土石坝、土质边坡等土工构筑物中的土体常因水位升降而经历偏应力恒定、有效球应力往复循环加卸载的应力路径,并发生持续的变形累积。为研究土体在该应力路径下的变形规律,论文开展了较为系统的球应力循环三轴试验,研究了球应力单调增大、减小过程中体应变、剪应变的发展规律,分析了应力循环对体应变、剪应变的影响,探讨了初始偏应力、初始球应力及初始密度对应力变形的影响机制。开展了该应力路径下的PFC数值试验,建议了增量形式的球应力循环下土体应力-应变关系的数学描述方法并进行了初步验证。取得了如下研究成果:1.采用福建标准砂进行了较系统的等偏应力、球应力慢速循环加卸载应力路径三轴试验。结果表明球应力的循环变化不仅会引起土体的体应变,而且也会引起剪应变的发生。在不同的应力条件下,应变的发展存在一些基本规律。(1)在单次循环过程中,体应变随着球应力的增大(减小)而单调增大(减小),而且体应变与球应力对数之间近似呈线性关系。(2)在球应力加载阶段,剪应变单调增大,且增长量均小于0.1%,可忽略。(3)球应力卸载阶段,剪应变的发展与应力比密切相关。应力比较小时,剪应变随着球应力的减小变化缓慢,随着应力比的增大,剪应变转变为迅速增长。而且不同应力条件下的剪应变随应力比增大而变化的规律在同一条线上。2.探讨了不同固结偏应力、固结球应力、不同相对密实度条件对土体变形特性的影响效应。(1)偏应力对初始加载段的体应变曲线几乎没有影响,而对后续再加载阶段和卸载段均有明显的影响。不同固结偏应力条件下的体应变累积量几乎相同。偏应力对剪应变的累积效应有较大的影响。高偏应力(900 kPa)条件下的剪应变累积量是低偏应力(300 kPa)情况下的26倍左右。显著的初始偏应力的存在通常决定了剪应变的累积方向。(2)固结球应力提高后,体应变的变化幅值明显减小,而体应变累积量几乎不变。球应力经过固结球应力的归一化处理后,不同固结球应力下的体应变曲线几乎重合。固结球应力提高后,在相同的应力比增量条件下,剪应变的增长量和累积量均大幅度减小。在应力路径长度相同的条件下,累积剪应变的发展与固结应力比密切相关。(3)初始相对密度提高后,体应变的变化幅度和积累量均略有减小。随着固结偏应力的提高,相对密度对剪应变的影响越来越明显。当固结偏应力小于700 kPa时,相对密度对剪应变的增长速度和累积速度的影响不明显;当固结偏应力大于700 kPa时,密砂的剪应变增长量和累积量大幅度减小。3.运用PFC数值模拟软件,进行了常规三轴试验,并通过与室内试验结果的比较,得到了一组微观参数。进一步模拟了球应力循环加卸载路径下的数值试验,得到的结果与室内试验结果总体发展趋势基本一致。但是由于数值试验没能体现三轴试样内部的非均匀性,也不能完全反映砂土的细观变化,因此导致模拟试验的应变值明显小于室内试验。4.考虑土体的密度和组构等可能的内部变化,定义了两个与体积变形和剪切变形相应的内变量,并建议了增量形式的球应力循环下土体应力-应变关系的数学描述方法,建立了增量数学模型。通过试验结果与数学模型计算结果的比较分析,初步验证了模型的可行性。