水力—力学特性是非饱和土力学理论的核心内容,也是当今土力学界的研究热点和难点之一。基于非饱和土力学、颗粒力学、表面科学及热力学的学科交叉背景,从“土—颗粒—系统”的全新视角,较为系统地研究了非饱和土水力—力学特性影响因素的作用机制,为非饱和土力学理论赋予“颗粒—土力学”的新内涵,研究工作可以总结为以下6个方面:　　(1)利用 GCTS土水特征曲线仪,测定了不同初始干密度西安黄土试样的土水特征曲线,选取Gardner模型分析了初始干密度对西安黄土土水特征曲线的影响,结果表明土水特征曲线的滞回特性既需用滞回圈面积表征其“大小”,又需用滞回度表征其“比重”;结合已有文献的干湿循环试验结果,对青藏黏土、全风化花岗岩和火山土,分析了土类(以颗粒级配为研究对象)、初始干密度以及应力对土水特征曲线滞回度的影响;基于毛细管原理,提出了用土的孔隙尺寸分布预测土水特征曲线的方法,并利用已有文献中黄土原状和重塑样在不同试验条件下进行压汞试验测定的孔隙尺寸分布预测了相应的土水特征曲线,通过对比已有文献得出的结论证明这种预测方法的可行性。　　(2)利用GCTS土水特征曲线仪,测定了不同固结压力下西安黄土试样的土水特征曲线,引入“水土体积比”分析了已有文献中Saskatchewan粉土、Indian Head冰碛土和西安黄土试样的土水特征试验结果,发现不同应力所致孔隙比(预先固结和固结所致)下水土体积比与基质吸力的关系在一定基质吸力范围内可归结为一条曲线。利用该曲线与水土体积比表示的Van Genuchten模型极限重合,通过参数代换改进该模型,使修正模型可考虑应力引起孔隙比变化,并验证了该模型的适用性。　　(3)传统的土水特征及非饱和渗透系数模型在中、高含水率范围预测较好但在低含水率范围预测较差。一方面引入分界点将用体积含水率表示的土水特征曲线分为两个阶段,当土比分界点干燥时假定残余体积含水率与基质吸力的关系,改进Van Genuchten模型,将其推广至低含水率范围。另一方面,引入修正系数改进表征理想球体颗粒系统内薄膜流动的非饱和渗透系数模型,并将非饱和渗透系数表示为毛细流动和薄膜流动的贡献之和,以实现其在全湿度范围内从毛细流动到薄膜流动的光滑过渡。最后利用已有文献中6种壤土的土水特征以及非饱和渗透试验结果验证了修正的土水特征及非饱和渗透系数模型的准确性。　　(4)为研究一对不等径湿颗粒间形成液桥时表现的微观水力特性,用相应的光滑球体颗粒的间距描述颗粒表面的粗糙度,假定液桥的形状为圆环且不考虑颗粒重力和浮力的影响,提出了表征这对湿颗粒与液桥相互作用的理论模型,不仅研究了液桥体积和毛细作用力与基质吸力、颗粒半径比、固–液接触角、颗粒表面粗糙程度的无量纲关系,而且分析了干燥条件下颗粒间液体和液体蒸汽间的平衡关系。最后利用已有文献中湿颗粒间液桥毛细作用力的试验结果验证了该模型在表征液桥毛细作用力与颗粒间距关系时的有效性。　　(5)以均匀湿颗粒材料为研究对象,用轴对称圆锥形孔隙内水分的充填和排出过程来模拟边界和扫描增、减湿过程,提出一种物理模型以描述其滞回特性的物理内涵,并利用已有文献中2种玻璃微珠、5种砂土和2种含黏砂土的持水试验结果验证了该模型在表征均匀湿颗粒材料边界和扫描滞回持水曲线时的有效性。该模型的优点在于不仅对同种均匀湿颗粒材料滞回的边界和扫描减、增湿持水曲线可采用同一组具有物理意义的参数模拟,而且可反映孔隙水内封闭气泡对持水曲线的影响。　　(6)将非饱和土简化为气、液、固3相及其交界面的热力学系统,在考虑相及其交界面的守恒方程中引入对其 Helmholtz自由能考虑力–水耦合特性的本构假定,利用熵不等式原理分别推导出土颗粒呈刚性和可变形时,考虑相间交界面自由能和面积密度的非饱和土有效应力公式,以表征毛细作用和干湿循环对有效应力的影响;再以土颗粒呈刚性为例,在考虑气—液交界面的有效应力公式中,将气—液交界面的面积密度表示为基质吸力与饱和度的函数,用二元二次多项式描述的吸应力特征函数表征吸应力及有效应力参数;最后利用已有文献中5种土的吸应力和有效应力参数试验结果,验证了这种特征函数在表征干湿循环下吸应力、有效应力参数与基质吸力关系时的有效性。