构建能够合理描述砂土非共轴特性的本构模型一直是砂土本构研究领域中的热点和难点问题。对这一问题开展系统深入的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。目前为止,虽然已有不少学者采用不同的理论和方法,发展了一些相应的砂土非共轴模型,但仍然存在一些悬而未决的关键问题。本文在前人研究成果的基础上,从方法的提出、模型的构建、模型的数值实现及工程应用四个方面进行了深入研究,探索出了一条合理描述砂土非共轴特性并定量评价其工程价值的新途径。本文取得的主要研究成果包括:1.通过坐标变换的方式证明了传统位势理论确定的塑性应变率张量必定与当前应力张量具有相同主方向,从而清楚解释了传统弹塑性模型隐含了共轴性假设的原因。为了弥补共轴性假设这一缺陷,利用传统非共轴理论并结合状态相关剪胀理论,建立了一个砂土非共轴模型并利用该模型对砂土的单剪试验进行了模拟,结果表明,模型能够恰当地描述单剪试验过程中砂土的非共轴行为;非共轴塑性的引入也会软化砂土的应力应变曲线。进一步地,发展了与模型相适应的隐式应力积分算法并利用单剪试验对该算法适用性进行了检验,数值测试结果表明,隐式积分算法对于该模型具有良好的适用性。采用该非共轴模型对一砂土地基的承载特性进行了分析,结果表明,考虑非共轴塑性将软化荷载位移曲线,而忽略非共轴塑性的影响可能导致工程设计偏于危险。2.发展了一种新颖的对称二阶张量的正交分解法,利用该方法明确了传统非共轴理论中定义的非共轴应力率的构成。针对传统非共轴理论采用线性假设的不足,本文采用非线性加载机制描述每一非共轴应力率分量诱发的塑性变形,将总的非共轴塑性变形视为分量非共轴塑性变形之和,从而建立了一种广义形式的非共轴理论。然后利用应力和应变探测试验检验了广义非共轴理论在砂土本构建模方面的适用性,结果表明,基于广义非共轴理论建立的模型满足数值计算的稳定性要求,广义非共轴理论能够为砂土非共轴本构模型的构建提供良好的理论基础。3.基于广义非共轴理论并结合边界面塑性理论,构建了一个砂土的循环塑性模型,该循环塑性模型的优势在于运用相互独立的加载机制刻画砂土在不同加载模式下的力学响应,显著增强了模型的灵活性和适用性。利用该模型分别对偏平面上的旋转加载试验、定轴剪切试验、纯主应力轴旋转加载试验进行了模拟。模拟结果表明,该模型能够合理地描述砂土在多种复杂加载模式下的力学响应。模型更重要的意义在于探索出了一条合理描述砂土非共轴特性的新途径。4.利用Fortran95语言及OpenMP并行方案开发了求解饱和土体动力固结问题的并行有限元程序,并采用显式积分算法将建立的砂土循环塑性模型嵌入进了开发的有限元程序中,然后利用该模型对一个饱和砂土地基模型进行了地震反应分析。结果表明,考虑非共轴塑性将加速孔压的累积、有效应力的减小以及土层剪切模量的衰减;增加震动结束时的地基永久侧向变形;扩大地基中液化土层的范围。忽视非共轴塑性的影响可能低估地基和地表建筑在地震期间面临的危险性。