后采用GDS非饱和土三轴仪进行不同吸力下的三轴固结剪切试验。通过试验数据发现非饱和粉土具有较强的剪胀和软化性。因此在前面建立的本构模型的基础上，增加了相变状态线和状态参数，采用非相关流动法则，建立了能够描述非饱和粉土/砂土的本构模型。　　 (4)建立数值模型:基于提出的理论模型和有限元方法，将所建立的耦合本构模型进行隐式积分实施到有限元程序中，建立模拟在雨水入渗等复杂边界条件下非饱和土层中孔隙流体流动、含水量变化、土骨架变形及强度变化等耦合作用过程的数值模型;基于已编制的大型有限元软件U-DYSAC2，开发相应的本构模型子程序。通过对文献中的一维和二维问题进行数值分析，来验证和校正所建立的理论及数值模型。　　 (5)多孔介质平衡特性的一些讨论:根据前面建立的多孔介质理论，考虑到多孔介质本身的各种特性，提出了组分化学势的表示形式。利用平衡状态时各组分的化学势满足一定的约束条件，讨论了多孔介质的一些平衡特性，包括渗透压现象、毛细作用、Donnon效应、吸附作用等。根据平衡状态时势能相等，推导出孔压由4部分组成:静水压力、渗透压力、表征基质压力和吸附压力，并且探讨了目前孔压测试中存在的问题。采用简化方法建立了同时考虑吸附和毛细作用的土水特征曲线，可以和真正的孔压一起应用到非饱和土的本构模型中，从而消除模型中的物理不一致性。